董興虎

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

1 概述

廣州地鐵A2/A3型列車在運(yùn)營5年后其制動(dòng)系統(tǒng)模擬轉(zhuǎn)換閥故障逐步增多，且在冬季較多發(fā)生，對運(yùn)營生產(chǎn)造成很大影響。

本文基于模擬轉(zhuǎn)換閥機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件控制等方面分析，找出其故障原因，提出其維護(hù)優(yōu)化解決措施，以提高其可靠性及使用壽命。

2 模擬轉(zhuǎn)換閥概述

EBCU接收制動(dòng)指令信號后根據(jù)載荷和沖擊限制和混合制動(dòng)需求，調(diào)節(jié)并傳至電氣控制單元(BCU)，BCU上的模擬轉(zhuǎn)換閥將電壓轉(zhuǎn)化為一個(gè)成比例的預(yù)控制壓力Cv，其輸入信號與載荷成比例且有峰值限制，二者均應(yīng)符合整個(gè)制動(dòng)所需要的摩擦制動(dòng)力的要求[1]。

2.1 模擬轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)

如圖1所示為模擬轉(zhuǎn)換閥內(nèi)部氣路，用來升壓Cv的充氣電磁閥與輔助風(fēng)缸R相連，當(dāng)電磁閥由電控器驅(qū)動(dòng)時(shí)，氣流流入R的預(yù)控管線，增加Cv的壓力水平；用來降壓Cv的排氣電磁閥與耗氣孔O相通，當(dāng)電磁閥被驅(qū)動(dòng)時(shí)，空氣從預(yù)控管線排放到大氣中，降低Cv的壓力水平。其工作狀態(tài)為：

圖1 模擬轉(zhuǎn)換閥解剖圖

制動(dòng)位：進(jìn)氣閥得電，排氣閥失電，壓縮空氣從制動(dòng)貯風(fēng)缸R進(jìn)入，輸出預(yù)控制壓力Cv1至緊急電磁閥；

緩解位：進(jìn)氣閥失電，排氣閥得電，R通路被切斷，預(yù)控制壓力Cv通過排氣閥直到大氣O。

如圖1所示，當(dāng)進(jìn)氣閥或排氣閥不得電時(shí)，其管路氣體的切斷是依靠壓縮彈簧的彈力推動(dòng)雙閥座來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 模擬轉(zhuǎn)換閥控制原理

EBCU根據(jù)輸入信號（包括常制，快制，緊制）計(jì)算列車所需要的制動(dòng)力值，并將信號送給模擬轉(zhuǎn)化閥，模擬轉(zhuǎn)化閥將所要求的制動(dòng)力值轉(zhuǎn)化為沖擊極限及載荷控制的預(yù)控壓力，控制模擬轉(zhuǎn)化閥進(jìn)氣閥的螺線管調(diào)節(jié)預(yù)控壓力大小，預(yù)控壓力的大小又通過模擬轉(zhuǎn)化閥的壓力傳感器反饋給EBCU，EBCU根據(jù)壓力傳感器信號選擇性地控制充氣或排氣電磁閥信號，使指令與預(yù)控壓力之間保持有恒定的關(guān)系，如圖2。

圖2 模擬轉(zhuǎn)換閥控制原理圖

壓力傳感器時(shí)刻監(jiān)測著預(yù)控壓力的大小，如果壓力大于設(shè)定壓力EBCU則調(diào)節(jié)排氣電磁閥，壓力過小調(diào)節(jié)充氣電磁閥。因此EBCU與模擬轉(zhuǎn)換閥之間存在斷路檢測。

3 故障分析

3.1 故障現(xiàn)象及隱患評估

列車閘瓦在緩解時(shí)，制動(dòng)缸內(nèi)氣體排出，依靠推桿彈簧力的作用離開踏面。在日常檢修TRB試驗(yàn)時(shí)，閘瓦仍然貼合踏面，說明在制動(dòng)缸內(nèi)存在氣體抵制了制動(dòng)缸內(nèi)彈簧力。進(jìn)而，列車在緊急制動(dòng)情況下，模擬轉(zhuǎn)換閥排氣口處排出的氣體發(fā)出“嗤-嗤-嗤-嗤”連續(xù)的短促排氣聲。

