時速160km/h 動力集中動車組拖車17 號煙報探頭優化研究

康等連

（蘭州局集團公司蘭州車輛段，甘肅 蘭州 730000）

1 研究背景

時速160km 動力集中動車組煙火報警系統由火災報警控制器主機JB-QB-16A(JT160)、感煙火災探測器、感溫電纜火災探測器、感溫電纜組成。火災報警系統采用大屏幕液晶屏顯示各種信息，可顯示本車廂及其他各車廂的火災報警及故障報警信息。可根據需要對各種參數進行設定，如校正當前時間、修改探測器編號及探測器類型、修改本車廂號等。可對各車廂火災報警紀錄、本車廂號及在線車廂號進行信息查詢。每輛拖車設計8 個煙火探測器，其中17 號煙火探測器探測綜合控制柜干線溫度及綜合控制柜煙霧探測，屬于集感溫、感煙一體式復合探測器。而綜合控制柜作為動車組的中樞控制單元，控制著動車組供電、網絡、通訊、上服系統，因此為了保證動車組安全運行對綜合控制柜煙霧、主干線路溫度探測顯得尤為重要。

時速160km 動力集中動車組自2019 年1 月配屬蘭州局集團公司蘭州車輛段后，頻繁發生火災報警系統17 號煙報探頭開路故障。據統計，動車組自開行至17 號煙火探頭改造前累計發生開路故障50起，經故障統計分析，故障原因均為感溫電纜與ZDR1、ZDR2 連接器接觸不良導致。在時速160km動力集中動車組中，煙火報警系統接入動車組安全環路，關系到動車組運行的穩定性。為了解決17 號煙火探測器頻繁發生煙火探測器故障，基于動車組運用實際，研究其報警機理及探頭結構，提出17 號煙火探頭接線端子改進方案，從源頭解決17 號煙火探測器頻繁故障，確保動車組運行安全性和穩定性。

2 機理研究

2.1 煙火報警系統及工作機理

時速160km 動力集中動車組單車火災報警系統由1 個火災報警主機、1 個感溫感煙探頭、7 個感煙探頭及列車網關組成。火災報警控制器負責把各個探測器的狀態顯示出來，在發生警情時提供聲光報警，同時把各探測器和自身的狀態上傳給PLC 控制器。感溫電纜探測器和感煙探測器負責管轄區域的警情，在探測到警情時，上傳給火災報警控制器，煙火報警控制系統如圖1 所示。

圖1 時速160km 動力集中動車組煙火系統

在防火區域的探測器感知到火災信號后，發送到控制器，控制器自動判斷是否為首次報警，如果是首次火警，則首先對火警信號進行確認處理，當有煙火探測器火災報警信號輸入時，控制器在10s內發出火災報警聲、光信號。液晶屏同時顯示首次火警及后續火警的報警部位（即探測器編號）及報警時間。當探測器與控制器之間有接觸不良或發生開路、短路故障時，控制器報故障音。故障燈亮，顯示故障報警部位（即探測器編號）。故障音可用“消音鍵”手動消音，但不影響下次報警，顯示屏有消音標志。若某部位當前有故障報警，同時另一部位經確認有火警信號，則故障部位顯示保持，同時顯示火警部位，火警音取代故障音，即火警優先。在動車組發生火情時發出火災報警信息，斷開火災報警安全環路，提示司機和隨車機械師進行處理。在煙火探測器發生故障時，煙火主機報警，同時故障信息通過列車網絡傳輸至隨車機械師電氣監控屏及司機屏，提示司機及隨車機械師進行處理。

時速160km 動力集中動車組火災報警主機與感煙探頭之間連線采用兩線制，與感溫探頭之間通訊連線采用RS485，感煙探頭及感溫探頭由火災報警主機提供DC24V 電源，監視狀態小于2W，報警狀態小于5W。感煙報警動作閾值(m)：m=0.16±0.04 dB/m；感溫報警動作閾值：定溫，B 類，70℃（69～85℃）。而拖車綜合控制柜17 號煙火探測器為感溫和感煙復合型探頭，探頭連接PHSC-220-EPC 型感溫電纜，感溫電纜由兩根包裹具有絕緣性能PVDF材料的鍍鋅鋼絲組成。正常情況下兩根感溫電纜處于絕緣狀態，當綜合控制柜感溫電纜周圍環境溫度上升至105℃左右時，感溫電纜外部包裹的絕緣層PVDF 材料因高溫發生破裂，兩根鋼絲發生短路，觸發火災報警將火災信息傳輸至火災報警主機，火災報警主機發出報警信息并上傳至網絡，通過通訊網絡，將信息傳輸至電氣監控屏及司機屏。當感溫電纜發生高溫報警，PVDF 材料因高溫發生破裂后，感溫電纜永久短路不可恢復。火災報警系統網絡傳輸組成如圖2 所示。

圖2 火災報警系統網絡傳輸

2.2 17 號煙火探測器工作機理

17 號煙火探測器同時具備感溫、感煙功能，其中感溫功能通過感溫電纜實現。感溫電纜通過ZDR接線端子連接煙火探測器，煙火探測器經過RS485通訊線將煙火信息傳輸至煙火主機，完成對綜合控制柜內主干線路溫度檢測及柜內煙霧探測，其組成部件如圖3 所示。

