和諧號(hào)動(dòng)車組風(fēng)源系統(tǒng)及其管理

楊偉君，李邦國(guó)，范榮巍，胡 亮

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

壓縮空氣是動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)的主要工作介質(zhì)，風(fēng)源系統(tǒng)性能直接關(guān)系到各用風(fēng)系統(tǒng)的功能和壽命。8輛編組的CRH3動(dòng)車組風(fēng)源系統(tǒng)由主風(fēng)源系統(tǒng)和輔助風(fēng)源系統(tǒng)組成。主風(fēng)源系統(tǒng)位于IC03車和IC06車的車下，每套主風(fēng)源系統(tǒng)主要包括以下組件：SL22－54型空壓機(jī)組、LTZ015.1－H型干燥器、KSA型冷凝水收集器、OEF 2型精密濾油器及相關(guān)輔助設(shè)備。單套主風(fēng)源系統(tǒng)的供風(fēng)量為1 300L／min，輔助風(fēng)源系統(tǒng)主要是總風(fēng)欠壓情況下為受電弓升弓控制提供壓縮空氣。

風(fēng)源系統(tǒng)的管理要體現(xiàn)整車設(shè)計(jì)的思想，應(yīng)該根據(jù)列車的狀態(tài)將風(fēng)源的控制分成幾種模式。

1 風(fēng)源系統(tǒng)功能

8輛編組CRH3動(dòng)車組的主風(fēng)源系統(tǒng)包括兩套風(fēng)源系統(tǒng)，安裝在IC03車和IC06車的車下，負(fù)責(zé)為車輛的制動(dòng)系統(tǒng)、空氣彈簧、升弓控制等裝置提供干燥清潔的壓縮空氣［1］。兩套風(fēng)源系統(tǒng)通過總風(fēng)缸對(duì)整個(gè)系統(tǒng)管路提供壓縮空氣，各個(gè)用風(fēng)單元都設(shè)計(jì)有專用風(fēng)缸，通過管路與總風(fēng)缸及風(fēng)源系統(tǒng)接通。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，車輛壓縮空氣的消耗和供給經(jīng)過計(jì)算，能保證空壓機(jī)的工作效率在30%至100%之間，盡量減少了乳化的發(fā)生。

1.1 風(fēng)源系統(tǒng)組成及性能

風(fēng)源系統(tǒng)主要包括以下部分：SL22－54型空壓機(jī)組、LTZ015.1－H型干燥器、KSA型冷凝水收集器、OEF 2型精密濾油器。

1.2 主要性能指標(biāo)

風(fēng)源系統(tǒng)的主要指標(biāo)詳見表1。

表1 風(fēng)源系統(tǒng)的主要參數(shù)

2 空壓機(jī)組

2.1 空壓機(jī)組特點(diǎn)

（1）風(fēng)源系統(tǒng)空壓機(jī)組設(shè)計(jì)專用于軌道交通車輛的振動(dòng)環(huán)境；

（2）螺桿式空壓機(jī)組旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)部件盡量減少；

（3）最大限度地減少了振動(dòng)和氣流的脈動(dòng)，噪音低。

（4）壓縮空氣的輸出平穩(wěn)幾乎零振動(dòng)；

（5）空壓機(jī)組軸承油封壽命長(zhǎng)，約12 000h；

（6）機(jī)體和油氣桶輕質(zhì)鋁合金鑄造，質(zhì)量輕；

（7）工作周期最高達(dá)100%，最小30%；

（8）聯(lián)軸節(jié)和軸承所承受的動(dòng)載荷較低，磨損少。

2.2 空壓機(jī)組結(jié)構(gòu)說明（見圖1）

空壓機(jī)組主要由空氣壓縮機(jī)機(jī)頭、電機(jī)、框架、電氣控制等部分組成，還包括彈性裝置、保護(hù)裝置、空氣過濾、油過濾、油氣分離器等部件。

空壓機(jī)組包括空氣壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 空壓機(jī)組結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 空壓機(jī)組工作原理

空壓機(jī)組為單級(jí)壓縮，由車上壓力調(diào)節(jié)器控制，空壓機(jī)組為間歇工作模式。

空壓機(jī)組機(jī)頭采用雙螺桿壓縮模式［2］，轉(zhuǎn)子之間的氣體容量隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不斷變化，進(jìn)氣端口打開時(shí)，吸入氣體。兩個(gè)端口均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)被轉(zhuǎn)子遮蔽，空氣被壓縮的同時(shí)還向排氣端口運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子最終打開排氣口時(shí)，壓縮氣體在轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在壓力達(dá)到最大時(shí)排入油氣桶（1.1.1）內(nèi)。

