制動機分析系統的開發與應用

■ 皮衛東

制動機分析系統的開發與應用

■ 皮衛東

根據“五步閘”制動機試驗標準，采集標準制動機試驗樣本，建立制動機正常、異常和故障判斷的數據庫；利用地面分析軟件形成的數據進行分析，并得出制動機性能質量的結論。

制動機狀態；“五步閘”試驗；機車整備安全質量管理；智能化分析

機車制動機性能好壞對行車安全具有重要意義。為了確保出庫機車制動機狀態良好，各段在進行庫內機車整備時均進行一次制動機“五步閘”試驗。由于試驗人員在責任意識和技術素質方面的差異，能否按照規定的標準進行試驗及對試驗中暴露的故障現象能否及時發現和排除，直接關乎運行安全，也是機車整備安全質量管理的一項重要課題。需要一種方法對制動機試驗情況進行記錄，通過對試驗記錄的分析確定試驗人員的作業情況和判定制動機性能，并能實時反映，以便控制機車出庫前得到正確試驗并保持良好狀態，杜絕因制動機故障帶來的安全風險。

1 課題形成

機車制動機主要通過壓力變化（充風、排風和保壓）操縱列車及機車。所謂“壓力變化”本身就隱含2個要素，即壓力值和時間值，也即是此二者的相應關系。因此制動機性能取決于壓力變化是否符合變化時間。為此，在原鐵道部《鐵路機車操作規則》中規定機車在庫內停留時應進行“五步閘”試驗，并頒布了試驗標準，明確了每步試驗時各風管風缸壓力的變化值和變化的時間標準，用以判斷制動機是否符合要求。通過機車上的空氣壓力表進行顯示，由試驗人員進行判斷。但試驗人員的作業無法進行監督，且試驗人員的判斷能力差異不能完全受控。

如果采用智能化的分析來監測和判定制動機試驗情況，可采取2種方式。一種是機車上安裝試驗記錄裝置進行記錄和微機處理系統預設“標準模板”，并進行運算比對；第二種是通過記錄裝置將試驗情況進行記錄和轉儲，利用地面微機系統進行比對。由于機車上均安裝有機車監控裝置（LKJ），記錄問題得以解決。如果采用第一種方式則需要在機車上進行改造，尤其是多種機車無微機系統，機車改造難度大，進行系統應用時按照地面分析處理方式。因此，建立一個標準試驗的數字化模板和比較系統是課題開發的主要內容。

2 制動機試驗智能分析系統開發

2.1數據采集

（1）系統設計思路。依托LKJ-2000型列車運行記錄監控裝置地面分析軟件的現有資源，對列車管、均衡風缸、制動缸管1（第一轉向架的制動支管）和制動缸管2（第二轉向架的制動支管）壓力、時間的關鍵項點數據進行采集，再通過適宜方式對記錄中采集的數據進行即時智能化分析，可即時得到制動機質量結果，即時判斷制動機狀態是否正常，并可長期保持制動機試驗數據供分析對比。

（2）邏輯設計思路（見圖1）。根據原鐵道部頒布的“五步閘”制動機試驗標準，再采集標準制動機試驗樣本，建立制動機正常、異常和故障判斷的數據庫；最后利用地面分析軟件形成的數據進行分析，并得出制動機性能質量的結論。

2.2建立數字化模板和分析系統

2.2.1建立標準模板

目前，在全路主要使用4種型號機車制動機：JZ-7、DK-1、法維萊、克諾爾，各機型的每種制動機各有五步閘標準，合計20個大項。將20步閘的操作動作在智能分析時進行歸納組合，按列車管、均衡風缸管、制動缸管的壓力變化歸納為初減保壓階段制動、常用抑制位、取把再過充、大減保壓再過充、緊急位、重聯位、空氣位、過量減壓試總風遮斷閥、單閥急制緩、單閥階段制緩、換端步驟等11個制動機操作動作，其中換端步驟因關系到防溜，所以做在一起，因某些整備點的制動機試驗時不采用機車制動作為防溜措施，此步驟可作為使用方管理者的自選項目，供雙端司機室機車換端操作時防溜使用。使用4種制動機的任意機車均可通過選擇以上11個制動機操作動作中特定項目進行“五步閘”制動機試驗。這11個操作步驟僅針對制動機操作者的操作動作，與操作后所體現的結果無關。操作結果再逐個區分，按照項點進行分析。