圖3 17 號煙火探測器組成

17 號煙火探測器感溫電纜為兩根包裹絕緣層PVDF 材料的鍍鋅鋼絲，17 號煙火探測器感溫的端子引出兩根普通線纜連接到ZDR2 連接器的一端，另一端連接感溫電纜，感溫電纜在綜合控制柜內沿電纜走線，對主線路進行超溫保護，另一端連接300Ω 的終端電阻接線端子ZDR1。正常情況下，兩根感溫電纜是不導通的，當檢測的主路電纜溫度超過設定溫度值時，感溫電纜外部絕緣層破裂，感溫電纜導通，觸發17 號煙火探測器，發生煙火報警，17 號煙火探測器感溫電纜優化前接線方式如圖4 所示。

圖4 優化前接線方式

3 故障現象

在動車組運行過程中出現的17 號煙火探測器故障，動車組入庫后檢測探頭功能正常，網絡通訊功能正常。經過隨車機械師跟蹤發現，在列車運行過程中煙火主機報17 號煙火探測器故障后，重新緊固ZDR 接線端子后故障消除。

4 故障原因分析

為了徹底解決17 號煙火探測器頻繁報探頭故障，利用動車組入庫檢修時間，對動車組17 號煙火探測器進行試驗，對ZDR1、ZDR2 接線端子進行插拔試驗，故障重現，在設計端子虛接故障后，故障重現。在故障部位確定后，為了進一步研究故障形成原因，對17 號煙火探測器端子盒以及插件結構進行分析研究。

4.1 端子盒連線易松脫

對17 號炭火探測器感溫電纜端子盒進行分解檢查，分析ZDR1、ZDR2 端子內部結構，發現原端子盒在感溫電纜與端子壓接處采用螺絲直接壓接的方式進行固定，感溫電纜由于采用鍍鋅鋼絲，鍍鋅鋼絲具有光滑、質硬、回彈力大的特點，即便是在緊固螺絲擰緊的情況下，在長期振動環境中也會出現螺絲松動的現象，從而引起感溫電纜端頭與底座之間出現虛接的情況，導致17 號煙火探測器發生開路故障報警。

4.2 插接結構易松動

對17 號煙火探測器的ZDR1 和ZDR2 插件結構進行分解分析，發現ZDR1、ZDR2 分析外表相似，底座主體通用，而在ZDR1 保險絲支架內焊接300Ω 終端電阻，ZDR2 保險絲支架內焊接短連導線與底座以插接型式組成一體。在分析ZDR1 及ZDR2 插針時發現，其插針采用軟銅材質，在插件與座體連接處插針和座體銅片形成線接觸，在有微小位移量的情況下，插針與座體銅片分離，極易造成虛接。而在動車組運行中產生振動，因振動容易造成插件插針位移，從而產生插件插針與座體虛接，引發17 號煙火探測器開路故障，導致在煙火主機液晶顯示屏上報17 號煙火探測器故障。原有端子盒內部結構如圖5 所示。

圖5 原有端子盒內部結構

5 優化方案

為了保證動車組運行品質，對17 號煙火探測器原理及ZDR1、ZDR2 端子內部結構進行研究分析，發現通過接線盒結合端子內部結構改進，在保證滿足17 號煙火探測器需求的情況下改進端子結構，可以減少17 號煙火探測器故障率，具體優化方案如下：

5.1 端子盒優化

改進由ZDR1、ZDR2 接線端子和接線端子底座構成的型號為WK4TKG/U 的端子盒更換為內部鑲嵌300Ω 終端電阻的WAGO280-901 端子盒，感溫線纜端部壓上米勒端子頭，從而將原螺絲擰緊壓線的方式改為彈簧壓接感溫電纜的方式，提高壓接可靠性，如圖6 所示。

圖6 優化后接線方式

5.2 內部結構優化

更換端子盒后，原有兩個ZDR2 無需單獨插接短連導線，端子盒內部即為導通；ZDR1 端子盒內部焊接安裝300Ω 電阻，由原有插接式直接改為焊接結構。大幅提升連接可靠性。優化后接線方式見圖4，優化后端子盒內部結構如圖7 所示。

圖7 優化后端子盒內部結構

6 應用效果

該改進方案經過研討后，為了驗證優化后的效果，選定1 組動車組作為試驗車體，對試驗動車組17 號煙火探測器實施全列改造，并對改造后的動車組進行為期一個月的跟蹤，在改造后動車組運行狀態穩定，未再次發生17 號煙火探測器故障。運行一個月后，對改造后的動車組17 號煙火探測器的接線端子盒進行分解檢查，發現分解后的端子盒內部各部件及終端電阻狀態良好，感溫電纜線連接處未出現松動情況，改造效果良好。對改造后的試驗動車組進行3 個月的煙火探測器故障統計，未再次出現17 號探煙火探測器，對接線端子盒進行分解檢查，發現端子盒內部各器件及終端電阻狀態良好，感溫電纜信號線連接未出現松動情況，改造效果良好。

經過試驗驗證該優化方案效果良好，隨后組織供貨商對配屬的14 組動車組進行全部改造，改造完成后，17 號煙火探測器由接線端子引起的開路故障未再次發生。該方案供貨商會同主機廠對全路所有時速160km 動力集中動車組進行批量整改，并將該方案應用于后期新造動車組。