動車組中繼閥性能在線評估方法研究

王 鵬,蔡 田,韓朝霞,高 放,華 皛

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所,北京 100081;2.北京縱橫機電科技有限公司,北京 100094)

中繼閥是動車組空氣制動系統的核心氣動部件之一,它根據輸入的預控壓力輸出制動缸壓力,在制動系統中起到壓力變換和流量放大作用。中繼閥的性能對動車組制動控制效率和安全具有重要影響[1-3],高效、可靠、穩定的壓力轉換關系能夠保證優良的制動缸壓力控制精度。中繼閥性能下降時,將導致施加的制動缸壓力超過范圍,施加和緩解時間異常,并易出現摩擦制動不施加、不緩解等相關故障,需切除故障車的空氣制動限速運行,影響動車組的運營效率和安全。隨著復興號動車組運用時間的推移,中繼閥的性能相比出廠時的性能會發生衰減,不同批次、不同個體間的性能也不盡相同。為了提升動車組運用的安全性和可靠性,如何掌握中繼閥的實時性能,根據當前性能調整控制參數,并在性能評估結果的基礎上對相關故障發生的可能性進行實時預測,成為制動控制系統部件故障預測與健康管理的研究重點。

目前動車組中繼閥的性能評估方法多采用仿真[4-6]或離線試驗[7-9]方式。仿真法使用AMESim等軟件建立中繼閥的氣動模型,通過改變彈簧剛度、活塞組件質量、節流孔及管路尺寸等組成元件的參數,模擬不同的充排風工況來預測中繼閥的性能[10-11]。離線試驗法通常需要搭建專有的試驗設備進行氣密性試驗、階段充排風試驗等,以評估中繼閥的性能[12-13]。這2種方式雖然能夠得出評估結果,但均為離線、靜態的方式。由于動車組實際運營中更加關注中繼閥的可靠性和有效性,因此需要進行在線、連續、長期的評估,并在發現性能衰退或異常時及時作出處置。上述方法難以對中繼閥進行準確的性能評估,不能對實際運營車輛做出評判,無法實現動車組制動系統部件的在線故障預測與健康管理。

本文在電子制動控制單元(Electronic Brake Control Unit,EBCU)內部構建了中繼閥的離散模型,通過采集動車組運行過程中中繼閥輸入輸出壓力數據對模型參數進行了更新,定義了層次化的性能評估框架并實現了不同級別的中繼閥性能評估,能夠實時掌握中繼閥的服役性能。

1 中繼閥離散模型

1.1 輸入輸出關系

中繼閥在制動系統氣路中的符號如圖1所示,圖1中箭頭代表氣體的流動方向。輸出C壓力(制動缸壓力)是按照一定比例根據輸入Cv壓力的變化而變化的,兩者間比例值可以通過T壓力進行高低切換。當動車組高速制動時,T口有輸入壓力,此時C口輸出較低的制動缸壓力,以保證制動力不超過黏著極限,降低高速時的制動功率。由于閥芯復位彈簧的存在,在壓力上升和下降過程中,輸入Cv壓力相同時,輸出C壓力會存在一定差值(即中繼閥存在遲滯特性)。因此,中繼閥輸出C壓力Pc與輸入Cv壓力Pcv之間的關系在制動控制軟件中可以由線性擬合集合{Pcv=khu·Pc+bhu,Pcv=khd·Pc+bhd,Pcv=klu·Pc+blu,Pcv=kld·Pc+bld}表示,其中{khu,khd,klu,kld},{bhu,bhd,blu,bld}分別表示高壓力/上升、高壓力/下降、低壓力/上升、低壓力/下降4種工況的擬合斜率和截距。

圖1 中繼閥在制動系統氣路中的符號

1.2 在線參數更新

由于高壓力/上升、高壓力/下降、低壓力/上升、低壓力/下降4種工況下中繼閥的離散模型更新方法相同,因此,本文以高壓力/上升工況為例進行說明。

(2)

