基于FTA模型蓄能器失效风险分析与对策研究.pdf

第2期2 0 2 4年3月N o.2M a r.2 0 2 4运用检修文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 4)0 2-0 0 8 7-0 5 基于F T A模型蓄能器失效风险分析与对策研究裴玉春(华伍轨道交通装备(上海)有限责任公司 研发中心,上海 2 0 1 8 0 2)摘 要:蓄能器作为轨道交通车辆制动系统中的重要组成部分,直接影响到制动压力稳定性的控制及电机、电磁阀等液压系统内其他关键部件的使用寿命,有必要对蓄能器的设计选型、使用、失效风险等方面进行分析。从蓄能器的结构组成及工作原理出发,针对蓄能器在轨道交通车辆制动系统中的特殊应用场景,收集并整理蓄能器失效模式,采用自上而下的失效演绎方法,建立故障树模型,归纳并总结出蓄能器的主要失效方式,作为研发设计、使用维护的来源及依据。结合轨道交通车辆制动系统中蓄能器的应用特点,从容量选型、预充气压力选定、安装及使用注意事项及售后运营维护等方面,阐述蓄能器的设计、使用、维护要点。结合蓄能器产品故障案例,提炼选型、设定、应用、维护建议,对制动系统集成商、车辆运营使用业主起到借鉴性的帮助。关键词:蓄能器;失效模式;故障树;电液制动系统;轨道交通车辆中图分类号:TH 1 3 7.8+1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 4.0 2.0 1 6F T A-B a s e d M o d e l A c c u m u l a t o r F a i l u r e R i s k A n a l y s i s a n d C o u n t e r m e a s u r e R e s e a r c hP E I Y u c h u n(R&D C e n t e r o f H u a w u R a i l w a y T r a n s i t E q u i p m e n t(S h a n g h a i)C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:A s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e b r a k i n g s y s t e m o f r a i l t r a n s i t v e h i c l e s,a c c u m u l a t o r d i r e c t l y a f f e c t s t h e s t a b i l i t y c o n t r o l o f b r a k i n g p r e s s u r e a n d t h e s e r v i c e l i f e o f o t h e r k e y c o m p o n e n t s i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m s u c h a s m o t o r a n d s o l e n o i d v a l v e.I t i s n e c e s s a r y t o a n a l y z e t h e d e s i g n,s e l e c t i o n,u s e a n d f a i l u r e r i s k o f a c c u m u l a t o r.S t a r t i n g f r o m t h e s t r u c t u r a l c o m p o s i t i o n a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e a c c u m u l a t o r,t h e f a i l u r e m o d e s o f t h e a c c u m u l a t o r a r e c o l l e c t e d a n d s o r t e d o u t f o r t h e s p e c i a l a p p l i c a t i o n s c e n a r i o s o f t h e a c c u m u l a t o r i n t h e b r a k i n g s y s t e m o f r a i l t r a n s i t v e h i c l e s.T h e f a u l t t r e e m o d e l i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e t o p-d o w n f a i l u r e d e d u c t i o n m e t h o d,a n d t h e m a i n f a i l u r e m o d e s o f t h e a c c u m u l a t o r a r e s u mm a r i z e d a s t h e s o u r c e a n d b a s i s f o r R&D d e s i g n,u s e a n d m a i n t e n a n c e.C o m b i n e d w i t h t h e a p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f a c c u m u l a t o r i n t h e b r a k i n g s y s t e m o f r a i l t r a n s i t v e h i c l e s,t h e k e y p o i n t s o f d e s i g n,u s e a n d m a i n t e n a