系統參數設置中，將初減保壓階段制動、常用抑制位、取把再過充、大減保壓再過充、緊急位、重聯位、空氣位、過量減壓試總風遮斷閥、換端步驟、單閥急制緩、單閥階段制緩等11個操作步驟從101—111進行編號，系統管理方可在設置中挑選不同步驟選項對不同要求的制動機試驗進行分析。

以JZ-7型機車制動機“五步閘”為例，相關判斷邏輯如下（貨運機車列車管、均衡風缸管標壓為500 kPa，客運機車列車管、均衡風缸管標壓為600 kPa）。

圖1 邏輯設計思路

第一步閘：初減保壓階段制動并單緩小閘。

第一步閘在系統分析邏輯中歸類為初減保壓階段制動操作動作（編號101），判斷過程邏輯見圖2，列車管從標準管壓力按不小于30 kPa/（3 s）（是30 kPa/（3 s），不是10 kPa/s，此減壓在其后均描述為拐點）的速率從標管壓力列車管初減規定減壓量（減壓量上限90 kPa，下限30 kPa，下降點前一條記錄，即即時標壓）保壓，保壓起始設置時間值壓降必須不大于20 kPa，保壓時間值必須在設置值范圍及以上（默認保壓時間40 s）。第一步閘的保壓判斷邏輯為上下波動在20 kPa/min以內。

（1）本步驟列車管壓力最低值范圍：貨車為240～400 kPa；客車為320～490 kPa。

（2）JZ-7、克諾爾、法維萊機車制動機試驗的第一步采用此操作動作。排除使用DK-1制動機的機車。

第二步閘：過量減壓試總風遮斷閥。

（1）列車管從標壓開始通過拐點常規減壓，完成常規減壓緩解（設置常規減壓后的最低壓力值：貨車為210～320 kPa；客車為310～410 kPa），緩解過程中列車管壓力準許停滯。

（2）僅JZ-7機車制動機有此操作動作。

第三步閘：取把再過充。

圖2 初減保壓階段制動操作動作判斷邏輯

圖3 過量減壓試總風遮斷閥操作動作判斷邏輯

第三步閘的操作動作同名（編號103）（見圖4），列車管壓力從標壓默認許可下降幅度為40～50 kPa，但對應此列車管壓力的均衡風缸管壓力必須小于標壓200 kPa，且從此點向前推，列車管在標壓范圍內，而均衡風管壓力逐步上升至標壓。從此點向后，均衡風缸壓力在默認值以下（客車430 kPa以下，貨車350 kPa以下）。列車管壓力在下降后上升至壓力定點，隨后的下降點開始計算過充壓力的消除時間。JZ-7機車制動機試驗采用此操作動作。

第四步閘：緊急位。

第四步閘的操作動作同名（編號105）（見圖5），描述如下：

（1）緊急位操作動作（編號105）位在列車管壓力從標壓開始通過拐點下降，快速不停頓減壓至60 kPa及以下。

CDFU是將旋流離心分離技術、高效溶氣技術、氣浮分離技術有機結合于一體，對含油、含懸浮物污水進行高效分離的一種混合型裝置[6-13]，如圖4所示。通過旋流和大量超微氣泡的綜合作用，極大地提高氣泡浮選的效果，縮短氣浮停留時間，實現高效、快速除油。

（2）本步驟快速減壓時間小于等于設置值（默認4 s，上限6 s）。

（3）列車管減壓至最低壓力值后，再一次緩解至標壓。

（4）各型機車制動機均有此操作動作。

圖4 取把再過充操作動作判斷邏輯

圖5 緊急位操作動作判斷邏輯

第五步閘：單閥階段制緩。

第五步閘的操作動作同名（編號110）（見圖6），描述如下：

（1）單閥階段制緩動作（編號110）為列車管壓力在標壓狀態下、制動管壓力從0到達峰值后持平或峰值后緩慢下降的一個單獨持續時間內，制動缸壓力由小于等于40 kPa升至高于設置值（設260 kPa）并到達峰值，而后緩解至40 kPa及以下。

