如何避免最常见的公共汽车/客车跪着故障

概述

跪式模块正迅速成为无障碍车辆设备的核心。这一趋势始于1991年《美国残疾人法案》（ADA）的通过。在《残疾人法案》之前，约40%的交通工具可供残疾人使用。如今，车队所有者50%以上的车辆（如公共交通部门和学区）必须符合该法案第二章的规定，该章解释了公共交通服务受影响的程度以及交通部（DOT）将如何监管要求。到2012年，这些供应商车队中100%的车辆必须可供残疾人使用（符合小企业定义的供应商除外）。因此，客车原始设备制造商要求这些模块耐用、紧凑、重量轻，同时能够承受恶劣的环境。从功能上讲，模块必须能够根据需要为气囊放气，并快速降低客车，以便于乘客进入。相反，模块必须以相似的速度给安全气囊充气，使公交车能够恢复预定路线。跪式模块设计用于OEM安装在新车上，并用于改装旧款车型。

图1：跪式模块的气动回路-单个跪式模块中的集成阀提供了一个紧凑的单元，具有较少的管道和配件。

必须进行广泛的测试，以确保膝盖模块足够可靠和耐用，以满足客车行业的需求。一个典型的公交车跪式应用程序可以看到一个模块安装在纽约市公交客车的外露底部，在气温达到极端负度的冬季条件下，每天有数百个站点停靠。如果跪姿模块未能按要求执行，则会导致不必要的时间延迟，乘客在进出公交车时会遇到不必要的困难。如果情况严重，乘客可能会因身体限制而被拒绝上车，这需要跪下。本白皮书介绍了有关公交车跪下的最常见故障模式类型，以及这些故障的原因，因此需要将哪些设计考虑纳入跪下模块，以防止发生这些故障。广泛的测试说明了这些设计标准如何在各种恶劣条件下确保最佳性能，同时通过最大限度地减少组件故障来保持模块的耐久性和可靠性。

失效模式及原因

什么是失败？如果产品或系统在性能、服务和/或质量方面没有达到或超过客户的期望，则会导致产品故障。跪式模块最常见的两种故障模式是生命周期故障和泄漏故障。生命周期故障是指产品未按承诺执行。这是最极端的故障模式。由于性能持续不一致，许多交通部门和车队将禁用车辆的跪下功能。出现这种故障模式的原因多种多样，从电磁阀故障、提升阀或滑阀未移动到弹簧断裂。在发生泄漏故障的情况下，产品继续运行，但由于系统泄漏而浪费了过量空气。由于缺乏严重性，这被视为次要故障模式。泄漏故障可能会导致泄漏点产生过大噪音，或者通常是由于空气压缩机以高于正常循环率的速度运行以维持空气系统压力而产生过大噪音。噪音污染不仅是司机和乘客的问题，更重要的是，能源浪费通过更频繁的维护和过度运营造成的停机时间，增加了公交车主的运营成本。应注意，持续时间较长的泄漏故障通常会升级为更严重的生命周期故障。

跪式模块故障的三个最常见原因——无论是寿命周期还是泄漏——是温度、污染和振动。以下部分详细介绍了这三个主要的故障原因，以及通过并行比较多个模块来模拟这些实际应用程序而进行的一系列测试的摘要重点。

温度引起的故障

公交车原始设备制造商和最终用户（如车队所有者）最关键的跪式模块性能要求是在广泛的温度范围内正常工作。高温和低温都会导致故障。高温会导致密封件过快软化和磨损，从而导致寿命周期失效。如果模块温度超过100°C，也可能因过热而导致电磁阀故障。然而，低温是泄漏和寿命周期故障的最常见原因，因此是设计模块的更关键因素。

膝盖系统必须能够满足-40°F（-40°C）下的行业标准性能要求。当温度达到极端负度时，密封件将开始硬化并粘住，导致出现“无位移”故障模式。当密封件硬化时，它们也更容易在阀门运行时被切断，从而导致泄漏故障。最终，损害将非常严重，导致生命周期失效。由于极端寒冷导致的密封收缩也会导致阀门无法正确密封，从而导致泄漏故障。

操作跪式模块的空气系统中未正确安装和维护干燥器也可能导致生命周期故障。当温度降至32°F（0°C）以下时，空气管路中的水会冻结，并导致模块的内部部件不再工作，因为它们已冻结在一起。无论跪式模块能否在极端温度下运行，都必须提供（并维护）一个有效的系统来干燥系统的压缩空气。除非从压缩空气中除去水分，否则它将在管路中冷凝为液态水，并在冻结时造成管路和部件损坏。即使没有发生冻结，压缩空气流中的水也会冲走气缸和阀门中所需的润滑剂，从而导致设备故障和部件过早失效。

许多跪式系统制造商声称，他们的产品将在极端温度下运行，特别是-40°F。问题是性能如何？唯一确定的方法是进行一系列低温/高温耐久性测试，以最好地模拟模块在运行期间将暴露于的真实环境。该试验在10个跪式模块上进行。