n c e o f a c c u m u l a t o r a r e e x p o u n d e d f r o m t h e a s p e c t s o f c a p a c i t y s e l e c t i o n,p r e-i n f l a t i o n p r e s s u r e s e l e c t i o n,i n s t a l l a t i o n a n d u s e p r e c a u t i o n s,a n d a f t e r-s a l e s o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e.C o m b i n e d w i t h t h e f a i l u r e c a s e s o f a c c u m u l a t o r p r o d u c t s,t h e r e f i n e d s e l e c t i o n,s e t t i n g,a p p l i c a t i o n a n d m a i n t e n a n c e s u g g e s t i o n s a r e h e l p f u l f o r b r a k e s y s t e m i n t e g r a t o r s a n d v e h i c l e o p e r a t o r s.K e y w o r d s:a c c u m u l a t o r;f a i l u r e m o d e;f a u l t t r e e;e l e c t r o h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m;r a i l v e h i c l e收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 6第一作者:裴玉春(1 9 8 1),男,高级工程师。1 蓄能器在轨道交通车辆的应用现状蓄能压力容器就是利用气体的可压缩性,通过气腔内压缩空气产生的压力向其中储存的液体施压的容器,通常简称为蓄能器。城市轨道交通车辆制式中有轨电车、中低速磁浮交通、跨座式单轨、悬挂式单轨、导轨式胶轮车辆等中小运量车型1,除部分项目采用电空-液压转换系统外,大多采用的是通过微机运算后控制的液压制动系统,行业内也称为电液制动系统。蓄能器是电液制动系统中的重要组成部件,其主第6 1卷第2期2 0 2 4年3月要功能是存储油液实现流量补偿功能及存储能量保证紧急工况下产生制动能量。电液制动系统中配置蓄能器,可以在轨道交通车辆每天长时间投入运营、多站点频繁进行制动或缓解等间歇性工作的工况下,维持液压制动系统蓄能压力恒定,确保制动工作压力稳定,保持制动力的平衡,吸收液压压力冲击,延长电机、齿轮泵及电磁阀工作寿命,降低管路及液压单元集成块中油路脉动的减振引起的噪声等。根据电液制动系统原理设计,蓄能器主要有2种应用,其功能随安放位置而不同:一种是安装在液压系统主回路中液压泵近旁,吸收液压冲击或压力脉动,同时可在紧急情况下提供保证数次制动/缓解的蓄能压力2;另一种是安装在弹簧储能式液压制动夹钳单元附近,在车辆救援或降级应用时为缓解制动补油保压3。2 蓄能器的工作原理蓄能器根据其产品结构组成不同,可分为囊式蓄能器、隔膜式蓄能器和活塞式蓄能器4。城市轨道交通车辆电液制动系统工作是间歇性工况,膜式蓄能器相较活塞式蓄能器动作灵敏性要好,可以有效吸收液压泵工作带来的压力冲击和消除电磁阀通断带来的脉动影响;同时,其容积比在三者之中最小,重量相较囊式蓄能器及活塞式蓄能器也要轻很多,符合小型化、轻量化要求,因此城市轨道交通车辆制动系统一般采用的都是膜式蓄能器,其结构组成如图1所示。图1 蓄能器组成 膜式蓄能器的主要原理就是波义尔定律,即利用惰性气体的可压缩特性,通过其压力随着体积的变化控制蓄能器中储存/释放液体从而进行势能储能工作,其主体结构(压力容器)是将2个耐压钢制容器半球紧扣,并且用中间的一张可变形柔性材料制成的橡胶隔膜将半球内的氮气和油液分开。事先将电液制动系统设计目标的压力空气预先充到蓄能器中气密隔离的气腔内,而隔膜的另一侧则是和工作液压回路相通。通过压缩气体完成能量转化,当电液制动系统液压回路中液压压力超过蓄能器内部压缩空气压力时,油液会通过蓄能器中隔膜压缩气腔,将油液中的压力转化为压缩空气内能;当电液制动系统液压回路压力低于蓄能器的内部压力时,蓄能器中的液体会在高压气体的作用下流向电液制动系统液压回路,完成能量释放5。以安装在液压制动控制单元附近的蓄能器为例,其工作状态主要分为几个阶段:安装阶段,蓄能器是空的,充气腔和充油腔都没有压力。充氮阶段,蓄能器充气腔预充氮气等惰性气体,此时气囊膨胀到最大体积V1,气囊内压力P1最小,蓄能器内油液全部排尽。蓄能阶段,液压泵工作,液压回路压力升高,当系统压力大于蓄能器充气腔的预充压力时,液压油从充液口进入蓄能器的充液腔。保持阶段,液压回路压力达到目标峰值,蓄能器充液腔内的蓄液量满足设计值,控制液压泵停止工作,系统压力保持不变,此时充气腔压缩到最小体积V3,隔膜内压力P3最大,蓄能器内油液体积最大。工作阶段,制动时,蓄能器中的高压液压油会流向制动夹钳单元等执行装置,液压系统的压力降低,此时气囊扩张到中间体积V2,气囊内压力P1P2P00.2 5P2充气;Vx为蓄能器的工作容积,单位m3;P1为系统最小工作压力,单位P a;P2为系统最大工作压力,单位P a;n为温度指数;蓄能器工作循环在3 m i n以上时,按等温条件计算取n=1,其余按绝热时取n=1.4;m为管路中液体的总98第6 1卷第2期2 0 2 4年3月质量,单位k g;v为管中流速,单位m/s。3.2 预充气压力设定预充压力的设定是根据电液制动系统工作压力特性、夹钳等执行装置的行程等。如果充气压力太低,当液压系统中液压泵开始工作后,会将隔膜气囊挤压在一起,起不到液压蓄能的作用。