機(jī)頭的壓縮率由兩個(gè)轉(zhuǎn)子的齒形、端口的尺寸及陰陽轉(zhuǎn)子軸間距確定見圖2，圖3。

潤(rùn)滑油注入空壓機(jī)轉(zhuǎn)子嚙合處及轉(zhuǎn)子與機(jī)頭殼體之間間隙，吸收并帶走壓縮空氣過程中產(chǎn)生的大部分熱量。

雙螺桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理避免了所有的往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，將振動(dòng)減小到最低限度，具有運(yùn)行載荷低、噪音低、運(yùn)行安全平穩(wěn)和減少機(jī)械磨耗等特點(diǎn)。

空氣在進(jìn)入空壓機(jī)機(jī)頭（1.3）前需要經(jīng)過空氣過濾器（F）的處理，真空指示器（U）用于指示空氣過濾器濾芯的堵塞程度。

空氣經(jīng)機(jī)頭（1.3）壓縮，進(jìn)入油氣桶（1.1.1）后先碰到隔板（1.1.1.a），大顆粒的油滴碰到隔板后下流至油氣桶底部，經(jīng)過油細(xì)分離器（1.1.4）過濾掉部分潤(rùn)滑油后進(jìn)入冷卻器（1.8）。

圖2 陰陽轉(zhuǎn)子嚙合

圖3 機(jī)頭

低溫時(shí)，潤(rùn)滑油通過油細(xì)分離器（1.1.4）、油過濾器（1.2.7）、溫控閥（1.2）、油管路返回空壓機(jī)機(jī)頭（1.3）。

高溫時(shí)，溫控閥（1.2）打開，使?jié)櫥土飨蚶鋮s器（1.8.a）和油管路返回空壓機(jī)機(jī)頭（1.3）。

冷卻空氣進(jìn)氣外殼（1.9）與蝸殼（1.5）組成可以獨(dú)立支撐的結(jié)構(gòu)。離心式風(fēng)扇（1.6）將冷卻空氣（A4）從冷卻空氣進(jìn)氣外殼（1.9）吸入，經(jīng)蝸殼和擴(kuò)壓器導(dǎo)向，吹過集成冷卻器（1.8）的散熱翅片，冷卻壓縮空氣及潤(rùn)滑油。

總風(fēng)壓力達(dá)到設(shè)定值，空壓機(jī)組斷電停機(jī)，卸荷閥工作，將油氣筒內(nèi)和機(jī)頭前部的壓縮空氣排至空氣過濾器端，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)卸荷至一定壓力以下，進(jìn)氣閥（1.4.3）關(guān)閉，最小壓力閥（1.37）關(guān)閉。

潤(rùn)滑油達(dá)到83℃時(shí)，溫控閥中的恒溫閥閥芯（1.2.2）動(dòng)作，通往冷卻器（1.8.a）的路徑被打開，潤(rùn)滑油會(huì)被送入冷卻器冷卻。溫度開關(guān)（T1）監(jiān)測(cè)機(jī)組內(nèi)溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，空壓機(jī)組斷電停機(jī)。

2.4 空壓機(jī)組其他性能參數(shù)（見圖4、圖5）

（1）空壓機(jī)組最大排氣壓力為1 200kPa，額定排氣壓力為1 000kPa；

（2）壓縮空氣排氣口溫度高于環(huán)境溫度10～15℃；

（3）初次注油量為6～7L；

（4）啟動(dòng)頻率小于30次／h；

（5）潤(rùn)滑油溫度為80℃時(shí)耗油量約為0.5～0.8 cc／h；

（6）根據(jù)ISO2151，SL22－54空壓機(jī)組（未包裝）的聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果如下：

ISO2151測(cè)試距離／m 1 80 聲壓級(jí)LP dB（A）4.6 71 聲壓級(jí)LP dB（A）技術(shù)參數(shù) 備注參考標(biāo)準(zhǔn)

（7）供風(fēng)能力說明：

圖4 轉(zhuǎn)速與供風(fēng)能力關(guān)系圖

（8）轉(zhuǎn)速在1 750r／min，排氣壓力為1 000kPa時(shí)，功率約為13.6kW；

（9）排氣量說明：轉(zhuǎn)速為1 750r／min時(shí)，空壓機(jī)組的排氣量約1 600L／min，干燥后最終排氣量為1 300 L／min。

圖5 轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系圖

3 空氣干燥器功能及組成

研究表明，系統(tǒng)中的壓縮空氣相對(duì)濕度小于35%的范圍內(nèi)，金屬在含有所謂的刺激性銹蝕物的空氣中也不會(huì)產(chǎn)生銹蝕，所以干燥和清潔的壓縮空氣對(duì)管路系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)非常重要。