测试方法–使用10个跪式模块，进行了24次温度测试。本试验使用了六个3站24VDC和四个4站24VDC装置。当每个模块的供气口有100 psi的空气、连接至右侧安全气囊和调平阀端口的6.5立方英寸容积室和连接至左侧安全气囊和调平阀端口的3立方英寸容积室时，在以下条件下测量泄漏试验：

• 室温
• 低温和高温剖面；带或不带烘干机
• 在不同温度下进行为期6至8天的循环试验
• 不同温度下的粘着试验

这种极热温度循环模拟夏季运行。

此极冷温度循环模拟冬季运行。

如前所述，图3所示的高温剖面用于模拟夏季运行。图4所示的低温剖面用于模拟24小时内的冬季运行。温度范围为-40华氏度（-40摄氏度）至158华氏度（70摄氏度）。每个模块的所有供应端口均连接至分配歧管，以允许流量计单独检查总泄漏。使用可编程逻辑控制器（PLC）对模块的排气进行计时，以将腔室内的空气压力峰值降至最低。PLC编程为在正常测试期间自动循环模块，或提供手动控制，以便激活单个电磁阀进行泄漏检查。

用于试验的循环率为每分钟34次循环，试验持续时间等于20年的强化运行：计算2102400次循环；假设每五（5）分钟进行一（1）次完整的跪下循环，持续时间为20年。下图5所示为循环试验的剖面图，因为模块连续暴露在夏季或冬季剖面中。在整个生命周期测试期间，这两个季节性剖面每周交替进行。

四工位机组的运行周期：

• 电源，左侧和右侧安全气囊电磁阀全部接通-
• 电源，左侧和右侧安全气囊电磁阀全部关闭-
• 排气、左、右安全气囊电磁阀全部接通-
• 排气、左右安全气囊电磁阀全部关闭-

三工位机组的运行周期：

• 电源，左侧安全气囊电磁阀均接通-
• 电源，左电磁阀均关闭-
• 排气，左侧安全气囊电磁阀均接通-
• 排气，左电磁阀均关闭-

测试结果–在室温下，当电磁阀断电时，所有测试模块均无泄漏-总线的正常行驶模式。在加注安全气囊时，所有模块也无泄漏。在安全气囊排气阶段，一个4工位模块由于在800000个循环点（约8年）出现o形圈故障而过度泄漏。冷粘和热粘试验完成后，随着温度的升高，所有模块均无泄漏。所有模块在低温测试期间继续运行，但出现了过度泄漏。随着试验的进行，大多数低温泄漏在温度升高时停止。过模提升阀（图6）以及提升阀o形圈的磨损最小。在试验完成后进行进一步检查后，发现失效的o形圈是由于产品的成型缺陷造成的，而不是循环试验的结果。

图6:200万次循环后，从跪式模块上拆下过模提升阀

由污染引起的故障

虽然不像温度那样严重，但污染也是公共汽车和客车跪式系统故障的主要原因。天气和环境条件的污染会对跪式模块的外部和内部组件造成损坏和潜在故障。模块的外部污染最终可能导致泄漏故障。污垢、灰尘、水、盐、岩石和其他碎屑会对跪式模块造成广泛损坏。因此，设计一个保护模块免受这些恶劣因素影响的系统至关重要。内部腐蚀通常由来自压缩机的水和/或油的污染引起。这种类型的污染通常会导致更严重的生命周期故障。如上所述，如果系统不使用干燥器来控制模块部件和空气管路中的水分积聚，如果水冻结或冲走确保模块正常工作所需的润滑剂，则可能会造成损坏。来自空气系统其他部件的机油也可能导致模块损坏。当机油与不同的内部成分发生反应时，就会发生这种情况。海豹遭受的破坏最为严重。化学反应会严重损坏密封件，从而缩短跪式模块的使用寿命。

测试方法–在这一系列测试中，使用了四个跪式模块来测量模块在导致污染和腐蚀（外部和内部）的环境中的性能。对这些模块进行的具体测试如下：盐雾试验和油和水分注入试验.

在盐雾试验，四个跪式模块被放置在盐雾室中。试验箱充满5%的盐和水溶液。在整个试验过程中添加了湿度和热量。模块在盐混合物中浸泡200小时，完成测试后，最后一次进行功能测试。第二次盐雾试验也在相同的试验条件下进行，但特别是在跪下模块电磁阀上。为了在测试期间将电磁阀与模块的其余部分隔离，第二次测试使用使用相同电磁阀技术的运输额定直列电磁阀。

执行注油注湿试验，四个跪式模块从润滑器下游连接。将油/水分混合物以每小时3 cc的速率注入每个模块。然后，以每分钟18个周期的速度连续循环模块48小时。在最初的48小时后，使用上游流量计测试模块的全功能能力，以及所有可能的全系统泄漏。

测试结果–在第一次200小时盐雾试验后，所有四个跪式模块功能正常。每个单元的电磁阀和钢管配件周围都有一些氧化；但铝零件或内部组件上没有氧化（见图7）。第二次试验的结果表明，在500小时盐雾试验后，电磁阀和电磁阀先导操纵器仍在运行。浸泡试验完成时，电磁阀安装螺钉严重氧化。参见下面的图8。

