董曉東

(中國鐵路濟南局集團有限公司 青島動車段技術(shù)科， 山東青島 266033)

動車組給水衛(wèi)生系統(tǒng)是為動車組車上人員提供用水和衛(wèi)生需求的功能性系統(tǒng)，系統(tǒng)工作的正常與否將直接影響車上旅客的舒適度。衛(wèi)生系統(tǒng)作為動車組給水衛(wèi)生系統(tǒng)的重要組成部分，主要由車上真空便器單元、控制單元及懸掛在列車車下的污物箱單元等組成。以CRH380A型動車組為例，真空便器單元包括真空座便器和真空蹲便器兩部分；控制單元包括電控部分、氣控部分、沖洗開關(guān)及接線盒等；污物箱單元則采用不銹鋼制成，容積為770 dm3,由內(nèi)箱、保溫層、外箱、中轉(zhuǎn)箱、電氣箱、真空發(fā)生裝置、80%液位開關(guān)、100%液位開關(guān)、排空裝置、沖洗裝置、電加熱裝置等組成，是構(gòu)成衛(wèi)生系統(tǒng)的主要部分。

1 故障統(tǒng)計分析

對濟南鐵路局青島動車段2018年1～8月份CRH380A型動車組衛(wèi)生系統(tǒng)故障統(tǒng)計可知，這期間CRH380A型動車組共計發(fā)生衛(wèi)生系統(tǒng)故障126件，其中污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)合計101件，真空便器類故障(代碼10)合計19件，其他故障合計6件。通過故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，污物箱誤報故障(代碼05、06)數(shù)為80件，占觀察期內(nèi)衛(wèi)生系統(tǒng)故障發(fā)生總數(shù)比例高達80.16%，月均故障數(shù)達13件之多，是導(dǎo)致衛(wèi)生系統(tǒng)故障發(fā)生的主要原因。

對拆卸下的污物箱浮球傳感器分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)原因為浮球液位傳感器上的浮球被沖入箱中的污物纏繞進而導(dǎo)致傳感器反饋信號持續(xù)激活，數(shù)字控制器(DTC)誤認(rèn)為污物箱中液位到達限度，故障持續(xù)報出。

結(jié)合對衛(wèi)生系統(tǒng)故障的原因分析及現(xiàn)場檢修作業(yè)實際，目前動車組污物箱中普遍采用浮球式液位傳感器，因其自身結(jié)構(gòu)問題在日常使用上存在可靠性低、維護作業(yè)難度大等問題，降低了衛(wèi)生系統(tǒng)可靠性，影響了設(shè)備的正常使用，急需一種新型液位傳感器進行代替。

與傳統(tǒng)的浮球式傳感器相比，光纖傳感器具有耐高溫、高壓、抗電磁干擾、抗腐蝕、安全性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于檢測傳感領(lǐng)域[1]。選用光纖傳感器替換浮球傳感器對污物箱中液位進行檢測，除具有上述優(yōu)點外且光纖傳輸?shù)念l帶寬，動態(tài)范圍大，光纖傳感器外形幾乎沒有限制，可作成任意形狀的特點，適用于各種安裝條件，適合在動車組污物箱裝置中使用。

2 光纖液位傳感器原理及選型

2.1 傳感器工作原理

光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由光源，輸入光纖，探頭，輸出光纖及光電探測器5部分組成。其中探頭作為傳感器的重要部分，是由光學(xué)棱鏡組成，與輸入光纖及輸出光纖相連。為保持光線由纖芯傳入探頭界面的直線傳播，取探頭部分材質(zhì)的折射率與纖芯的折射率基本相同。

光纖液位傳感器的工作原理是基于光學(xué)全反射和折射原理，依據(jù)幾何學(xué)原理，光線由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)中，折射角大于入射角，當(dāng)入射角達到臨界角時，會產(chǎn)生全反射[2]。在液位檢查中，空氣和待檢液體相對光學(xué)棱鏡(傳感器探頭)來說為光疏介質(zhì)，當(dāng)光線由傳感器探頭入射到空氣或液體中時，會在棱鏡與其介面上形成全反射，但因空氣和液體兩者的折射率差異致使發(fā)生全反射的臨界角不同，由此造成入射光線線束中產(chǎn)生全反射的光線部分比例有所不同，通過檢測反射回的光強便可得到被測液體相關(guān)參數(shù)信息，最終完成檢測。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器探頭選型