1.3 參數存儲和高精度預控壓力獲取

為實現性能的連續跟蹤,EBCU內部的中繼閥離散模型需要進行存儲和連續調用。當動車組初上電時,系統將根據讀取的動拖車類型自動調用上一次存儲的模型,若更換了相關板卡,則將重新初始化為默認值。當EBCU檢測到司機室退出占用后會將模型參數及時存儲,以備動車組下次運行時調用。

Pcv-set=pcvs+(pcvt-pcvs)·(Pc-set-pcs)/iL

(3)

2 性能定義和評估

2.1 性能定義

對中繼閥的性能進行評估,首先需要對性能進行定義。中繼閥在制動系統氣路中的功能為壓力變換和流量放大,其性能應描述為完成相關功能的效率。效率的通用描述為反應時和正確率,這2個指標的評估需要使用動態和靜態結合的方法。因此,中繼閥的性能在本文中定義為完成Cv壓力至C壓力變換過程中表現出的動態和靜態性能,其評估采用層次的多指標結合的架構。

2.2 層次評估架構

本文的中繼閥性能評估架構由指標級、狀態級、工況級、車輛級和列車級5個層次構成。下一級指標的評估值由本級指標通過權重計算獲得。指標級由4個靜態指標和3個動態指標構成;狀態級由靜態級和動態級構成;工況級由靜態工況級和動態工況級構成;每輛車的車輛級指標由工況級指標合成;每列車的列車級指標由該動車組所含車輛的車輛級指標合成。中繼閥性能的層次評估架構如圖2所示。

圖2 中繼閥性能的層次評估架構

2.2.1 指標級

指標級為層次評估架構中最基本的層次,由4個靜態指標和3個動態指標構成。

中繼閥性能評估的靜態指標包括擬合斜率、擬合截距、擬合均方誤差和異常點比例。擬合斜率反映了動車組中繼閥的C口是如何根據Cv口輸出壓力的,中繼閥工作在高/低壓力輸出時,應滿足C壓力可用區間的擬合斜率,此時符合設計要求。當擬合斜率偏離正常值過多則說明中繼閥性能下降或偏離設計初衷;擬合截距反映了中繼閥滯回曲線的特性,當充風階段的擬合截距變大時,說明需要更大的Cv壓力才能輸出指定的C壓力,易出現制動不施加或制動力不足的故障;當排風階段擬合截距變小時(負值),說明當Cv壓力減少時,C壓力減少的速率下降,在緩解時易出現制動缸殘壓;擬合均方誤差反映了中繼閥內部組成元器件的可靠性程度。有效、高性能的中繼閥應具有更高的線性度,均方誤差過大則說明在較小Cv壓力變化區間內,對應C壓力的變化幅度過大且不可預知,這將對制動缸壓力控制的精度產生不利影響;異常點比例反映了中繼閥發生短期失效帶來性能下降的可能性。過高的異常點比例則提示中繼閥可能出現閥芯卡滯、橡膠模板變形、密封圈斷裂等元器件失效現象,使制動系統的可靠性降低。

中繼閥性能評估的動態指標包括動車組緊急制動(Urgent Brake,UB)時的制動缸壓力差時間比、動車組UB緩解時的制動缸壓力差時間比和動車組中繼閥的輸出壓力波動次數。動車組UB施加時的制動缸壓力差時間比反映了施加過程中中繼閥動態響應性能的優劣。更高的壓力差時間比說明C壓力能夠更快達到目標值,使動車組的緊急制動距離減少。計算壓力差時間比時應從Cv壓力達到目標誤差值內開始記錄,且滿足初始壓力為0;動車組UB緩解時的制動缸壓力差時間比反映了緊急制動緩解過程中中繼閥動態響應性能的優劣。緩解時,初始壓力與目標壓力之差與緩解時間的比值越大,說明C壓力能夠更快地排空,縮短動車組制動緩解過程的時間。計算緩解時的壓力差時間比時應滿足記錄截止時的制動缸壓力為0。輸出壓力波動次數指中繼閥的Cv壓力、R壓力和T壓力恒定時的C壓力的波動次數,該指標反映了中繼閥內部部件的異常活動。由于閉環控制的存在,當波動過大時,制動控制軟件將調節Cv壓力使C壓力回歸目標值,因此波動的定義為:2次C壓力穩定時刻的時間間隔小于等于5 s且波動壓力差pflu滿足3 kPa≤pflu≤5 kPa。

