基于动车组的烟雾发生器设计

包效龙

（中国铁路兰州局集团有限公司兰州车辆段 兰州西动车所，甘肃 兰州 730050）

1 设计背景

铁路把安全作为生命线，而客车防火又是预防事故发生的重中之重，是最重要的安全风险源之一。动车组上安装有烟雾探测传感器，作用是探测动车组司机室、卫生间、配电柜及客室内空气中的烟雾浓度，预防由于旅客吸烟或者电气装置打火冒烟带来的火灾隐患。因此烟雾探测传感器的良好状态就显得尤为重要，作用不良或者损坏，将造成不可想象的后果。动车组在进行二级修检修时需要对烟雾探测传感器进行功能测试，而目前该项试验是用烟报主机上的自测键进行电路测试或采用电脑软件强迫启动烟雾探测传感器使其报警，虽能验证烟雾探测传感器的电气状态，但是无法模仿实际报警情形。

在此背景下，设计和制作便携式的烟雾发生器具有重要意义，它可以产生烟雾来模拟烟雾探测传感器的报警情形，实现对烟雾探测传感器的功能测试，确保在有烟雾时及时探测到并将报警信息传递至司乘人员，提早进行查看处置。

2 系统原理设计

2.1 烟雾产生原理

本系统中的烟雾由雾化器雾化烟油产生。烟油的主要成分是甘油、乙二醇、丙二醇、水、稳定剂等。本系统中的雾化器是利用烟油在空气里面遇热雾化而产生烟雾的原理制成的。其示意图如图1 所示。

图1 系统烟雾产生示意图

2.2 控制电路设计

系统中电路部分主要由三档船型开关、蓄电池及充电部分、雾化器发热丝、红色发光二极管、蓝色发光二极管及电阻等组成。

三档船型开关是本控制电路的核心组成部分，对整个系统起模式选择和互异保护作用。开关处于三个档位时系统分别处于工作、充电、关闭三种模式，并且充电模式和工作模式为互异关系，即系统处于工作模式下在闭合工作电路的同时断开充电电路，在充电模式下闭合充电电路的同时断开工作电路，这样就有有效避免了系统在充电模式下长时间连续工作可能造成的危险。在充电电路和工作电路里面各设计了两路发光二极管电路用于提示使用者系统当前工作状态，当系统处于工作模式时蓝色发光二极管点亮，处于充电模式时红色发光二极管点亮。

系统控制电路示意图如图2 所示。

图2 系统控制电路示意图

2.3 电源模块设计

蓄电池作为本系统的能源单元，为系统的正常持续稳定工作提供充足的电力。系统处于关闭模式时蓄电池电路位于三档船型开关的中间OFF 位。蓄电池的充电和放电两种工况通过三档船型开关的两端ON 位与相应的电路导通，使其在充电模式下禁止放电，放电模式下禁止充电。

本系统中电源是由8 节18650 型可充电锂电池拼接而成，其容量为18000mAh，输出电压为8.4V。该配置的电池可以完全满足本系统的需要。

3 系统结构设计

烟雾发生器主要由储油瓶、节流阀、雾化器、烟道、风扇、开关及电源等组成。

产生烟雾的烟油储存在储油瓶中，利用棉绳良好的毛细作用，将烟油引流至雾化器。雾化器主要由安装在瓷质接油盘上的电阻螺旋管构成，并以石棉填充电阻螺旋管，在保证阻燃性的同时又实现了缓存烟油的效果。最终利用电热丝通电后发热使烟油雾化产生烟雾。储油瓶采用倒立引流的方式，以解决发烟过程烟油供给不足导致的电热丝过热问题，并设置节流阀起到调节烟油供应速度和截断油流的作用。由管路和风扇组成的烟道可实现对烟雾流向的引导，提高烟雾流速，增加烟雾流向的可控性。

3.1 雾化器结构设计

雾化器是本系统的烟雾产生源，是本系统结构设计的重点。

储油瓶通过孔径固定在三通支架上面，采用倒立引流的方式，贯穿通过节流阀的棉绳将储油瓶里的烟油引流至雾化器，而旋转节流阀旋钮就可调节烟油供应速度和截断油流。

雾化器主要由安装在瓷质接油盘上的电阻螺旋管构成，并以石棉布卷筒填充电阻螺旋管，在保证阻燃性的同时又实现了缓存烟油的效果。雾化器上的电热丝在通电以后产生热量，使雾化器上的烟油雾化产生烟雾。