如果充气压力过高,隔膜气囊将会占据整个蓄能器内部空间甚至 挤压阀座,造成 气 囊 割 伤;另 外 当P0P2,即预充压力大于最大工作压力时,蓄能器会因缺少蓄能液体而完全丧失蓄能功能。理论上,预充气压力P0值可以选取最小工作压力P1,此时蓄能器中液体可获得最大储量(或释放量)。在实际工程应用中,一般会保留一定的安全系数,一般为:P0=0.9P1。特殊情况下的P0极限值也会作出约束:P0 m i n 0.2 5P2;P0 m a x 0.9P1。轨道交通车辆电液制动系统中蓄能器一般每年会进行一次检查,而往往预充气(首次基本在制造商所在地)时的温度Tc与蓄能器工作温度T2会有较大差异,这时需要对预充气压力进行温度修正,即:P0 c=P0(Tc+2 7 3)/(T2+2 7 3)。3.3 安装与使用蓄能器与电液制动系统中液压控制单元的连接管路要尽可能短,连接管路的通径要适当大些,并要安装在靠近液压泵等脉动源的附近位置,才能更好地发挥蓄能器对脉动压力的吸收作用9,一般布置在液压泵与压力控制阀之间。为保证蓄能器充放液压油的瞬时流量稳定,一般在蓄能器与液压制动夹钳单元等执行元件之间加入电磁阀等流量控制元件。蓄能器的工作容积也与液压泵的排量紧密相关,恰当的匹配关系才能确保在一个工作循环中蓄能器不仅可以补充电液制动系统其他部位的内泄漏外,还可以保证有足够的蓄能充压时间,压力能确保从最小工作压力P1升到最大工作压力P2,再释放能量,同时不影响制动施加、缓解响应速度。蓄能器应立式安装,充气口向上,如果遇到设计中无法避免只能水平安装,就需要保证液压油的清洁度,避免内部零件磨损不均匀,导致蓄能器比设计寿命短。蓄能器安装位置应远离制动电阻等热源,固定要牢固。一般液压泵和蓄能器之间会安装单向阀,在液压泵停止工作时,可以防止蓄能器中的高压油液逆向通过液压泵回流到油箱中,造成设备损坏或发生事故。当例行巡检时发现蓄能器中氮气压力低于预充压力P0时,经过安全培训合格上岗的维护人员可通过氮气瓶和充氮工具来对车上安装蓄能器补足压力,按照操作规范将充氮工具一端与氮气瓶相连,另一端与蓄能器充氮口相连,缓慢打开氮气瓶阀门即可完成蓄能器的充气补压。充氮时会受到温度影响,在高压充氮过程中蓄能器温度会下降,所以初次补氮达到所需压力后,应等待2 0 m i n左右,待蓄能器温度恢复环境温度后,再次测量蓄能器中氮气压力,进行必要的修正。除此之外,蓄能器在高压补氮2 4 h后需再次复检压力是否正常。3.4 蓄能器的维护保养蓄能器因其有高压氮气,其上会贴有警示标识,在维护保养中应特别注意要安全规范地操作1 0。当出现电液制动系统故障时,切记一定要先通过手动卸压阀卸掉液压制动控制单元中压力,然后再用工具排尽蓄能器中的压缩气体,确保电液制动系统处于无压力状态方可进行维修或拆卸蓄能器及其零部件,以免发生意外事故。蓄能器在装车使用过程中,须定期根据维护使用说明对气囊进行气密性检查。对于新装车使用的蓄能器,一般第一周检查一次,一个月内还要复检一次,之后半年检查一次其工作状态。对于作应急动力源的蓄能器,为了确保安全,应按照主机厂与运营业主的规定定期检查与维护。除定期检查蓄能器充气压力外,在运行维护过程中,如发现下列现象也应及时检查蓄能器的充气压力1 1:(1)在没有制动/缓解状态变化,即制动夹钳单元等执行机构没有动作的情况下,液压泵频繁启动;(2)每次制动/缓解过程,即制动夹钳单元或其他执行机构每动作一次,液压泵均会跟随启动,且每次启动/停止时间均很短;(3)在进行液压泵的启停压力测试时,启动压力和停止压力差值远超规定阀值,并且液压泵启动工作后,蓄能器压力上升,很快就达到目标设定值;(4)在接收到制动指令后,制动夹钳单元或其他执行机构响应速度变慢,动作迟缓。4 结语蓄能器结构及工作原理简单,是很容易被忽视的电液制动系统关键部件,设计、使用或维护不当,都有可能造成蓄能器的失效。本文针对蓄能器在城市轨道09基于F T A模型蓄能器失效风险分析与对策研究 裴玉春交通车辆制动系统的应用过程中存在的问题,利用故障树分析,具象化了蓄能器容易引发故障的项点,并结合现场实际运行情况,提出了相应的技术改进措施,从而进一步保障了蓄能器的安全稳定运行和工作任务可靠性。对蓄能器组成、工作原理及典型失效原因进行了阐述,为今后相关车型电液制动系统的研发、维护工作提供了参考。参考文献:1 中国城市轨道交通协会.T/C AME T 0 0 0 0 12 0 2 0 城市轨道交通分类S.北京:中国铁道出版社有限公司,2 0 2 0.2 吴磊,盛小明.有轨电车液压制动系统仿真分析与实验验证J.液压气动与密封,2 0 1 7,3 7(5):4 6-4 8.WU L e i,S HE N G X i a o m i n g.S i m u l a t i o n a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n-t a l v e r i f i c a t i o n o f t r a m h y d r a u l i c b r a k e s y s t e mJ.H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s&S e a l s,2 0 1 7,3 7(5):4 6-4 8.3 赵春光,韩晓辉,樊贵新,等.低地板有轨电车制动系统技术现状J.现代城市轨道交通,2 0 1 4(1):4 2-4 6.Z HAO C h u n g u a n g,HAN X i a o h u i,F AN G u i x i n,e t a l.T e c h n i-c a l s i t u a t i o n o f l o w-f l o o r t r a m b r a k i n g s y s t e mJ.M o d e r n U r b a n T r a n s i t,2 0 1 4(1):4 2-4 6.4 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.