HXN5机车空压机故障的分析

2016-03-28王毛晴上海铁路局合肥机务段

上海铁道增刊 2016年4期

王毛晴上海铁路局合肥机务段

HXN5机车空压机故障的分析

王毛晴上海铁路局合肥机务段

自HXN5型机车投入我段运用以来，出现了各类控制方面的问题，尤以空压机故障出现的最频繁。对近几年我段HXN5机车出现的空压机故障的分析，并结合自动控制理论进行研究，重点剖析故障原因及提出解决措施。通过对控制系统中容错控制技术运用的调查，得出容错控制技术可以有效避免闭环系统的上述弊端，降低空压机故障率。

HXN5机车；空压机；闭环控制系统；容错控制技术

1 概述

空气制动系统出现故障，将导致机车运行途中无制动力而无法停下来，极大危害行车安全，因此空气制动系统是保障机车运行安全的重要组成部分。而空气制动系统的风源来自于空压机，若要保障制动风源充足，首先要确保空压机正常运作。自HXN5机车投入我段运用以来，共出现数65次空压机不打风或打风慢等故障，严重影响列车运行安全和运输生产任务。

结合我段发生的HXN5型机车空压机的典型故障案例，总结其原因主要集中在空压机控制系统中的接触器、旁通阀、断油阀、排气温度传感器、出口压力传感器以及CIO控制板出现了故障。对于自动化程度极高的先进内燃机车，从自动控制理论的角度分析上述这些部件，它们可构成一组闭环控制系统，如图1所示。在闭环控制系统中，传感器为排气温度、出口压力，控制器为智能显示器DS，执行机构为接触器、旁通阀/断油阀，被控对象为空压机。由于受到各种因素的影响，空压机控制系统中各部件并不是一直保持良好的工作状态，其中任何一个环节出现故障均会导致空压机不工作，这也是我段出现空压机故障率居高的最主要的原因。

图1 闭环控制系统

控制系统的可靠性是保证系统正常运行的关键，在实际生产活动中由于环境、工作负荷、产品质量等因素，导致系统内部的元件发生故障，影响整个控制体系的控制效果甚至控制失效，给生产任务带来严重影响。当控制系统发生某些故障时，系统还能保证原有的功能，这就需要容错控制技术。容错控制是指控制系统在传感器，执行器或元部件发生故障时，闭环系统仍然能够保持稳定，使控制系统能保持规定的性能或不丧失最基本的性能。容错控制是提高系统可靠性和安全性的一条有效途径。

容错控制的思想最早出现于1971年，Niederlinski首先提出完整性控制概念。1986年9月，美国国家科学基金会和美国电气和电子工程师学会控制系统学会正式提出了容错控制概念。“容错”原是计算机系统设计技术中的一个概念，容错是容忍错误的简称。容错的基本思想是一个控制系统迟早会发生故障，所以在设计的时候应该考虑一旦控制系统发生故障，这种故障可能影响到系统的稳定性和安全性。我国在容错控制上的理论研究基本上与国外同步。1986年，张翰英提出在我国“必须加速发展实用性容错控制系统”的研究。1987年，郑应平教授也发表了有关这方面的第一篇综述性文章。随后，葛建华、胡寿松、程一、倪茂林等将容错控制思想应用到动态系统在传感器失效时的研究。目前，一些容错控制策略已经成功应用于航天航空、核电站、水下机器人等领域的控制系统设计中。

2 控制器

智能显示器DS是HXN5型内燃机车上的控制微机单元，他们既是控制系统终端显示接口，又是整个控制系统的处理核心。他们接收机车操作者的指令，并读取机车运行状态。在协调这些信息后，智能显示器产生一组指令并将之传送到HXN5型内燃机车控制系统其他模块单元上，以实现操作人员的指令，达到对机车智能控制和保护。由于智能显示器本身的输入/输出能力是有限的，其接口扩展亦受到一定的限制，所以他们经由CIO控制板收集来自操作人员的指令信息，也可以通过CIO收集一些有关机车工作状态的重要信息，以便整个系统的自动控制。

CIO作为遍布整个机车的各种电子--机械装置之间的一个主要接口，输入数据给智能显示器或接受来自控制器的控制信号。它也输入来自几个传感器的数据，这些数据报告由CIO的输出控制的系统的状况，CIO输入/输出信息（部分）如图2所示。CIO在空压机控制系统中扮演着重要角色，通过总风缸压力传感器、空压机出口压力传感器、空压机排气温度传感器的输入信号，进行模数转换后输送给DS，DS根据传感器输入信号的状态控制空压机接触器的闭合方式以及旁通阀的运作。CIO还能读取HXN5机车上若干故障检测电路的状态（如旁通阀保持旁通、接触器CDC11保持打开等），并将其报告给智能显示器显示和诊断，以辅助机车操作人员和铁路维修人员的工作。但由于CIO每一控制单元的控制板只有一块，如果该板块故障，便使对应控制系统瘫痪，近年我段在空压机系统中共出现CIO模块故障3例。

图2 CIO输入/输出信息

案例：2016年10月1日，HXN5-0273回段报空压机A不工作，分析文件除报CDC11保持打开外。外观检查接触器良好无卡滞现象，更换CIO控制板后启机试验，空压机A泵风正常。

3 传感器

3.1 总风缸压力传感器

总风缸压力传感器（MR1）是空压机控制回路中的直接输入环节，当总风缸压力低于下限设定值时，CIO接收MR1输入信号经过处理后传递给DS，控制空压机运转；当总风缸压力达到上限设定值时，MR1的输入信号再次通过CIO的处理，传递给DS控制空压机停转。如果总风缸压力传感器故障或感应错误压力，会导致空压机不工作。由于HXN5机车总风缸压力传感器采用冗余配置（MR1和MRR两个压力传感器），能够有效保障总风缸有正确的压力指示，近年来我段没有因总风缸压力传感器故障导致空压机不工作的案例。