雾化器下方设置盛油瓶，用于缓存雾化器雾化过剩的烟油，避免洒落烟油。

本系统中使用的烟雾油是舞台制造烟雾效果时用的，主要成分是甘油、乙二醇、丙二醇、水、稳定剂等，具有无味无毒等优点，确保产生的烟雾对车内设备无破坏、车内环境无污染。

雾化器结构图如图3 所示。

图3 雾化器结构图

3.2 烟道结构设计

本系统中烟道的结构主要由管道和风扇组成，有两个作用，一是对储油瓶和雾化器起支撑作用，二是控制烟雾方向和提高烟雾流速。

管道的材料为聚氯乙烯（PVC），烟道由DN40×10 的直管、DN40×40×40 的三通接头、DN40 的45°弯头、DN40×25 的异径直通接头，DN25×20 的直管组成。

风扇采用5×5mm 的静音风扇，DC12V 供电。

烟道结构图如图4 所示。

图4 烟道结构图

3.3 底座结构设计

本系统中底座有两个作用，一是起烟雾发生器正常放置而不倒立的支撑作用，二是起放置充电锂电池的外壳保护作用。

基于以上需求，设计出了中空圆柱形支撑底座。底座上面安装了充电口和三挡船型开关，下盖与底座之间用螺纹方式固定。在底座上面安装两根金属导杆用于安装发烟装置及给发烟装置导电。其结构如图5 所示。

图5 底座结构图

3.4 整体结构模型（如图6 所示）

图6 系统整体结构设计示意图

3.5 系统实物图（如图7 所示）

图7 系统实物图

4 试验效果测试

4.1 实验方法

基于上述设计方案制作出了烟雾发生器（V1.0）。

2018 年4 月23 日 在CRH5G-5191 动车组和CRH380B-5732 动车组上的司机室、配电柜、客室、卫生间等处的烟雾探测传感器进行现场试验，试验结果统计如下。

方法：用烟雾发生器在与烟雾探测传感器正下方成45 度角的方向对探头释放烟雾（TPB 车酒吧区感温探测器除外），将处于工作状态的烟雾发生器靠近烟雾探测传感器开始计时，统计烟雾探测传感器报警情况。

4.2 实验结果

在对CRH5G-5191 进行试验时,所有的烟雾探测传感器作用良好，都能够在10s 内准确及时的触发报警。如图8 所示。

图8 CRH5G-5191 现场试验效果图

在对CRH380B-5732 动车组试验时，所有的烟雾探测传感器作用良好，都能够4s 内触发报警，灵敏度较CRH5G 动车组高。

图9 CRH380B-5732 现场试验效果图

基于以上试验过程，可以看出基于动车组的烟雾发生器所产生的烟雾能够正常触发动车组上的烟雾探测传感器，表明此烟雾发生器可以作为验证动车组烟雾探测传感器功能的试验工具。

5 结论

在系统设计初期按照要求，查找相关资料，确定设计方案，根据发烟原理制作了简易的烟雾发生器，先在动车组上进行了尝试性试验，验证了设计方案的可行性。然后再根据设计要求不断改进控制电路、电源、雾化器结构和烟道结构，通过多次反复尝试制作出符合设计要求的烟雾发生器。

在功能性方面，本系统各部分能够达到设计要求，可充电锂电池能够提供充足稳定的电力，三档船型开关能够满足三种模式的控制，雾化器能够在短时间内产生烟雾，节流阀能够实现控制储油瓶里烟油流速和截流的功能，盛油瓶能够回收雾化剩余的烟油，烟道能够顺利的将烟雾输送至出烟口，烟雾发生器产生的烟雾能够快速触发烟雾探测传感器使其报警。

在安全性方面，电路控制中巧妙的利用三档船型开关使充电模式和工作模式为互异关系，避免了在充电模式下长时间工作可能带来的危险。电阻发热丝的阻值通过不断反复试验，确保在现有蓄电池的供电条件下系统能够正常稳定的工作，同时电阻发热丝产生的温度远低于烟油着火温度，避免火灾隐患。同时发出的烟雾无毒无味，对人体健康不造成任何伤害，不损害动车组车内设施，不污染车内环境。

在实用性方面，本系统具有安全可靠、结构简单、操作方便、实用性强、成本低廉、携带方便等优点。

基于以上各方面，本设计完成了各项功能要求，成功开发出了基于动车组的烟雾发生器系统，满足了现场的实际工作需要。