阿根廷布市電動車組風源系統設計及空壓機管理

崔紅光 劉丙林

摘 要：介紹了阿根廷布宜諾斯艾利斯市薩緬托線和麥特線電動車組風源系統的選型依據，并對阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組風源系統的設計方案及空壓機的控制管理進行了詳細的說明。

關鍵詞：風源系統；空壓機；乳化；空壓機管理

引言

隨著城市軌道交通車輛風源系統設計技術的日益成熟，在國內城市軌道交通車輛的風源系統應用上已有了眾所熟悉的定型產品，如：Knorr公司的VV120系列、Nabtesco公司的HS系列、北京縱橫機電有限公司的TSAG系列、Atlas公司的Gar系列等。目前，國際化鐵路運輸發展迅速，我國本著高速和重載車輛設計的重要方向，已經進入到國際化軌道發展的新領域。以下，以阿根廷布宜諾斯艾利斯市（以下簡稱為：布市）薩緬托線和麥特線電動車組選用的SL22系列風源系統設計為例，介紹出口阿根廷布市的中長編電動車組的風源系統設計方案。

1 薩緬托線與麥特線基本技術條件

1.1 基本線路情況

阿根廷布市薩緬托線與麥特線是布市鐵路線網中重要的軌道交通干線，其定位為通勤線路，既服務于城市中心城區，同時服務于城市外圍的近郊區。

1.2 阿根廷布市的環境條件

環境溫度：+45℃（夏季），-25℃（冬季）

海拔：不超過1200m

空氣中的污染物：酸雨、鹽霧

相對濕度：最濕月平均最大相對濕度不大于90%，該月月平均溫度不高于25℃

1.3 編組形式

薩緬托線采用9輛編組6M3T，麥特線采用6輛編組4M2T：

9輛/列為：+TC1-M1-M2-T3-M1-M2-M3-M4-TC2+

6輛/列為：+TC1-M1-M2-M3-M4-TC2+

其中：TC 車為帶司機室的拖車；

M車為不帶司機室的動車；T3 車為拖車。

1.5 噪聲指標

噪聲測試方法滿足ISO 2151-2004。

對風源系統的要求：當空氣壓縮機工作時，距其1m處的連續噪音小于78dB（A）。

2 風源系統的選型

綜合以上基本線路情況、環境條件、車重基本信息等設計輸入元素，結合阿根廷布市薩緬托線與麥特線的站段較長、客源集聚量較大的特點，需選用排氣量較大的空壓機。因阿根廷布市的濕度較高，故風源系統應具備防止潤滑油乳化的設計結構。

阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組采用Knorr公司的SL22-80型螺桿式空氣壓縮機及LTZ015.1H型雙塔式干燥器組成的風源模塊。其供電制式、凈空氣輸出量、工作壓力描述如下：

2.1 供電制式

SL22-80型螺桿式空氣壓縮機采用三相AC380V交流電動機驅動。

2.2 凈空氣輸出量

2.2.1 空氣用量需求

根據阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組耗風量計算：

薩緬托線（9編組）凈空氣用量：

1041 l*bar/min；

麥特線（6編組）凈空氣用量：

905 l*bar/min。

2.2.2 供風能力分析

SL22-80型螺桿式空壓機及LTZ015.1H型雙塔式干燥器組成的風源模塊，其供風能力如下：

單臺SL22-80型螺桿式空壓機空氣輸出量為：1350 l*bar/min；

單臺LTZ015.1H型雙塔式干燥器的再生率為：21%；

在1450 轉/分鐘時，單臺風源模塊干燥后的凈空氣輸出量為：1060 l*bar/min；

雙臺風源模塊總的凈空氣輸出量為：2120 l*bar/min。

故可以滿足阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組的用風要求。

2.3 工作壓力

總風管路正常的工作壓力范圍為750 kPa至900kPa。SL22-80型螺桿式空壓機的供風壓力可到達900kPa，總風缸前設有安全閥，當總風壓力超過1050 kPa時安全閥將打開。

3 風源系統方案介紹

薩緬托線（9編組）與麥特線（6編組）電動車組，采用相同的風源系統及空壓機管理方案。每列電動車組均設置兩套風源系統，空壓機自帶

干燥器。

3.1 優勢說明

風源系統的設置及空壓機的管理充分考慮了以下幾點要素：

（1）提高同類產品的互換性。薩緬托線（9編組）與麥特線（6編組）電動車組頭車底架上的風源系統所有設備部件均可完全實現互換。

（2）實現空壓機管理的統一性。薩緬托線（9編組）與麥特線（6編組）電動車組的空壓機組控制原則完全一致，管理方式統一。

（3）確保空壓機組設置的合理性。作為電動車組制動系統的供風設備，空壓機組至關重要，應確保其隨時能夠正常運行。

選擇將空壓機組設置在頭車底架上，即充分考慮了列車中任意中間車輛在特定條件下作為關門車時，頭車和尾車上的空壓機組仍然能夠正常地向列車的其他車輛進行供風。若將空壓機組設置在列車任意中間車輛上，當該中間車輛在特定條件下必須作為關門車運行時，頭車方向或尾車方向總會存在總風無法供過去的車輛，對于這種車輛的制動施加非常不可靠。