3.2 空压机排气温度传感器

空压机排气温度高会导致空压机不工作，引起排气温度高的原因有：空压机油位低、旁通阀或断油阀故障、油气分离器堵塞、空气滤清器脏、油过滤器脏、传感器故障等。空压机排气温度传感器是空压机控制系统中的保护元件，保障空压机在特定温度范围内工作。温度超出设定值便通过CIO处理后给DS发送指令，控制空压机停止工作。

案例：2016年7月15日，HXN5-0292机车回段报空压机B不可用，分析文件空压机B排气温度超过240°F。上车检查空压机油位低，排查漏油处所发现空压机加油口盖漏油，处理加油口盖并补油，多次排风再打风试验空压机B泵风正常。

2016年7月29日，HXN5-0274机车回段报空压机B不可用，分析文件空压机B排气温度超过240°F。上车检查发现传感器接头脱落，恢复后泵风正常。

3.3 空压机出口压力传感器

空压机出口压力低会导致空压机不工作，引起出口压力低的原因有：空滤芯堵塞、油气分离器堵塞、最小压力阀故障、传感器故障等。同空压机排气温度传感器一样，空压机出口压力传感器也是空压机控制系统中的保护元件，保障空压机出口压力充足。如果空压机出口压力底，便通过CIO处理后给DS发送指令，控制空压机停止工作。

案例：2016年7月5日，HXN5-0634回段报空压机A不工作，分析文件空压机A出口压力传感器超出最低范围。上车检查发现传感器航插接头处固定不紧导致接触不良，更换传感器后空压机A泵风正常。

4 执行机构

4.1 接触器

空压机接触器受智能显示器DS指令驱动，当DS发出指令时相应接触器得电动作，接通辅助发电机与空压机的三相电源，空压机工作打风。每个空压机对应三个接触器，机车控制系统通过选择功率接触器确定特殊操作。以一空压机为例，当CDC11闭合，CDC12、CDC13断开时4极三角形联接，空压机转速等于3倍柴油机转速；当CDC11断开，CDC12、CDC13闭合为2极星型联接，空压机转速等于6倍柴油机转速。如果接触器本身故障，就会使空压机接受不了电源而不工作，近年来我段HXN5空压机系统中共出现接触器故障5例。

案例：2016年9月29日，HXN5-0282回段报空压机B不工作，分析文件CDC21保持打开，空压机B出现4级堵转。车上检查发现CDC21接触器触指烧灼导致接触器动作时触指虚接，更换接触器CDC21启机试验空压机B工作正常。

4.2 旁通阀和断油阀

旁通阀是由电源控制，外部先导型，四位五通电磁阀，当它得电时，允许压缩机的排气口和进气口相贯通的同时切断断油阀的气源使断油阀不动作。每一组压缩机启动时，旁通阀立即得电极大地降低了启动扭矩；在压缩机停机时，旁通阀立即得电用来关闭断油阀，从而限制进入压缩机缸体的润滑油。旁通阀的驱动电源由机车控制系统控制，控制气源由机车辅助空气系统提供。

断油阀是气动式两位两通阀，用来打开和关闭到每台压缩机的喷油通道，通过机体排气管上的压力气源控制断油阀的打开和关闭。

如若旁通阀故障（保持打开），在空压机运行过程中，会阻止断油阀动作，限制了空压机缸体内润滑油的热量交换，进而导致空压机报高温故障。另一方面若空压机停机时，旁通阀故障（保持关闭），会使断油阀保持与机体贯通致使断油阀向机体喷油，导致空压机油泄露油量减少。如果在空压机运行过程中断油阀故障（保持关闭）及空压机停机时断油阀故障（保持打开）也会出现上述现象。

案例：2016年8月12日，HXN5-0271回段报空压机A不工作，分析文件压缩机A旁通阀保持旁通，空压机A排气温度超过240°F，空压机A不可用。更换A机旁通阀试验良好。

2015年12月18日，XHN5-0274机车回段报空压机A故障，分析文件空压机A排气温度超过240°F。上车检查发现空压机油位底，断油阀接头处漏油，更换断油阀并补油后启机试验空压机A泵风正常。

5 结束语

HXN5型内燃机车自身具有先进的智能控制网络，而其在空压机控制系统中，会受到各元部件故障的影响，使控制系统工作性能大打折扣。为降低控制系统本身元部件故障对空压机工作带来的影响，迫切需要一个有效的解决措施。

结合容错控制技术在各控制领域成功运用的实例，对HXN5空压机故障案例的分析，采用容错控制技术可以有效降低空压机故障率。容错控制技术的设计主要有硬件冗余和软件解析冗余两大类。硬件冗余的方法是，通过对重要原件及其较易发生故障的元件进行备份，以提高系统的容错性能。软件解析冗余方法主要是通过设计容错控制器来提高整个控制系统的冗余度，从而加强控制系统的容错能力。两种方法中硬件冗余方法较为简单，更容易实施，比较适合运用在HXN5机车空压机控制系统中；软件解析冗余需要复杂的控制算法，在一些高科技领域中应用广泛。

容错控制典型应用实例如表1所示。

HXN5机车上加入冗余CIO控制模块、执行机构（即接触器、旁通阀、断油阀等）和传感器。由于HXN5机车本身自带故障检测能力，采用硬件冗余方法进行改善之后，在控制系统中某一系统元件发生故障被控制系统检测到，下一步就采用备用元件重新执行此次控制，保障空压机正常运行，从而实现空压机故障率的降低，容错控制的概念图如图3所示。