靜態和動態指標Isd的范圍為0～1,計算方法如式(4)所示。其中Tfc表示根據當前更新模型計算出的指標值;Tfi表示中繼閥出廠測試時測得的指標值,此時中繼閥的性能評價指標值為1;Tff表示認為該指標性能衰退至失效時的指標值,此時中繼閥的性能評價指標值為0。

(4)

2.2.2 狀態級

狀態級分為靜態級和動態級評估結果,其中靜態級評估結果由4個靜態指標合成,動態級評估結果由3個動態級指標合成。靜態級與動態級評估結果Cs與Cd的計算方法如式(5)所示,其中{Ik,Ib,Ie,Ir,Ipt,Irel,Iflu}為由式(4)計算的指標擬合斜率、擬合截距、擬合均方誤差、異常點比例、緊急制動施加時的制動缸壓力差時間比、緊急制動緩解時的制動缸壓力差時間比及輸出壓力波動次數的指標值,{wk,wb,we,wr,wpt,wrel,wflu}為對應的指標權重。

Cs=wkIk+wbIb+weIe+wrIr
Cd=wptIpt+wrelIrel+wfluIflu

(5)

2.2.3 工況級

工況級分為靜態工況級和動態工況級,其中靜態工況級評估結果由靜態級評估結果根據權重合成;動態工況級評估結果與動態級評估結果相等。

動車組在常用制動施加/緩解時,中繼閥工作于高壓力/上升、高壓力/下降、低壓力/上升與低壓力/下降4種工況。由各個工況下的靜態級評估結果根據式(6)確定動車組的靜態工況級評估結果Csc,其中{thu,thd,tlu,tld},{Cshu,Cshd,Cslu,Csld}分別為評估時間段內高壓力/上升、高壓力/下降、低壓力/上升、低壓力/下降工況的時間占比和靜態級評估結果。

Csc=thuCshu+thdCshd+tluCslu+tldCsld

(6)

2.2.4 車輛級

車輛級評估結果Cvehicle由工況級評估結果合成,具體如式(7)所示。其中esc與ed分別為專家確定的靜態工況與動態工況權重。

Cvehicle=escCsc+edCd

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2.2.5 列車級

中繼閥性能的列車級評估結果由車輛級評估結果合成。由于動車正常制動過程中可以使用電制動,其空氣制動作用時間要比拖車小。此外,單一車輛可能出現制動切除等故障情況,因此動車組中每輛車的空氣制動使用時間均不相同,含有由u輛單車組成的列車級評估結果Ctrain由式(8)表示。其中ti與Cvehicle-i分別為第i輛車的空氣制動使用時間占比與該車的車輛級性能評估結果。

(8)

2.3 評估權重更新

在進行狀態級評價時,由于中繼閥運用初期實際性能變化情況的可觀測數據較少,因此靜態指標和動態指標對狀態級權重的初始值由專家確定。為反映中繼閥性能與故障之間的關系,本文在實際運用一定時間后以故障數據為依據對靜態指標和動態指標的權重值進行更新,可增加合成靜態/動態級評估指標時的有效性,提升性能評估的可信度。假設制動系統故障列表中存在m個與4個靜態指標和3個動態指標相關的故障{f1,f2,…,fm},這些故障的出現次數分別為{n1,n2,…,nm},專家通過層次分析法(AHP)確定的4個靜態指標和3個動態指標相對第i個故障的重要程度值分別為{vsi1,vsi2,vsi3,vsi4},{vdi1,vdi2,vdi3},則由故障數據確定的4個靜態指標中任意一個對于靜態級評估的權重wsj(1≤j≤4)和3個動態指標中任意一個對于靜態級評估的權重wdt(1≤t≤3)由式(9)表示:

(9)

當n1=n2=…=nm=0時,wsj=wsje為專家通過AHP法確定的第j個靜態指標初始權重,wdt=wdte為專家通過AHP法確定的初始第t個動態指標權重,當滿足min{n1,n2,…,nm}≥1時,采用故障數據確定的權重,其中i滿足1≤i≤m。