蓄能压力容器:G B/T 2 0 6 6 32 0 1 7S.北京:中国标准出版社,2 0 1 7.5 李海超,赵悟.低地板有轨电车液压制动系统动态建模与分析J.液压与气动,2 0 1 5(3):7 5-7 9.L I H a i c h a o,Z HAO Wu.D y n a m i c m o d e l i n g a n d a n a l y s i s o n h y-d r a u l i c b r a k e S y s t e m f o r l o w-f l o o r t r a mJ.C h i n e s e H y d r a u l i c s&P n e u m a t i c s,2 0 1 5(3):7 5-7 9.6 陈蓝,金哲,李邦国,等.动车组制动控制系统气动控制单元故障树的建立和分析J.铁道机车车辆,2 0 1 7,3 7(5):2 6-3 0.CHE N L a n,J I N Z h e,L I B a n g g u o,e t a l.E s t a b l i s h m e n t a n d a-n a l y s i s o f f a u l t t r e e f o r p n e u m a t i c c o n t r o l u n i t o f EMU b r a k i n 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n e n e r g y c o n s e r v a t i o n s c h e m e s o f a i r-c o n d i t i o n e d p a s s e n g e r t r a i n b a s e d o n s u s t a i n a b l e d e v e l o p-m e n t s t r a t e g yC/2 0 1 0 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n L o g i s t i c s E n g i n e e r i n g a n d I n t e l l i g e n t T r a n s p o r t a t i o n S y s t e m s.2 0 2 4-0 1-0 5.4 张婷,尹彩红,刘小玮,等.一种轨道车辆司机室空调机组中新风阀的控制方法:2 0 2 0 1 1 1 8 5 2 5 5.1P.2 0 2 0-1 0-3 0.5 YAN G J,WAN G L L,C HE N C.M o d e l i n g a n d p a r a m e t e r i d e n-t i f i c a t i o n o f f r e s h a i r s y s t e m b a s e d o n AN F I SC/I E E E.I E E E,2 0 1 0.6 韩靖,李振文,田张军,等.某空调系统运行问题分析及解决方法J.暖通空调,2 0 2 3,5 3(1):1 2 2-1 2 4.HAN J i n g,L I Z h e n w e n,T I AN Z h a n g j u n,e t a l.A n a l y s i s a n d s o l u t i o n s o f o p e r a t i o n p r o b l e m s o f a n a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mJ.H e a t i n g V e n t i l a t i n g&A i r C o n d i t i o n i n g,2 0 2 3,5 3(1):1 2 2-1 2 4.7 黄冬梅,林震南.自适应新风调节装置及控制系统研究及应用J.四机科技,2 0 0 3(4):2 5-2 9.HUAN G D o n g m e i,L I N Z h e n n a n.R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f a d a p t i v e f r e s h a i r c o n d i t i o n i n g d e v i c e a n d c o n t r o l s y s t e mJ.S i J i K e J i,2 0 0 3(4):2 5-2 9.8 王燕波,罗玉萍.一种组合式空调箱的全工况自适应控制装置:C N 2 0 1 5 2 0 3 5 3 2 3 2.5P.C N 2 0 4 7 3 0 4 1 0 U2 0 2 3-1 0-1 1.9 D UR OV I C Z M,KOVA C E V I C B D.C o n t r o l o f h e a t i n g,v e n t i-l a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m b a s e d o n n e u r a l n e t w o r kJ.I E E E,2 0 0 4.1 0HE D Q,L U X Y,M I AO J.R e s e a r c h o n r a i l w a y c o a c h e l e c t r i c s a f e t y m o n i t o r i n g s y s t e mC/I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n I n t e l-l i g e n t I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y A p p l i c a t i o n W o r k s h o p s.2 0 0 9.19