基于故障树高速动车组空调泄压模式失效故障的分析及优化

胡明广 薛 源

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）

针对运行在中国广袤大地上的高速动车组，因运行线路地势复杂、隧道众多等因素，空调系统不仅是控制动车组温度与气流的一个功能性系统，更是通过压力波保护系统，精确控制新风阀和废排阀的动作来调整车内压力波动，保证动车组过隧道或高速会车时，控制车内压力平衡，防止动车组车内压力波动过大导致乘客耳鸣及车内风挡变形等问题。空调系统不仅影响乘客乘坐舒适度，也影响动车组运行安全[1]。因此，逻辑与功能完善的压力波保护系统对高速动车组运行安全性与乘坐舒适性意义重大。

1 空调压力波系统原理及组成

为避免高速动车组进出隧道或高速会车时产生的车外压力急剧波动传递到车内，引起车内压力突变，导致乘客耳鸣，高速动车组设置车内压力保护装置，用于抑制车外压力波动向车内传递[2]。

1.1 压力波系统组成

压力波保护系统由压力波控制器、压差传感器、新风阀及废排阀组成[3]。其中压力波控制器安装在头尾车，是控制各车厢新风阀及废排阀的中枢机构。压差传感器安装在头尾车两侧，用来检测动车组车外压力的变化。各车空调机组两侧混合腔处各设2组新风阀，废排装置中设置1组废排阀，为压力波控制系统的执行机构，如图1所示。

图1 空调及压力波控制系统组成

1.2 压力波保护原理

当头尾车检测车内外压力变化达到压力波控制器预设的压力波保护动作条件时，压力波控制器驱动各车厢新风阀及废排阀关闭，保证客室内气压的相对稳定[4]。当车内外压差满足预设的压力波保护取消条件时，压力波控制器会撤销压力波保护信号，打开各车厢新风阀及废排阀，实现动车组车内与车外的换气功能。为避免过长隧道动车组车内外压差累积，导致压力波阀打开时车内压力波动大而引起旅客耳鸣，车内压力波保护系统设置泄压模式，由各车厢空调控制器控制新风阀及废排阀动作缓慢进行压力泄放，降低车内压力突变对乘客的影响，进一步提升乘坐舒适性。

1.3 泄压模式控制

为避免过隧道时车内外压差累积导致开阀时车内压力波动较大，车内压力保护系统设置泄压模式，通过非主控端车辆压力保护阀间歇性动作进行泄压，平衡车内外压差，具体逻辑如下。1）进入条件（满足任何一条执行泄压）。条件1为压力波保护状态持续达到10min。条件2为车辆处于压力波保护状态，且车速降至190km/h以下。2）泄压控制。采用非主控端车辆进行泄压，满足泄压条件后，各车厢空调控制器控制屏蔽压力波继电器（后面简称KA9继电器）得电。头尾车KA9继电器得电后压力波贯通线失电。中间车KA9继电器得电后将屏蔽列车贯通线信号，各压力保护阀由本车空调控制器控制。3min内非泄压车厢保持各压力保护阀均关闭，泄压车厢进行分档泄压。3min结束后，全列压力保护阀强制分时分车打开1min。泄压模式控制原理如图2所示。

图2 泄压模式控制原理示意图

2 泄压模式失效的故障树分析

2.1 故障树分析法

故障树是一种倒立树状逻辑因果关系图[5]。故障树分析主要用于研究产品的可靠性，通过分析造成产品失效的可能因素，包括硬件、软件和使用环境等，画出故障树，从而推断出产品发生故障的原因，对故障的诊断及维修具有重要的指导意义[6]。故障树分析步骤如下：1）对系统中各个部件的详细情况深入了解，界定部件原理和部件之间的逻辑关系。2）提取故障数据或指标，收集、整理、筛选并统计相关指标数据，确立顶事件。3）分析顶事件发生原因，根据研究系统组成结构不断细分，找出能够引起顶事件发生的全部底事件。4）定性分析或定量分析。定性分析的目的是为了找出故障树的最小割集，最小割集表示引起顶事件发生的所有故障状态。定量分析是在定性分析的基础上，对顶事件的组成部件重要度、薄弱度进行计算等。

2.2 泄压模式失效故障树分析实例

当高速动车组在具有长隧道及高海拔的西成线运行时，经常误报控制柜火警故障。该文通过分析故障车厢空调装置发现，每次发生烟火报警故障时，动车组均处于泄压模式，并且故障车厢的压力波保护阀被强制异常打开。分析故障车厢烟火装置数据发现，控制柜火灾探测器检测的烟雾浓度值波动较大且超过报警阈值，卫生间及交流柜位置火灾探测器检测的烟雾浓度值存在明显波动（说明火灾探测器基于光散射原理设计，报警触发源通常包括燃烧烟尘、乘客抽烟、清洁喷雾、厨房炊烟、空气清新剂、热水水汽和烟尘粒子等）。故障车厢火灾探测器烟雾浓度变化趋势如图3所示。

