气动先导电磁阀在集便系统中应用与故障研究

2024-03-10崔婧美何光明赵翀姚金钰

中国设备工程 2024年4期

崔婧美，何光明，赵翀，姚金钰

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）

电磁阀是气压控制中最主要的元件，先导式是指电磁阀的主阀由气压力进行切换的一种动作方式。气动先导式电磁阀结构简单、外形尺寸小，由于其具有功耗小发热少、线圈不易烧毁、响应时间短、可以长时间通电及气动元件可靠性高等特点（表1），在动车组集便系统的罐式水增压装置中被大量使用。

表1 电磁阀特点

电磁阀在动车组集便系统中是一种应用十分普遍的执行元件，集便系统水增压供水装置中应用在进水处的气动先导电磁阀作为便器冲洗程序的执行者，是便器冲洗回路中至关重要部件，进水电磁阀故障后将导致净水箱内的水通过水增压器源源不断地输入车内，造车淹车故障，因此选择可靠性高、安全性好的气动先导电磁阀至关重要。

1 结构和工作原理

集便系统水增压装置的进水处的气动先导电磁阀主要由阀体、阀盖、阀芯、活塞、弹簧、线圈、插头等组成，结构见图1，其原理是通过电气控制方式实现阀的自动开启和关闭，常态时弹簧压缩阀芯，使阀芯膜片与阀体贴合，阻断水流；当需要开启时，为线圈提供电源，线圈产生磁力打开气孔，压缩气体通过线圈底座进入阀盖，推动活塞，活塞压缩弹簧，将阀芯提升从而可以通过水流。

图1 气动先导电磁阀结构图

电磁阀内部的密封结构可有效实现气体和通过介质的隔离，介质不会进入阀盖内，工作时通过密封件也不会对通过介质造成影响。影响电磁阀开启和关闭密封的主要因素是进入阀盖的气体压力和弹簧力，气体压力和弹簧力大小相等方向相反，消除了工作介质对电磁阀开、关的影响，只要复位弹簧能给阀芯膜片提供必须的密封压力，同时气体压力保证能克服弹簧力，电磁阀即能实现可靠的启闭功能（图2）。

图2 气动先导电磁阀原理图

2 选型

集便系统水增压装置进水口和出水口处分别安装进、出水电磁阀，两处阀体与活塞部分结构一致，都是由压缩气体驱动活塞进行开关的阀门，进水电磁阀是在阀体上集成了先导电磁阀块，通过先导电磁阀块的通断电来控制阀门的开关，出水口处阀则是由集成在水增压装置板上的电磁阀块控制阀门的开关。

选用电磁阀时，遵循安全、可靠、适用、经济的原则。集便系统冲洗使用的介质为水，宜选用铜合金为阀体材料的电磁阀，电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力；对于电磁阀需长时间关闭且持续时间多于开启时间，宜选用常闭电磁阀；根据管道参数选择电磁阀的通径规格(即DN)和接口方式，电压规格应尽量优先选用DC24V 较为方便。

电磁阀选择后，根据通过电磁阀的流体性质选用适宜的流量特性曲线可计算流量或压差，进水电磁阀处的先导压力值则通常根据使用压力进行设置。

3 应用

集便系统引入计算机并充分发挥了计算机的智能作用，系统通过严谨的软件逻辑程序进行控制确保其各项功能正常执行，当某个部件出现问题时，如果在程序中未能识别其破坏性，各程序段没有自锁和互锁功能，系统动作容易出现强制执行的情况，以保持式集便系统为例，按压便器冲洗按钮，便器先进行一次冲水，当系统真空在设定范围内时，便器滑阀打开进行排污，便器进行二次冲水，之后气动先导电磁阀开启对水增压罐进行补水等待便器下一次使用，动作原理如图3 所示。

图3 动作原理图

工况一：当便器水增压罐内液位传感器检测到水增压罐内水不满时，气动先导电磁阀打开，清水通过气动先导电磁阀通口进入便器水增压罐内，此时，水增压罐内原有的气体通过快速排气阀排出。当水增压罐内的液位传感器检测到水增压罐满后，气动先导电磁阀关闭，便器停止进水。

工况二：当便器进行冲洗时，电磁阀组打开，风压通过电磁阀组及快速排气阀进入水增压罐内，将水增压罐内的水通过喷嘴压送到便盆内，然后电磁阀组关闭，快速排气阀内的膜片返回到原位，水增压罐内的残余压缩空气通过快速排气阀排出。

工况三：当气动先导电磁阀被杂质卡住不能完全关闭时，即使气动先导电磁阀处于关闭状态，清水仍可以通过卡住的电磁阀进入水增压罐内，然后通过便盆喷嘴或者快速排气阀排出，导致漏水。

4 故障研究分析

电磁阀最常见的故障为：接线头松动导致电磁阀不得电、电磁阀线圈烧毁、密封件有杂质带入或润滑油太少卡住导致电磁阀泄漏或动作不良。

集便系统在应用气动先导电磁阀的过程中，正常情况下，电磁阀得电打开向水增压罐供水，当水罐注满水后，电磁阀断电，关闭进水口；当进水电磁阀故障无法关闭时，水箱持续向水增压罐供水，溢出的水通过溢流管流出。电磁阀泄漏引起的长流水故障为气动先导电磁阀在集便系统使用过程中出现比例最高的故障，若发现处置不及时，则会引发影响行车的严重故障。

对故障进水电磁阀拆解后发现，造成该部件故障的原因是受地域水质影响，在长期使用过程中，隔板组件过水侧水垢严重，由于异物附着，阀芯往复运动时流体慢慢进入阀盖一侧，活塞运动润滑油脂被冲洗，加速了轴密封O 型圈磨耗，导致阀盖气腔内部、活塞组件整体水垢、锈蚀，最终导致电磁阀阀芯卡滞，无法正常关闭，致使系统水管路无法正常切断，出现滴水、漏水等情况。

5 故障应对措施

针对进水电磁阀卡滞导致的长流水故障，可通过水增压器的快速排气阀进行引流，将进水电磁阀的水导到至车外，也可通过集便系统软件优化，在冲洗循环中的二次冲洗后进水电磁阀再进行补水，有效提升进水电磁阀的使用寿命；未进行冲洗动作时，水增压罐液位不激活信号触发，进水电磁阀不打开补水，水避免长流水导致淹车问题，优化后水增压器控制逻辑如图4 所示。

图4 控制流程图

结合集便系统的实际使用情况，气动先导电磁阀在使用过程中出现故障的主要原因为水中含有杂质引起，因此通过采取在电磁阀安装前保持管道清洁干净、定期清洗或更换管道过滤网等措施，能有效降低电磁阀的使用故障发生率。

优化阀芯膜片以及O 型密封圈材质，选用耐腐蚀性更好的聚四氟乙烯（PTFE）或合成橡胶中性能更优的氟橡胶（FPM），也能有效提高电磁阀的密封性能。

高级修时，对进水电磁阀和气控阀可进行气密性检验测试，当气源供应后，在电磁阀密闭空间和压力检测设备内形成一个稳定气压空间，然后根据压力检测设备中流量计和压力表的数值显示，可以确定气动先导电磁阀是否出现故障，气体检测回路如图5 所示。对故障电磁阀，根本的解决方法是将电磁阀拆下，取出活塞及膜片进行清洗，使得活塞在壳体内动作灵活。