动车组中继阀性能在线评估方法研究

王 鹏,蔡 田,韩朝霞,高 放,华 皛

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所,北京 100081;2.北京纵横机电科技有限公司,北京 100094)

中继阀是动车组空气制动系统的核心气动部件之一,它根据输入的预控压力输出制动缸压力,在制动系统中起到压力变换和流量放大作用。中继阀的性能对动车组制动控制效率和安全具有重要影响[1-3],高效、可靠、稳定的压力转换关系能够保证优良的制动缸压力控制精度。中继阀性能下降时,将导致施加的制动缸压力超过范围,施加和缓解时间异常,并易出现摩擦制动不施加、不缓解等相关故障,需切除故障车的空气制动限速运行,影响动车组的运营效率和安全。随着复兴号动车组运用时间的推移,中继阀的性能相比出厂时的性能会发生衰减,不同批次、不同个体间的性能也不尽相同。为了提升动车组运用的安全性和可靠性,如何掌握中继阀的实时性能,根据当前性能调整控制参数,并在性能评估结果的基础上对相关故障发生的可能性进行实时预测,成为制动控制系统部件故障预测与健康管理的研究重点。

目前动车组中继阀的性能评估方法多采用仿真[4-6]或离线试验[7-9]方式。仿真法使用AMESim等软件建立中继阀的气动模型,通过改变弹簧刚度、活塞组件质量、节流孔及管路尺寸等组成元件的参数,模拟不同的充排风工况来预测中继阀的性能[10-11]。离线试验法通常需要搭建专有的试验设备进行气密性试验、阶段充排风试验等,以评估中继阀的性能[12-13]。这2种方式虽然能够得出评估结果,但均为离线、静态的方式。由于动车组实际运营中更加关注中继阀的可靠性和有效性,因此需要进行在线、连续、长期的评估,并在发现性能衰退或异常时及时作出处置。上述方法难以对中继阀进行准确的性能评估,不能对实际运营车辆做出评判,无法实现动车组制动系统部件的在线故障预测与健康管理。

本文在电子制动控制单元(Electronic Brake Control Unit,EBCU)内部构建了中继阀的离散模型,通过采集动车组运行过程中中继阀输入输出压力数据对模型参数进行了更新,定义了层次化的性能评估框架并实现了不同级别的中继阀性能评估,能够实时掌握中继阀的服役性能。

1 中继阀离散模型

1.1 输入输出关系

中继阀在制动系统气路中的符号如图1所示,图1中箭头代表气体的流动方向。输出C压力(制动缸压力)是按照一定比例根据输入Cv压力的变化而变化的,两者间比例值可以通过T压力进行高低切换。当动车组高速制动时,T口有输入压力,此时C口输出较低的制动缸压力,以保证制动力不超过黏着极限,降低高速时的制动功率。由于阀芯复位弹簧的存在,在压力上升和下降过程中,输入Cv压力相同时,输出C压力会存在一定差值(即中继阀存在迟滞特性)。因此,中继阀输出C压力Pc与输入Cv压力Pcv之间的关系在制动控制软件中可以由线性拟合集合{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}分别表示高压力/上升、高压力/下降、低压力/上升、低压力/下降4种工况的拟合斜率和截距。

图1 中继阀在制动系统气路中的符号

1.2 在线参数更新

由于高压力/上升、高压力/下降、低压力/上升、低压力/下降4种工况下中继阀的离散模型更新方法相同,因此,本文以高压力/上升工况为例进行说明。

(2)

1.3 参数存储和高精度预控压力获取

为实现性能的连续跟踪,EBCU内部的中继阀离散模型需要进行存储和连续调用。当动车组初上电时,系统将根据读取的动拖车类型自动调用上一次存储的模型,若更换了相关板卡,则将重新初始化为默认值。当EBCU检测到司机室退出占用后会将模型参数及时存储,以备动车组下次运行时调用。

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

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2 性能定义和评估

2.1 性能定义

对中继阀的性能进行评估,首先需要对性能进行定义。中继阀在制动系统气路中的功能为压力变换和流量放大,其性能应描述为完成相关功能的效率。效率的通用描述为反应时和正确率,这2个指标的评估需要使用动态和静态结合的方法。因此,中继阀的性能在本文中定义为完成Cv压力至C压力变换过程中表现出的动态和静态性能,其评估采用层次的多指标结合的架构。

2.2 层次评估架构

本文的中继阀性能评估架构由指标级、状态级、工况级、车辆级和列车级5个层次构成。下一级指标的评估值由本级指标通过权重计算获得。指标级由4个静态指标和3个动态指标构成;状态级由静态级和动态级构成;工况级由静态工况级和动态工况级构成;每辆车的车辆级指标由工况级指标合成;每列车的列车级指标由该动车组所含车辆的车辆级指标合成。中继阀性能的层次评估架构如图2所示。