图3 压力波异常打开车厢烟雾浓度趋势图

通过分析执行正常泄压车厢的空调装置数据发现，压力波保护阀间歇性开闭，动作正常。分析烟火装置数据发现，控制柜、卫生间及交流柜位置火灾探测器检测的烟雾浓度值均存在小幅波动。正常车厢火灾探测器烟雾浓度变化趋势如图4所示。

图4 正常泄压车厢烟雾浓度趋势图

为诊断空调泄压模式失效的根本原因，根据动车组空调压力波控制系统组成、泄压模式控制逻辑及相关部件的失效模式，以泄压模式失效事件作为顶事件，建立泄压模式失效的故障树模型，利用下行法求解故障树的最小割集。泄压模式失效的故障树模型如图5所示。

图5 泄压模式失效的故障树模型

根据数据分析及对动车组的检查情况，初步可排除压力波保护阀故障、空调控制器供电异常、压力波控制器软件缺陷、压力波控制器硬件故障、压力波传感器故障以及压力波贯通线路故障。

通过搭建试验台对空调控制器及KA9继电器进行测试，发现动车组不同车厢空调控制器接收到列车网络发送的速度信号不同步，时间差最大为516ms。试验台测试数据见表1。

表1 试验台测试数据

当头尾车先于中间车获取车速小于190km/h的信号时，头尾车KA9继电器得电，导致全列压力波贯通线信号无效。中间车因压力波贯通线信号无效，不满足进入泄压模式条件。此时，压力波保护阀被强制打开，车内负压时外界灰尘倒灌车内，最终导致火灾探测器误报烟火报警故障。

3 泄压模式控制逻辑优化

3.1 泄压模式逻辑缺陷分析

压力波贯通线信号通过硬线采集，列车速度数据由TCMS通过空调控制器MVB网卡转给控制器，由于控制器硬件处理数据速度比网卡慢，数据传递、处理存在细微误差，因此不同车厢空调控制器接收速度信号的时间存在微小差异。当前动车组根据列车速度进入泄压模式的逻辑如图6所示。

图6 根据速度进入泄压模式的逻辑框图

根据上述分析，当前泄压模式逻辑存在缺陷，即当首尾车较中间车优先接收车速小于190km/h的信号时，全列压力波贯通线信号无效，中间车无法正常进入泄压模式。

3.2 泄压模式实施策略优化

基于对动车组空调泄压模式逻辑缺陷的研究和对各车厢空调控制器接收190km/h速度信号时间存在差异性的研究，该文提出首尾车较中间车延时进入泄压模式的方案，确保中间车早于头尾车进入泄压模式，解决头尾车先进入泄压模式后屏蔽压力波信号，导致中间车不能正常关阀的问题。

根据列车网络传输协议要求，网络信号传输数量级均为毫秒级，并且试验台测试不同车厢空调控制器接收到列车网络发送的速度信号时间差最大为516ms，提出合理的优化方案，即在满足泄压条件时，头尾车较中间车延时2s进入泄压模式。

4 泄压模式优化方案验证

为验证动车组实施空调泄压模式策略优化的效果，对比分析大量西成线路运行动车组空调装置数据，统计出动车组每运行10万km空调进入泄压模式失效的次数（每车厢失效1次计为1，多车厢失效累计统计），进而得出空调泄压模式失效的概率，以此来量化评判空调泄压模式优化升级的效果。详细统计及计算结果见表2。

表2 空调泄压模式优化前、后对比数据

通过分析动车组运行在汉中至鄠邑区间空调数据得出，空调泄压模式优化前失效的概率为0.076，空调泄压模式优化后失效的概率为0，提高了动车组空调系统使用的可靠性。

5 结论

首先，通过对动车组空调装置及烟火装置进行数据分析，当动车组内外压差较大时，火灾探测器检测的烟雾浓度值与压力波保护阀开启存在正相关的关系，判断空调泄压模式失效是导致烟火误报警的根本原因。

其次，基于故障树分析法建立空调泄压模式失效的故障树模型，利用下行法求解故障树的9个最小割集，并根据数据分析及地面试验，诊断出空调泄压模式失效的根本原因为空调控制器软件缺陷。

再次，通过对列车处于压力波保护状态且车速降至190km/h以下进入泄压模式的逻辑进行深入分析，结合空调控制器接收到列车网络发送的速度信号不同步试验研究，完成动车组空调进入泄压模式逻辑的优化。

最后，通过对优化前、后动车组在汉中至鄠邑区间运行时空调数据进行分析，并进行空调泄压模式软件升级，降低了泄压模式失效的概率，提高了动车组空调系统使用的可靠性。