3 驗證

下載復興號動車組實際運行中的制動施加/緩解過程相關工況和故障數據,將其導入8編組復興號1∶1實物測試試驗臺中對模型進行驗證,該試驗臺使用了與實際運營車輛完全相同的EBCU和氣動部件,可以完全復現實際制動過程中的所有工況,如圖3所示。

圖3 制動系統1∶1實物測試試驗臺

表1列出了每輛車的空氣制動使用時間占比和工況時間占比。專家給出的靜態工況與動態工況權重esc與ed分別為0.55與0.45。

表1 空氣制動使用時間占比和工況時間占比 %

表2列出了每輛車的指標級評價結果及對狀態級的權重,其中部分車輛權重是由摩擦制動施加故障(520D)和摩擦制動緩解故障(520E)重新確定的。

表2 每輛車的指標級評價結果及對狀態級的權重

根據表1與表2的結果以及式(5)～式(9)計算出的狀態級、工況級、車輛級、列車級的評價結果如表3所示。可見,靜態工況級評價時,7車中繼閥在低壓力/下降工況具有最佳性能,在低壓力/上升工況性能較差;動態工況級評價時,2車中繼閥性能最好,7車中繼閥性能最差,該結果與車輛級結果相同;全列中繼閥的性能評價結果為0.945。維保人員可根據不同級別的性能評價結果對全列中繼閥進行針對性的檢修或更換。研究人員可根據性能評價結果指定性能評估等級,開展進一步的分析。

表3 狀態級、工況級、車輛級、列車級的評價結果

圖4為某中繼閥在高壓力/上升工況下的原始輸入輸出關系(藍色線段)和根據更新模型獲取的當前輸入輸出關系(紅色線段)。其中出廠測定的原始輸入輸出關系以斜率和截距的方式存儲于EBCU中。通過更新模型則可以反映每個C壓力設定值區間下對應的實際Cv壓力,精確獲得當前中繼閥在壓力可用區間的輸入輸出關系并依此輸出預控Cv壓力。

圖4 原始/當前輸入輸出關系

圖5為復興號動車組制動缸壓力控制過程(按級位上升)相關壓力變化記錄,圖6為在圖3所示試驗臺中以1.3節方法進行制動缸壓力控制過程(按級位上升)相關壓力變化記錄。在圖5和圖6中,紅色實線、紅色圓點線、藍色實線和藍色圓點線分別為預控Cv壓力設定值、預控Cv壓力實際值、制動缸C壓力設定值和制動缸C壓力實際值。由于長期運用,中繼閥的輸入輸出關系發生變化,仍采用出廠理論輸入輸出關系進行控制時,即使Cv壓力控制精度滿足要求,C壓力設定值與實際值之間(藍色實線與藍色圓點線之間)仍存在10～20 kPa的偏差。當按照更新模型輸出的Cv壓力設定值進行閉環控制后,制動缸C壓力實際值和設定值之間的誤差可在±5 kPa以內,有效提升了制動控制的精度。

圖5 復興號動車組制動缸壓力控制過程相關壓力變化記錄

圖6 1.3節方法下制動缸壓力控制過程相關壓力變化記錄

4 結論

本文在EBCU內部構建了中繼閥的離散更新模型,在此基礎上通過專家評判、出廠測試、故障數據回饋、工況時間占比分析和動拖車空氣制動施加時間分析確定了不同層級評估指標的權重和閾值;構建了層次分析模型,實現了指標級、狀態級、工況級、車輛級、列車級的中繼閥性能評估。相比現有中繼閥性能評估方法,本文提出的方法能夠實現實時、在線、連續評估,并可記錄中繼閥性能隨使用時間的變化趨勢;方法具備良好的規模性和同步性,可同時對已運用的產品進行性能評估;在評估時僅采用現有數據,無需額外的設備、軟件和操作流程,具備良好的經濟性;分級層次架構可以實現不同層級的性能評估,且指標權重采用故障導向,性能指標與功能密切相關,符合現場運用和檢修需求。更新模型還可以提升制動缸壓力的控制精度。