為更好保證傳感器工作的可靠性及對工作環(huán)境的適應(yīng)性，有必要對傳感器探頭進行選型，結(jié)合動車組檢修過程中暴露出的浮球液位傳感器上浮球被污物纏繞問題，選取了3種不同的傳感器探頭進行分析試驗，如圖2所示。

探頭1為傳統(tǒng)的直角圓錐形探頭，進行現(xiàn)場試驗，在某些特殊情況下(污物箱中意外混入棉、絲制品等難溶異物時)，該型圓錐形探頭依然存在有被異物掛搭或纏繞的現(xiàn)象。

探頭2采用橢圓形探頭，進行現(xiàn)場試驗，該型探頭在特殊情況下可有效避免被異物掛搭或纏繞，外形適應(yīng)性較高。

探頭3是在探頭1的基礎(chǔ)上，對直角錐形進行了部分改進，對直角錐角進行了半徑為0.5 mm的倒圓處理，現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，改進后的錐形探頭在特殊情況下亦可有效避免被異物掛搭或纏繞，外形適應(yīng)型較探頭1高，滿足使用要求。

圖2 3種不同的傳感器探頭

為進一步驗證3種傳感器探頭的適應(yīng)性，這里對采用不同探頭光纖傳感器的消光比進行對比。消光比作為指示光纖傳感器性能的重要指標(biāo)，其數(shù)值直接反映了傳感器的靈敏度，消光比越大傳感器的靈敏度越高，傳感器的消光比Er

其中I1指的是探頭接觸到液位時的輸出光功率；I2指的是探頭未接觸液位時的輸出光功率，為確保數(shù)值的可參照性，固定輸入光纖與輸出光纖之間距離(4 mm)，分別采用光源為660 nm的發(fā)光二極管，型號為PPM-20的光電探測器對探頭進行檢測，試驗發(fā)現(xiàn)3種不同探頭形狀光纖傳感器消光比大小為：E1>E3>E2。由此可知，采用直角錐形探頭光纖傳感器具有最大消光比，改進型錐形探頭傳感器次之，橢圓形探頭傳感器最小。

綜上所述，結(jié)合動車組運用作業(yè)實際，在滿足基本靈敏度的前提下，考慮探頭外形的適用性需求，最終選取改進型錐形探頭(探頭2)作為本次光纖傳感器使用探頭。

2.3 光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)

光纖液位傳感器由光源、探頭、傳輸光纖及光信號解調(diào)電路等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖(3)所示。傳輸光纖選用芯包比為62.5 μM/125 μM的標(biāo)準(zhǔn)階躍多模通信光纖；光源選用型號FLDM-915-10000T的激光器，該激光器可生成波長850 nm的光信號，滿足設(shè)定需求；光電探測器選用型號C30902B的雪崩光電二極管，其敏感波長為850 nm，與激光器匹配。

光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖和插入污物箱液體中的探頭后返回光電探測器，考慮雪崩二極管(光電探測器)的增益受溫度影響，后接溫度補償電路對光電二極管進行輸出補償。補償電路后接運算放大器對微弱電信號進行放大，放大器輸出接有源濾波電路，用來屏蔽直流信號中的夾雜交流及其他低頻干擾信號。

圖3 光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

3 應(yīng)用安裝

如CRH380A型動車組衛(wèi)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(4)所示，將光纖液位傳感器安裝在污物箱槽內(nèi)(圖中紅框內(nèi))，分別為污物箱80%和100%箱滿進行液位檢測指示，箱滿80%提醒需要進行箱體排空，箱滿100%用來阻止集便系統(tǒng)使用，鎖住便器[3]。當(dāng)污物箱內(nèi)液面低于下液位光纖傳感器高度或高于上液位光纖傳感器高度時，由光電探測器接收到的反射光強增加，根據(jù)光強變化就能檢測出液面位置，實現(xiàn)對污物箱內(nèi)液位的動態(tài)檢測。