（2）制動缸壓力上升時間滿足設置值時間（設置值時間≥5 s），由最高壓力緩解至40 kPa及以下的時間滿足設置值（設置值時間≥5 s），最后到0。

（3）除DK-1以外的機車制動機全部采用。

通過以上描述的邏輯，將數據中符合“五步閘”的步驟全部找出，然后按照相鄰同步驟取最后一個，按升序排列的組合方式，去除無用有速度、有緊急和常用的數據，可得出較為單純的“五步閘”試驗記錄數據，隨后按此顯示的數據再進行精確定性定量分析。

圖6 單閥階段制緩操作動作判斷邏輯

2.2.2建立模糊分析

確立標準模板后，可用于對試驗記錄的比對分析，但由于制動機試驗和裝置自身的差異，導致實際應用中將合格的制動機誤判為不合格，使得無實際使用價值。主要有三方面：一是LKJ轉儲的記錄不僅有試驗數據，還有中間機車移動的數據；另外還因試驗操作習慣并不一致，也會生成大量無關數據，干擾了制動機檢測數據。二是客運機車切換閥比例不同，列車管減壓量與制動缸壓力比例不同。三是LKJ裝置自身特性和傳感器精度導致試驗記錄不準確，影響正確判斷。

為解決上述問題的干擾，建立一種具有包容性的分析才能使系統適用于實際作業。

（1）解決制動機試驗的無關數據干擾問題。首先利用各開關量信息（人員、整備點、時間、速度等）進行預分析，判斷是否是制動機試驗記錄，否則直接拋棄；然后對試驗記錄進行初步分析，通過對既定數據（列車管、均衡風缸、制動缸壓力及時間、換端標識等）判斷出實際試驗步驟；最后對每個步驟進行定性定量分析。采取多個循環分析，每經過一個循環，標準提高一個級別。也即是先分析記錄范圍、再分析試驗步驟、然后分解各步驟并對每個步驟的正確性進行對比。克服了記錄混雜、試驗順序錯亂及作業人員“小動作”等對數據的干擾。

（2）為解決客運機車切換閥問題，建立了專門的技改比模板，將切換閥特性按壓力比例、延遲上閘時間分為6個技改比類別，這6個技改比按制動缸壓力上升時間分為正常、正常延時、長時間延時，按列車管減壓與制動缸增壓比分為（1∶1）、（1∶1．25）、（1∶2．5）3個比例。按照預設匹配類別，先按實車匹配，隨后只要本次分析的數據與預設標準數據異常或與上次分析的類別不一致即報警。解決了切換閥問題。

（3）LKJ裝置特性問題。主要存在兩方面問題：一是LKJ-2000采用變量記錄，按運基信號［2008］572號文，監控在機車速度為零的情況下，事件記錄中的壓力變化以40 kPa為記錄，即如純粹只有壓力變化記錄值，制動機試驗的智能化判別精準度只能達到40 kPa，且監控記錄條數不一定，當監控記錄條數少時，難以做到完全分析和判斷。通俗的說，LKJ-2000的記錄在部分情況下過少且不準。二是LKJ壓力傳感器量程偏差問題，雖然LKJ壓力傳感器精度理論上較高，但實際運用條件下會出現記錄壓力有卡滯現象，如管壓抖動或滯后歸零。

以上LKJ的問題是困擾智能分析最大也是最難的問題之一。如果放寬壓力值則有可能將故障制動機判為合格，給行車安全埋下隱患；而如僅以壓力值嚴格衡量，則有大量機車錯判為不合格，影響正常生產。采用如下做法。

（1）針對LKJ-2000采用變量記錄，記錄過少，實際應用中引入制動機試驗時庫內移頻跳碼、發碼和監控定標操作的方法，使監控按需生成必須的事件記錄條數，使壓力記錄齊全。解決智能分析中的數據來源問題。