基于以上分析，故將空壓機組設置在首尾Tc車上，以確保空壓機組隨時能正常運行。

3.2 風源系統組成

風源系統的氣路原理圖見圖1所示：

以下為風源系統各組成部件的描述。

3.2.1 風源模塊（A00）

風源模塊是一個緊湊型自承式壓縮空氣設備和處理單元。主要包括：帶三相交流電機的空氣壓縮機組、空氣干燥設備、精細濾油器、電氣裝置，這些部件連接在一起，形成一個緊湊的懸掛裝置，通過彈性元件與車體連接。

本項目空氣壓縮機組外形圖見圖2所示。

（1）空氣壓縮機系統原理介紹

①螺桿式空壓機的運動原理。螺桿空氣壓縮機的螺桿組由兩個互相嚙合的螺旋形轉子（或螺桿）組成，通常把節圓外具有凸齒的轉子稱為陽轉子（或陽螺桿）；把節圓內具有凹齒的轉子稱為陰轉子（或陰螺桿）。陰、陽轉子具有非對稱的嚙合型面，平行安裝在一個鑄鐵殼體內作回轉運動，如圖3所示。

螺桿空氣壓縮機主機的工作循環分為吸氣、壓縮、排氣三個過程。隨著轉子旋轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環（見圖4）。

吸氣過程（a）：

隨著轉子的旋轉，轉子齒的一端逐漸脫離嚙合而形成了齒間容積，這個齒間容積的擴大，在其內部形成一定的真空，而此齒間容積僅與吸氣口連通，空氣在壓差的作用下流入其中。隨著轉子的旋轉，齒間容積達到最大之后，齒間容積不再增加，齒間容積在此位置與吸氣口斷開，吸氣過程結束。

壓縮過程（b）（c）：隨著轉子的旋轉，齒間容積由于轉子齒的嚙合而不斷減小。被密封在齒間容積的空氣所占據的容積也隨之減小，導致壓力升高，從而實現對空氣的壓縮過程，壓縮過程可一直持續到即將與排氣孔口接通之前。同時，大量的潤滑油被噴入齒間容積中，與所壓縮的空氣混合，起到潤滑、密封、冷卻和降低噪聲的作用。

排氣過程（d）：齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的空氣逐步通過排氣孔口被排出，此過程一直持續到齒末端的型線完全嚙合。此時齒間容積內的空氣通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積體積將變為零。隨著轉子的旋轉重新開始新的工作循環。

②空氣流動原理

空壓機系統原理見圖5。

空氣通過進氣口（A1）經濾清器（F）吸入壓縮機，空氣經過減壓閥閥盤（1.4.3）及壓縮彈簧（1.4.4）進入壓縮機單元的機頭，在陽轉子（1.3a）和陰轉子（1.3b）壓縮過程中與油混合。在油氣筒/油分離器（1.1.4）內部，壓縮空氣先通過沖擊與油預分離然后進入油分離器濾芯。然后空氣經過最低壓力閥（1.1.2）、進入到冷卻器 （1.8）及后處理設備輸出干燥的壓縮空氣（A2）。

最低壓力閥 （1.1.2）防止油氣分離器內壓力低于最小壓力，防止壓縮機停機時壓縮空氣倒流。

控油單元（1.2）將高溫高壓油輸送到冷卻器（1.8），輸出的低溫油在壓力作用下使壓縮機機頭得到潤滑。

離心式風扇（1.6）在電機的聯軸節的帶動下高速旋轉，吸入冷卻空氣（A4）供冷卻器（1.8）散熱用。

圖5的標識說明如下：

（2）雙塔型空氣干燥器

LTZ015.1H雙塔型吸附式空氣干燥器能使壓縮空氣干燥到極低的濕度，由此可防止在壓縮空氣設備中由于壓縮空氣中的濕氣引起腐蝕和凍結危險，而導致氣動裝置出現故障和過早磨損。