图7：盐雾试验后的膝盖模块

图8：在先导操作员和线圈上进行的盐雾试验

油和水分注入试验比盐雾试验要求更高。在整个测试过程中，四个跪式模块中的两个功能正常，但其余两个单元在循环14小时后停止工作。然而，在循环结束时，所有四个单元都正常工作，没有泄漏。无法确定两台机组未能循环整个试验的原因。

振动引起的故障

振动是跪式模块泄漏和寿命失效的第三个主要原因。如果未正确设计到产品中，紧固件、弹簧、连接器、配件和其他部件可能会因振动力而振动松动、断裂或一般部件故障。

测试方法–四个4站模块安装在垂直轴上。使用四个螺栓将模块连接到夹具上；施加了120 in-lbs的扭矩。进行五（5）分钟共振扫描以确定峰值频率（2Gs时为10-2500Hz），然后在此频率下进行100000次循环的耐久性试验。然后对水平轴和横向轴重复这些程序。见下表1。

测试结果–所有四个模块均经过测试，且所有电磁阀在每次测试后均能正常工作。此外，四号模块在每个轴上受到额外冲击和随机振动。在每个外形之后，检查电磁阀的功能。试验按以下顺序逐轴进行：共振扫描、耐久性、功能检查、冲击试验、功能检查、随机振动和最终功能检查。每走一步，木块都能正常工作。使用车间空气（标称90 psi）进行功能检查。手动循环电磁阀，以允许对任何故障进行声音检测（图9和图10）。打开模块上的供应阀，检查左阀，然后检查右阀。然后打开排气阀以释放截留的空气。

加速度剖面图（图10）

一个膝盖模块设计的可靠性和耐用性

在仔细检查了用于每个系列测试的所有模块后，以下列出了直接促成上一节讨论的成功结果的关键设计考虑因素。

单件阳极氧化体–该模块的关键组件是整个设计的核心。跪式模块的阳极化机身，以及其他内部铝组件，使其能够承受恶劣环境。在制造过程中，这些模块所经历的阳极氧化过程直接影响了测试模块的大部分成功。其他意见-精密加工的内部零件以及专为运输业设计的不锈钢回位弹簧也有助于测试的成功，并最终确保了现场的长使用寿命。单体设计允许从一个组件灵活构建三个或四个站模块。两个版本的单块设计也导致了相同的螺栓孔模式和测试设置连接。因此，由于部件、连接件和管道较少，现场组装的人工成本可以降低。与多个阀门组件相比，更少的连接意味着更少的泄漏路径，需要购买的组件也更少。模块尺寸也是一个额外的好处，因为它很容易适应狭小的空间。此外，该模块的设计使组件可以在必要时轻松更换。

过模压提升阀设计–虽然列在第二位，但这一关键设计点肯定与第一位同样重要，如果不是更重要的话。跪式模块的寿命和性能几乎完全取决于该部件的性能。提升阀的设计和制造质量既会影响寿命周期失效模式，也会影响泄漏。提升阀组件也是受所有三种故障模式原因（温度、污染和振动）影响最大的部件，因此，在进行的所有试验中，提升阀组件是受影响最大的部件。观察结果-这种低温化合物、精密研磨提升阀设计与滑阀设计相比，更适合恶劣环境。阀门上使用了一种特殊的模压橡胶，适用于-40°F至+158°F的低温和高温应用。由于阀门设计的部件较少，因此可能出现的故障模式也较少。性能方面-与观察到的其他模块相比，阀门的较高流速允许总线以更快的速度上升和下降。

低温动态O形圈–这些密封件与低温润滑脂配合使用，可使模块在恶劣运输环境中以最佳水平运行。如前所述，两个动态o形圈以及精密研磨提升阀是确保模块能够承受极端温度和腐蚀环境的最关键内部部件。

排气保护器–这些装置的作用类似于止回阀，因为它们允许在系统排气过程中不受限制的气流，但也防止空气和更重要的外部污染物（如灰尘、污垢、盐、水和雪）返回阀门。

运输级电磁阀和先导操纵器–如盐雾测试部分所述，该模块和另一个运输额定直列阀上都使用了相同的先导操纵器和移动电磁阀（22 mm密封圈，带18”飞线）。电磁阀和先导操纵器的额定温度均为-40°F至+158°F（-40°C至+70°C），电压特性为额定电压的+/-30%。此外，先导操纵器的坚固性可通过其最大压力额定值232 psig（16 bar）来证明。

结论

尽管任何受控环境测试都无法取代现实世界中的应用程序测试，但上述一系列测试的严重性表明，随着运输业的持续增长，向原始设备制造商提供的产品的性能水平需要以类似的速度提高。因此，OEM巴士公司和车队所有者正在寻找专门从事运动控制系统的公司，尤其是运输行业，以开发性能优越的更好的产品，从而简化安装、减少维护要求和零件库存，以及，采用考虑空间限制的设计。manbetx客户端12-5下载

有关本白皮书中引用的产品的更多信息，请访问www.parker.com/pneu/kneeling