LTZ015.1－H型干燥器為無熱再生吸附式干燥器，使用鋁的硅酸鹽顆粒作為工作介質(zhì)。空氣干燥器從空壓機(jī)組輸出的壓縮空氣中吸收水和部分油，能保證干燥后的壓縮空氣相對(duì)濕度小于35%。它主要由以下部分組成：

（1）內(nèi)置油分離器（19.11）和干燥塔（19a，19b）；

（2）單向止回閥（24）、電磁閥（43）及排水閥（44）；

（3）干燥器控制電路板。

3.1 工作原理［3］

雙塔式干燥器采用一塔干燥、一塔再生、雙塔切換、循環(huán)往復(fù)的工作模式實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的連續(xù)供給。

空壓機(jī)組輸出的壓縮空氣經(jīng)過精密濾油器，到達(dá)雙塔干燥器，雙塔干燥器集成的油過濾器吸收壓縮空氣中的油分，再流經(jīng)含有吸附劑的干燥塔，空氣中的大部分水分被吸附，到干燥器出口時(shí)，氣體的相對(duì)濕度已經(jīng)小于35%。少許干燥空氣被反吹，通過節(jié)流閥（50）膨脹，干燥的空氣將飽和的吸附劑中吸附的水分帶走，實(shí)現(xiàn)吸附劑再生。

雙塔干燥器結(jié)構(gòu)見圖6，工作過程如下：

圖6 雙塔干燥器結(jié)構(gòu)原理圖

圖中塔（19a）處于干燥階段，塔（19b）處于再生階段。

電磁閥（43）勵(lì)磁，閥座（V3）打開，干燥后的壓縮空氣從排氣口（P2）輸出，一氣路支路從打開的閥座（V2）和（V3）流至活塞閥（34），克服其彈簧彈力分別推動(dòng)左、右活塞到達(dá)下面和上面的位置，打開閥座（V5）和（V8）。

壓縮空氣經(jīng)空壓機(jī)組冷卻器冷卻后由入口（P1）進(jìn)入，閥座（V5）打開，先通過油分離器（19.11）內(nèi)填充的拉希格環(huán)，再自下而上流過干燥塔（19a），經(jīng)吸附劑（19.7）干燥，由中央管道向下，再經(jīng)單向閥（24）和旁通閥（71）從出口（P2）輸出。

吸附劑飽和時(shí)，電磁閥（43）失電對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行切換。此時(shí)，閥座（V3）關(guān)閉，閥座（V4）打開。活塞閥（34）的左、右活塞由彈簧力推動(dòng)，分別到達(dá)上面和下面的位置，閥口（V5）和（V8）關(guān)閉，閥口（V6）和（V7）開啟。此時(shí)，氣流在塔（19b）中被干燥，塔（19a）中的吸附劑再生。

干燥器需要一定的壓力才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，旁通閥（71）確保快速建立起需要的壓力，只有超出此壓力，壓縮空氣才輸出。在此壓力下，預(yù)控活塞閥（55）打開，雙活塞閥（34）位置切換。兩個(gè)單向閥（24）可防止壓縮空氣回流。單個(gè)工作循環(huán)見圖7。

圖7 單個(gè)工作循環(huán)的簡(jiǎn)圖

當(dāng)空壓機(jī)組關(guān)閉或空載時(shí)，定時(shí)器記錄干燥器的運(yùn)行狀態(tài)，并在再次運(yùn)行時(shí)恢復(fù)計(jì)數(shù)，從而確保吸附劑不會(huì)由于運(yùn)行循環(huán)中止等任何變動(dòng)而出現(xiàn)過飽和。

圖8為壓力露點(diǎn)、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度之間的關(guān)系。一定環(huán)境溫度下的相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)值。

3.2 干燥器技術(shù)特點(diǎn)

空氣干燥器LTZ015的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）工作溫度－40℃～＋50℃；（2）輕質(zhì)鋁合金結(jié)構(gòu)；（3）干燥采用吸附式再生原理；（4）氣動(dòng)部件優(yōu)良的耐低溫性；（5）干燥器內(nèi)部耐腐蝕設(shè)計(jì)。

4 精密濾油器

精密濾油器位于空壓機(jī)組下游、干燥器上游，作用是過濾壓縮空氣中的油分和少量顆粒。

圖8 壓力露點(diǎn)、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度之間的關(guān)系

4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

精密濾油器主要由殼體、中心螺桿和精密濾油器濾芯等部件組成（見圖9和圖10）。

殼體為高硬度鋁制殼體，質(zhì)量輕。最大工作壓力可達(dá)1 600kPa，殼體內(nèi)表面涂抹合成樹脂涂料起防腐蝕保護(hù)作用。

圖9 精密濾油器

圖10 精密濾油器濾芯

濾油器的濾芯固定在中心螺桿上，并用端蓋密封，旋出封口螺母可檢查精密濾油器、除油。濾芯的內(nèi)外圈都有鋼制護(hù)套，為玻璃纖維層和PVC泡沫層提供支撐，即使在大的氣流及壓力波動(dòng)下都不會(huì)變形失效。