在上述故障現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)刻，排氣閥得電，進(jìn)氣閥失電，R通路被切斷。但通過監(jiān)測EBCU數(shù)據(jù)顯示R內(nèi)存在0.3 bar左右壓力，該壓力為氣體通過進(jìn)氣閥竄入Cv一側(cè)產(chǎn)生的，進(jìn)而抵制了制動(dòng)缸內(nèi)彈簧力而出現(xiàn)閘瓦不能緩解的現(xiàn)象。若該故障對列車制動(dòng)性能造成很大影響，還增大輪對及閘瓦不良磨耗，嚴(yán)重的甚至造成輪對抱死等運(yùn)營安全隱患。

3.2 故障統(tǒng)計(jì)及可靠性分析

統(tǒng)計(jì)2008年至今運(yùn)用于廣州地鐵八號線的20列A2/A3型車模擬轉(zhuǎn)換閥故障可知：隨著運(yùn)營年限增加，故障率明顯增加，且冬季故障率尤為突出。

表1 模擬轉(zhuǎn)換閥故障統(tǒng)計(jì)

根據(jù)可靠度R(t)定義，到規(guī)定的時(shí)間區(qū)間終了為止，能完成規(guī)定功能的產(chǎn)品數(shù)NS(t)與在該時(shí)間區(qū)間開始時(shí)投入工作的產(chǎn)品數(shù)NT之比[2-3]。表示為：

R(t)=1-NF(t)/NT=NS(t)/NT

產(chǎn)品失效和不失效是互逆事件，因此

R(t)=1-Q(t)=1-PF

計(jì)算模擬轉(zhuǎn)換閥可靠性如表2所示。

表2 模擬轉(zhuǎn)換閥可靠性

用傳統(tǒng)單一的浴盆曲線已不能代表現(xiàn)代軌道交通列車故障率曲線。如圖3所示為6種故障率曲線型式。統(tǒng)計(jì)表明，機(jī)車車輛產(chǎn)品中符合A、B、C型故障率曲線的約占5%～10%，而符合D、E、F型故障率曲線的約占90%～95%。

圖3 六種故障率曲線

模擬轉(zhuǎn)換閥故障率符合有耗損期型故障率曲線，其故障率曲線如圖4所示。

圖4 模擬轉(zhuǎn)換閥故障率

3.3 模擬轉(zhuǎn)換閥雙閥座及壓縮彈簧

通過對故障的模擬轉(zhuǎn)換閥拆解后發(fā)現(xiàn)，其充氣電磁閥和排氣電磁閥的雙閥座硫化橡膠部分存在明顯的凹痕和變形，正是由此才導(dǎo)致雙閥座在彈簧力作用下仍不能完全截?cái)鄽怏w（如圖5所示，左邊為舊件右邊為新件）。

根據(jù)機(jī)械零部件失效率模型及部件拆解狀況，可將該兩個(gè)電磁閥簡化為閥門單體來進(jìn)行研究，考慮其密封、雙閥座、彈簧等方面故障模式及原因。

（1）密封：潤滑及組件性能長期動(dòng)作配合，出現(xiàn)潤滑不足、組件表面損傷。冬季受低溫影響其動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性增大致使故障率突出。

（2）雙閥座：硫化橡膠部分有約0.3 mm的凹痕和表面膨脹變形，且由于潤滑不足雙閥座與其安裝孔接觸的金屬部分也有輕微磨損。

（3）壓縮彈簧：由于長期受力出現(xiàn)輕微塑性變形，疲勞導(dǎo)致其彈性有所下降。

3.4 制動(dòng)軟件對模擬轉(zhuǎn)換閥性能影響

通過分析實(shí)驗(yàn)表明，該列車制動(dòng)軟件版本的選擇對模擬轉(zhuǎn)換閥漏氣現(xiàn)象也有一定影響。不同版本制動(dòng)軟件，在緊急制動(dòng)施加過程中，EBCU內(nèi)MB04板每隔1ms對排氣閥發(fā)出DC24V脈沖信號，當(dāng)其構(gòu)成回路時(shí)無診斷故障出現(xiàn)，否則出現(xiàn)“模擬轉(zhuǎn)換閥故障”的信息。