（2）針對LKJ壓力傳感器量程偏差問題，引入趨勢分析法與接近壓力值取值的方式進行綜合判斷。按減壓趨勢、壓力變化突出點分析，去除監控記錄中的無用數據。采用二次閉環分析方式，去偽存真消除誤報。

針對LKJ裝置的特性問題，采用變量記錄分量分類的方式進行解決。按“五步閘”的標準，將“五步閘”的全過程進行公式量化，并將以上解決問題的方法全部列入公式計算中，建立分析邏輯。

3 制動機試驗智能分析系統應用

3.1程序編寫及檢測

在建立完成制動機試驗標準模板和模糊分析系統模板后，將數字化模板編寫成計算機程序，并在廣州、株洲機務段進行假設故障實測，對制動機試驗缺有效步驟、制動機試驗前充風不足、制動支管被關閉、制動管排風不凈、均衡風缸最低壓力值異常、列車管緩解后，制動缸壓力異常、初減制動時，閘缸壓力異常、列車管泄漏超標、制動缸自然緩解、制動缸不單獨緩解、抑制位降壓時間異常、抑制位制動缸壓異常、抑制位試驗制動缸單獨緩解、取把位列車管漏風、過充壓力消除過快、大減壓后列車管減壓量不符合標準、減壓時，均衡風缸排風速度異常、大減壓制動缸壓異常、常用和緊急限壓調整壓力不當、保壓時制動缸壓力下降、緊急位列車管排風慢、緊急位制動缸壓力上升慢、克諾爾制動機緊急位上閘過快、緊急位均衡風缸降壓異常、緊急位試驗不能單獨緩解、和諧型機車制動機軟件故障造成制動機試驗無法進行、和諧型機車緊急位單緩后，制動缸壓力上升、重聯位列車管降壓速度異常、重聯位，重聯位列車管降壓后，列車管壓力異常、重聯位試驗制動缸壓力異常或不能單緩解、韶山系列機車空氣位故障、53/54調壓閥故障、空氣位試驗后未確認恢復電空位、JZ-7型機車制動機總風遮斷閥故障或試驗失敗、過量減壓試驗閘缸壓力異常、單閥試驗，制動管壓力上升或下降速度異常等37項假設故障和作業標準進行檢測，除大減壓后列車管減壓量不符合標準未一次性檢出外，其他36項故障均一次性檢測成功。

分析未檢測出的原因，主要是因為在首次開發時，對于DK-1型機車制動機大減壓的減壓范圍放得太寬，貨運機車為減壓110～180 kPa，客運機車為130～210 kPa，首次開發后期對軟件邏輯進行了修改，將移頻跳碼的概念引入制動機試驗中。但此項設置在首次試用時，為了提高軟件測試一次性通過率，人為放寬了設置。現場實測是嚴格按照書面標準，因此導致現場實測未通過。查到原因后，立即組織討論會，嚴肅了DK-1型機車制動機的操作要求，并研究DK-1型機車制動機減壓量多少是否影響制動機質量。隨后將DK-1型機車制動機大減壓的減壓時間和減壓量按比例掛鉤的范圍進行修改，并將壓縮標準值設置為貨車減壓130～150 kPa、客車減壓160～180 kPa，再次假設檢測，一次檢出成功。

3.2實際應用效果

該系統自2013年11月18日正式在廣州鐵路（集團）公司各機務段應用以來，取得了良好效果。

（1）提高了試驗人員的操作水平，一次合格率從第1個月的15%提高到第4個月的90%。

（2）提高了機車制動機質量，有效防止機車制動機不良出庫。

（3）提高了制動機診斷能力，及時發現機車故障隱患，為制動機日常維修提供了依據。

與2013年同比，該系統開始投入實際運用的第1個月，各機務段制動機報修增多380%，第2個月增多42%，第3個月減少20%，第4個月減少47%。運用機車因制動機故障造成機破的件數急劇下降。

皮衛東：廣州鐵路（集團）公司機務處，工程師，廣東廣州，510088

責任編輯高紅義

U268.3

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1672-061X（2014）03-0055-05