圖4 CRH380A型動車組衛(wèi)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(1拖1衛(wèi))

4 試驗驗證

為驗證光纖液位傳感器用于降低CRH380A型動車組衛(wèi)生系統(tǒng)故障率的有效性，以動車所配屬CRH380A型動車組為載體，采用現(xiàn)車方式進行試驗。

這里選用兩組CRH380A型動車組作為試驗車型，兩車組上線運行總時間、總走行里程接近，車組狀態(tài)相似，且為進一步提升試驗有效性，選用日均載客量、里程數(shù)接近的交路進行現(xiàn)車運行試驗。

在日均上線運行時間和里程相近前提下，匯總1～8月期間兩車衛(wèi)生系統(tǒng)故障分析可知，未加裝光纖液位傳感器的動車組在試驗周期內(nèi)發(fā)生故障總數(shù)為65件，其中污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)數(shù)為49件，占周期內(nèi)衛(wèi)生系統(tǒng)故障總數(shù)比例為75%；加裝了新型光纖液位傳感器的動車組在試驗周期內(nèi)發(fā)生故障總數(shù)為19件，如圖5其中污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)數(shù)為3件，占周期內(nèi)衛(wèi)生系統(tǒng)故障總數(shù)比例為15%。縱向?qū)Ρ瓤芍?，加裝了新型液位傳感器后的動車組周期內(nèi)衛(wèi)生系統(tǒng)故障總數(shù)(19件)較之未加裝的動車組周期內(nèi)衛(wèi)生系統(tǒng)故障總數(shù)(65)大幅下降；橫向?qū)Ρ瓤芍?，加裝新型液位傳感器的動車組發(fā)生的因液位傳感器故障而造成的污物箱誤報80%或者100%故障比未加裝的動車組相應(yīng)故障數(shù)減少了46件，故障發(fā)生數(shù)量下降明顯，滿足設(shè)計要求。

圖5 試驗車衛(wèi)生系統(tǒng)故障橫向?qū)Ρ确植冀Y(jié)構(gòu)圖

5 設(shè)計改進

對加裝新型光纖液位傳感器的試驗車故障發(fā)生原因進行進一步分析可知。通過對污物箱中新型液位傳感器檢查發(fā)現(xiàn)，傳感器光纖敏感探頭處均有片狀紙巾等難溶于水物體覆蓋，致使傳感器持續(xù)激活，導(dǎo)致污物箱誤報出80%或者100%故障，雖液位傳感器中采用的探頭尖端部倒圓設(shè)計可顯著避免難溶異物纏繞覆蓋問題，但仍不能徹底杜絕紙巾等難溶物覆蓋問題。

針對上述問題，首先是對光纖液位傳感器敏感探頭形狀進行設(shè)計，優(yōu)化端部探頭錐度，持續(xù)降低難溶異物掛覆風(fēng)險；其次進一步優(yōu)化污物箱濾網(wǎng)設(shè)計，縮小過濾網(wǎng)間隙，減少大塊難溶物誤入污物箱；最后規(guī)范動車組途中集便器使用加強宣傳，及時制止乘客亂投難溶物進入集便器的不當(dāng)行為，從源頭杜絕隱患產(chǎn)生。

6 結(jié)束語

以光學(xué)全反射和折射原理為依據(jù)，結(jié)合對CRH- 380A型動車組檢修運用過程中出現(xiàn)的污物箱誤報故障進行分析，試驗了采用一種探頭倒圓設(shè)計的光纖液位傳感器應(yīng)用于動車組集便裝置污物箱中進行液位檢測的可行性，光纖液位傳感器可設(shè)置在污物箱中進行實時檢測，測量精度不受溫度、箱內(nèi)壓力等影響，較之傳統(tǒng)的浮球式傳感器具有外形適應(yīng)性強、測量精度高，抗電磁干擾性好，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便等優(yōu)點，為動車組集便裝置污物箱設(shè)備的檢測和維護提供了可靠手段，可有效降低集便裝置故障發(fā)生率，具有一定的現(xiàn)實意義。