通過V0.75和V0.77兩個(gè)版本制動(dòng)軟件的對比，用示波器監(jiān)測排氣電磁閥之間電壓，得到其排氣閥波形圖（如圖6所示），發(fā)現(xiàn)V0.75的脈寬為120μs，V0.77則為220μs。相較而言，0.77版本比0.75版本對排氣閥造成的影響稍大。

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)將同一故障件在上述兩個(gè)版本下對比，發(fā)現(xiàn)在V0.77版本下比在V0.75下漏氣現(xiàn)象較明顯，甚至有在V0.77下漏氣，V0.75下正常的現(xiàn)象。說明在緊急制動(dòng)施加時(shí)，EBCU斷路檢測間隙時(shí)間使得模擬轉(zhuǎn)換閥動(dòng)作出現(xiàn)輕微差異，進(jìn)而影響到閥體排氣。

4 改進(jìn)優(yōu)化措施

基于以上分析，采取以下措施加強(qiáng)模擬轉(zhuǎn)換閥的維護(hù)優(yōu)化解決措施。

故障檢修時(shí)對于出現(xiàn)故障的模擬轉(zhuǎn)換閥可根據(jù)其實(shí)際情況，參考以下標(biāo)準(zhǔn)更換雙閥座及其壓縮彈簧進(jìn)行故障件修復(fù)：

（1）觀察雙閥座的硫化橡膠部分有無損壞，如果其表面有凹痕或膨脹變形超過0.2～0.3 mm，其金屬部分磨損嚴(yán)重的均需更換；

圖6 制動(dòng)軟件V0.75排氣閥波形圖

（2）觀察壓縮彈簧的長度及彈性，如果其塑性變形與新件相較超過0.5 mm需更換；

（3）必須將換下的模擬轉(zhuǎn)換閥的R和Cv通道封閉，以免雜質(zhì)落入其中影響元件質(zhì)量；

（4）如果更換模擬轉(zhuǎn)換閥返修件，在安裝前需表面清潔，如有必要可用肥皂水清潔后再用清水清洗，特別是通風(fēng)閥門等部位需用吹風(fēng)機(jī)吹干；

（5）在安裝時(shí)，需對“O”型圈、安裝面及空氣制動(dòng)屏對應(yīng)部位涂適量潤滑脂進(jìn)行潤滑。

調(diào)整檢修維護(hù)策略，針對系統(tǒng)故障特點(diǎn)，采取提前預(yù)防措施，避免故障隱患對列車性能的影響。同時(shí)，繼續(xù)開展模擬轉(zhuǎn)換閥故障件的自主維修工作，滿足生產(chǎn)需要，降低維護(hù)成本。

更新適于列車運(yùn)用的最優(yōu)制動(dòng)版本，在降低模擬轉(zhuǎn)換閥故障率的同時(shí)，也最大程度減少列車閘瓦、輪對磨耗。

事實(shí)上，在采取上述措施后，模擬轉(zhuǎn)換閥故障率得到有效控制，可靠性能得到明顯提高。

5 結(jié)束語

通過對模擬轉(zhuǎn)換閥檢修維護(hù)改進(jìn)及制動(dòng)版本軟件優(yōu)化，提高了其可靠性，延長了模擬轉(zhuǎn)換閥的使用壽命，使該部件故障率有效降低。同時(shí)，通過該部件自主修復(fù)，既有效保證了備件數(shù)量，還有效降低了運(yùn)營成本。

［1］長春長客-龐巴迪軌道車輛有限公司.廣州地鐵A2、A3型電客車維修手冊［Z］.2006.

［2］牟致忠.機(jī)械可靠性—理論·方法·應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］趙宇，楊軍，馬小兵.可靠性數(shù)據(jù)分析教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.