精密濾油器可清除直徑在1μm以上的懸浮顆粒狀油霧和固體顆粒。出口含油量不超過1×10－7（20℃、700kPa）。濾芯內(nèi)圈有一個(gè)玻璃纖維層阻滯固體顆粒促使細(xì)微的油霧形成較大液滴，隨流動(dòng)氣體進(jìn)入泡沫層，形成黏性液狀薄膜，重力作用下進(jìn)入殼體下部的集液區(qū)。

5 空壓機(jī)的管理

5.1 管理原則

（1）每套空壓機(jī)組工作時(shí)間盡量保證一致；

（2）每套空壓機(jī)組盡量少的啟動(dòng)次數(shù)；

（3）空壓機(jī)組每次啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行時(shí)間盡可能延長(zhǎng)；

（4）空壓機(jī)組管理需要的輸入信息：

①M(fèi)RP總風(fēng)壓力值；② 所有空壓機(jī)組可用；

其他要遵循以下原則：

（1）風(fēng)源系統(tǒng)保證總風(fēng)壓力維持在850kPa～1 000 kPa之間；

（2）兩臺(tái)機(jī)組都需要上電工作時(shí)，應(yīng)依次啟動(dòng)，防止損壞電源；

（3）TBM應(yīng)確定優(yōu)先工作的空壓機(jī)組，若該機(jī)組不可用，應(yīng)確定另一臺(tái)優(yōu)先工作的機(jī)組；

（4）司機(jī)可通過TD－HMI界面切除空壓機(jī)組；

（5）列車運(yùn)行中，當(dāng)MRP總風(fēng)壓力值低于700kPa時(shí)，空壓機(jī)組應(yīng)全部啟動(dòng)運(yùn)行以減少打風(fēng)時(shí)間；

（6）單個(gè)總風(fēng)壓力傳感器失效時(shí)，不影響空壓機(jī)組控制管理；

（7）如果總風(fēng)平均壓力小于850kPa，TBM應(yīng)控制優(yōu)先的空壓機(jī)組啟動(dòng)工作；

（8）如果總風(fēng)平均壓力小于830kPa，TBM控制第二個(gè)空壓機(jī)組啟動(dòng)工作；

（9）對(duì)于長(zhǎng)編組而言，如果總風(fēng)平均壓力小于800 kPa，TBM控制所有空壓機(jī)組啟動(dòng)工作。

5.2 本地空壓機(jī)控制

空壓機(jī)和干燥器由IC03／IC06車的BCU3.1控制，其工作模式包括：

（1）正常工作模式

TBM負(fù)責(zé)空壓機(jī)管理，它向全列的BCU發(fā)送控制指令，BCU3.1根據(jù)MVB傳來的控制指令具體控制本車的空壓機(jī)啟動(dòng)。

（2）備用模式

每個(gè)BCU3.1無法收到SBM發(fā)來的有效的控制信息而且總風(fēng)壓力小于780kPa時(shí)，BCU3.1控制本車空壓機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。此時(shí)，空壓機(jī)的控制處于備用模式。

（3）緊急運(yùn)行模式

列車進(jìn)入緊急運(yùn)行模式后，硬線信號(hào)TL＿EDR＿C＿On和CCU發(fā)出的MVB總線信號(hào)通知頭車的TBM和SBM列車進(jìn)入緊急運(yùn)行模式。此時(shí)，TBM和SBM將MVB總線中控制空壓機(jī)組啟停的指令置為無效。由于沒有TBM發(fā)來的有效的MVB指令，BCU3.1進(jìn)入備用模式。

（4）測(cè)試模式

TBM通過MVB總線發(fā)出“disable all compressors in the train consist（禁用所有空壓機(jī)）”以單獨(dú)測(cè)試每一臺(tái)空壓機(jī)組，TBM通過SBM發(fā)送“testing compressors（空壓機(jī)測(cè)試）”指令，本段的BCU3.1進(jìn)入測(cè)試模式并激活本車的空壓機(jī)組。

（5）控制測(cè)試模式

調(diào)試人員使用維護(hù)終端激活空壓機(jī)。

以上5種模式的優(yōu)先級(jí)如下：

①緊急運(yùn)行模式；②備用模式；③測(cè)試模式；④正常工作模式；⑤控制測(cè)試模式。

6 結(jié)束語

運(yùn)用表明CRH3動(dòng)車組風(fēng)源系統(tǒng)的性能能夠滿足運(yùn)用要求，其控制模式結(jié)合整車針對(duì)性地進(jìn)行了設(shè)計(jì)，模式合理，功能完善。