图2 中继阀性能的层次评估架构

2.2.1 指标级

指标级为层次评估架构中最基本的层次,由4个静态指标和3个动态指标构成。

中继阀性能评估的静态指标包括拟合斜率、拟合截距、拟合均方误差和异常点比例。拟合斜率反映了动车组中继阀的C口是如何根据Cv口输出压力的,中继阀工作在高/低压力输出时,应满足C压力可用区间的拟合斜率,此时符合设计要求。当拟合斜率偏离正常值过多则说明中继阀性能下降或偏离设计初衷;拟合截距反映了中继阀滞回曲线的特性,当充风阶段的拟合截距变大时,说明需要更大的Cv压力才能输出指定的C压力,易出现制动不施加或制动力不足的故障;当排风阶段拟合截距变小时(负值),说明当Cv压力减少时,C压力减少的速率下降,在缓解时易出现制动缸残压;拟合均方误差反映了中继阀内部组成元器件的可靠性程度。有效、高性能的中继阀应具有更高的线性度,均方误差过大则说明在较小Cv压力变化区间内,对应C压力的变化幅度过大且不可预知,这将对制动缸压力控制的精度产生不利影响;异常点比例反映了中继阀发生短期失效带来性能下降的可能性。过高的异常点比例则提示中继阀可能出现阀芯卡滞、橡胶模板变形、密封圈断裂等元器件失效现象,使制动系统的可靠性降低。

中继阀性能评估的动态指标包括动车组紧急制动(Urgent Brake,UB)时的制动缸压力差时间比、动车组UB缓解时的制动缸压力差时间比和动车组中继阀的输出压力波动次数。动车组UB施加时的制动缸压力差时间比反映了施加过程中中继阀动态响应性能的优劣。更高的压力差时间比说明C压力能够更快达到目标值,使动车组的紧急制动距离减少。计算压力差时间比时应从Cv压力达到目标误差值内开始记录,且满足初始压力为0;动车组UB缓解时的制动缸压力差时间比反映了紧急制动缓解过程中中继阀动态响应性能的优劣。缓解时,初始压力与目标压力之差与缓解时间的比值越大,说明C压力能够更快地排空,缩短动车组制动缓解过程的时间。计算缓解时的压力差时间比时应满足记录截止时的制动缸压力为0。输出压力波动次数指中继阀的Cv压力、R压力和T压力恒定时的C压力的波动次数,该指标反映了中继阀内部部件的异常活动。由于闭环控制的存在,当波动过大时,制动控制软件将调节Cv压力使C压力回归目标值,因此波动的定义为:2次C压力稳定时刻的时间间隔小于等于5 s且波动压力差pflu满足3 kPa≤pflu≤5 kPa。

静态和动态指标Isd的范围为0～1,计算方法如式(4)所示。其中Tfc表示根据当前更新模型计算出的指标值;Tfi表示中继阀出厂测试时测得的指标值,此时中继阀的性能评价指标值为1;Tff表示认为该指标性能衰退至失效时的指标值,此时中继阀的性能评价指标值为0。

(4)

2.2.2 状态级

状态级分为静态级和动态级评估结果,其中静态级评估结果由4个静态指标合成,动态级评估结果由3个动态级指标合成。静态级与动态级评估结果Cs与Cd的计算方法如式(5)所示,其中{Ik,Ib,Ie,Ir,Ipt,Irel,Iflu}为由式(4)计算的指标拟合斜率、拟合截距、拟合均方误差、异常点比例、紧急制动施加时的制动缸压力差时间比、紧急制动缓解时的制动缸压力差时间比及输出压力波动次数的指标值,{wk,wb,we,wr,wpt,wrel,wflu}为对应的指标权重。

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

(5)

2.2.3 工况级

工况级分为静态工况级和动态工况级,其中静态工况级评估结果由静态级评估结果根据权重合成;动态工况级评估结果与动态级评估结果相等。

动车组在常用制动施加/缓解时,中继阀工作于高压力/上升、高压力/下降、低压力/上升与低压力/下降4种工况。由各个工况下的静态级评估结果根据式(6)确定动车组的静态工况级评估结果Csc,其中{thu,thd,tlu,tld},{Cshu,Cshd,Cslu,Csld}分别为评估时间段内高压力/上升、高压力/下降、低压力/上升、低压力/下降工况的时间占比和静态级评估结果。

Csc=thuCshu+thdCshd+tluCslu+tldCsld

(6)

2.2.4 车辆级

车辆级评估结果Cvehicle由工况级评估结果合成,具体如式(7)所示。其中esc与ed分别为专家确定的静态工况与动态工况权重。

Cvehicle=escCsc+edCd

(7)

2.2.5 列车级

中继阀性能的列车级评估结果由车辆级评估结果合成。由于动车正常制动过程中可以使用电制动,其空气制动作用时间要比拖车小。此外,单一车辆可能出现制动切除等故障情况,因此动车组中每辆车的空气制动使用时间均不相同,含有由u辆单车组成的列车级评估结果Ctrain由式(8)表示。其中ti与Cvehicle-i分别为第i辆车的空气制动使用时间占比与该车的车辆级性能评估结果。

(8)

2.3 评估权重更新

在进行状态级评价时,由于中继阀运用初期实际性能变化情况的可观测数据较少,因此静态指标和动态指标对状态级权重的初始值由专家确定。为反映中继阀性能与故障之间的关系,本文在实际运用一定时间后以故障数据为依据对静态指标和动态指标的权重值进行更新,可增加合成静态/动态级评估指标时的有效性,提升性能评估的可信度。假设制动系统故障列表中存在m个与4个静态指标和3个动态指标相关的故障{f1,f2,…,fm},这些故障的出现次数分别为{n1,n2,…,nm},专家通过层次分析法(AHP)确定的4个静态指标和3个动态指标相对第i个故障的重要程度值分别为{vsi1,vsi2,vsi3,vsi4},{vdi1,vdi2,vdi3},则由故障数据确定的4个静态指标中任意一个对于静态级评估的权重wsj(1≤j≤4)和3个动态指标中任意一个对于静态级评估的权重wdt(1≤t≤3)由式(9)表示:

(9)

当n1=n2=…=nm=0时,wsj=wsje为专家通过AHP法确定的第j个静态指标初始权重,wdt=wdte为专家通过AHP法确定的初始第t个动态指标权重,当满足min{n1,n2,…,nm}≥1时,采用故障数据确定的权重,其中i满足1≤i≤m。

3 验证

下载复兴号动车组实际运行中的制动施加/缓解过程相关工况和故障数据,将其导入8编组复兴号1∶1实物测试试验台中对模型进行验证,该试验台使用了与实际运营车辆完全相同的EBCU和气动部件,可以完全复现实际制动过程中的所有工况,如图3所示。

图3 制动系统1∶1实物测试试验台

表1列出了每辆车的空气制动使用时间占比和工况时间占比。专家给出的静态工况与动态工况权重esc与ed分别为0.55与0.45。

表1 空气制动使用时间占比和工况时间占比 %

表2列出了每辆车的指标级评价结果及对状态级的权重,其中部分车辆权重是由摩擦制动施加故障(520D)和摩擦制动缓解故障(520E)重新确定的。

表2 每辆车的指标级评价结果及对状态级的权重

根据表1与表2的结果以及式(5)～式(9)计算出的状态级、工况级、车辆级、列车级的评价结果如表3所示。可见,静态工况级评价时,7车中继阀在低压力/下降工况具有最佳性能,在低压力/上升工况性能较差;动态工况级评价时,2车中继阀性能最好,7车中继阀性能最差,该结果与车辆级结果相同;全列中继阀的性能评价结果为0.945。维保人员可根据不同级别的性能评价结果对全列中继阀进行针对性的检修或更换。研究人员可根据性能评价结果指定性能评估等级,开展进一步的分析。

表3 状态级、工况级、车辆级、列车级的评价结果

图4为某中继阀在高压力/上升工况下的原始输入输出关系(蓝色线段)和根据更新模型获取的当前输入输出关系(红色线段)。其中出厂测定的原始输入输出关系以斜率和截距的方式存储于EBCU中。通过更新模型则可以反映每个C压力设定值区间下对应的实际Cv压力,精确获得当前中继阀在压力可用区间的输入输出关系并依此输出预控Cv压力。

图4 原始/当前输入输出关系

图5为复兴号动车组制动缸压力控制过程(按级位上升)相关压力变化记录,图6为在图3所示试验台中以1.3节方法进行制动缸压力控制过程(按级位上升)相关压力变化记录。在图5和图6中,红色实线、红色圆点线、蓝色实线和蓝色圆点线分别为预控Cv压力设定值、预控Cv压力实际值、制动缸C压力设定值和制动缸C压力实际值。由于长期运用,中继阀的输入输出关系发生变化,仍采用出厂理论输入输出关系进行控制时,即使Cv压力控制精度满足要求,C压力设定值与实际值之间(蓝色实线与蓝色圆点线之间)仍存在10～20 kPa的偏差。当按照更新模型输出的Cv压力设定值进行闭环控制后,制动缸C压力实际值和设定值之间的误差可在±5 kPa以内,有效提升了制动控制的精度。

图5 复兴号动车组制动缸压力控制过程相关压力变化记录

图6 1.3节方法下制动缸压力控制过程相关压力变化记录

4 结论

本文在EBCU内部构建了中继阀的离散更新模型,在此基础上通过专家评判、出厂测试、故障数据回馈、工况时间占比分析和动拖车空气制动施加时间分析确定了不同层级评估指标的权重和阈值;构建了层次分析模型,实现了指标级、状态级、工况级、车辆级、列车级的中继阀性能评估。相比现有中继阀性能评估方法,本文提出的方法能够实现实时、在线、连续评估,并可记录中继阀性能随使用时间的变化趋势;方法具备良好的规模性和同步性,可同时对已运用的产品进行性能评估;在评估时仅采用现有数据,无需额外的设备、软件和操作流程,具备良好的经济性;分级层次架构可以实现不同层级的性能评估,且指标权重采用故障导向,性能指标与功能密切相关,符合现场运用和检修需求。更新模型还可以提升制动缸压力的控制精度。