本項目雙塔式空氣干燥器外形圖見圖6。

壓縮空氣進入到雙塔型空氣干燥器中，壓縮空氣在一個干燥劑罐內進行干燥，同時在另一個干燥劑罐內回流的潔凈總風對干燥劑進行再生處理。在干燥劑罐內的電子計時器控制兩個罐的干燥及再生。只有在空氣壓縮機工作時，該計時器的控制周期才起作用，這樣可以確保兩個干燥塔可以均衡工作。空氣干燥器去除壓縮空氣中的水份并使相對濕度≤35%。

3.2.2 防乳化設計結構

見圖1。為防止空壓機油乳化，風源系統特設置了電磁閥（A13）、消音器（A14）。通過延長空壓機組的運行時間來提高空壓機的工作率。

關于A13的管理，在阿根廷布市薩緬托線和麥特線項目中，定義了最小工作時間（MWT），設定值為5min。當空壓機工作時，EBCU將通過壓力傳感器（A10）檢測總風壓力是否達到檢測壓力（CP）值，CP值設定為8.8bar。如果總風壓力達到CP值并且空壓機工作時間超過了MWT，那么電磁閥（A13）不會動作。如果總風壓力達到CP值而空壓機工作時間沒有達到MWT，A13將得電強制排風，使空壓機的工作時間延長，達到MWT。同時，還定義了最大不工作時間（MNT），設定值為12min。如果空壓機停止工作超過12min，A13將得電強制排風。當總風壓力降低到8.0bar時，主空壓機將會啟動，A13同時失電。檢測MWT、MNT和CP的邏輯均可以在軟件中定義。

3.2.3 其他部件

安全閥（A11）保護空氣系統因外部升溫產生過高壓力，設定值為10.5bar。

干燥后的壓縮空氣被貯存在總風缸（A06）內，其下部配有一個排水塞門。

通過測試裝置（A08），可以利用外部壓縮空氣來檢查壓力開關（A09）的設置值。

空氣壓縮機組由制動控制單元通過壓力傳感器（A10）進行監控。適當的空壓機管理將會優化空壓機的運行。壓力開關（A09）輸出的電信號同時也控制主電機的接觸器。

3.3 空壓機管理

3.3.1 網絡正常下的空壓機管理

當網絡正常時，由BCU控制管理主副空壓機進行單雙日啟動，日期信號及允許啟動空壓機的信號由TCMS通過MVB發送給頭車的BCU。此種方式也是為了提高空壓機工作率，降低潤滑油乳化的可能。

頭車的壓力傳感器（A10）檢測到總風壓力，并通MVB網絡發送給頭車的BCU。

當總風壓力低于800kPa時，只啟動列車中的主空壓機，當總風壓力達到900kPa以上時，主空壓機停止運行。

當總風壓力持續降至750kPa時，列車中的副空壓機也啟動，當總風壓力達到900kPa以上時，兩臺空壓機停止運行。

3.3.2 緊急運行下的空壓機管理

當網絡故障時，列車處于緊急運行模式下，或當BCU無法正常啟動空壓機時，空壓機的應急啟動便依靠于壓力開關（A09）的控制。

當總風壓力低于700kPa時，壓力開關（A09）自動閉合空壓機的啟動電路，使兩臺空壓機應急啟動。

空壓機應急啟動后，當總風壓力達到900kPa以上時，壓力開關（A09）自動斷開空壓機的控制電路，兩臺空壓機停止運行。

3.3.3 強迫泵風

當按下強泵開關時，如果空壓機的保護電路允許啟動，強泵電源可直接加電到啟動控制繼電器上，并由啟動控制繼電器接通空壓機組的控制接觸器電源，使空壓機啟動。

當空壓機出口壓力大于270kPa或油溫高于120℃時，保護電路不允強行啟動空壓機。

3.3.4 空壓機保護

當油溫高于110℃時，空壓機輸出油溫過熱信號給TCMS，但允許空壓機啟動和正常運行。

當油溫高于120℃時，空壓機組的保護電路自動斷開空壓機的控制電路，并通過保護繼電器的自閉電路保持禁止運行狀態。

當空壓機出口壓力大于270kPa（2.7bar），壓力保護電路會自動斷開啟動電路，但已啟動的空壓機仍能正常動行。

4 結束語

以上是以阿根廷布市薩緬托線和麥特線項目的風源系統設計為例，說明空壓機的選型及系統控制的設計的原則。

經過國內外多條城際軌道車輛項目的實際運營，空壓機乳化問題、空壓機的控制管理，已然成為了風源系統設計的核心。風源系統作為車輛的關鍵系統之一，其型式的選擇和管理的方式需要更深入的結合項目的特定條件及運用需求來提升設計。未來城市軌道車輛風源系統的技術發展方向，將更著重于提高空壓機工作率，提升空氣質量，降低維護成本等方面。而解決乳化問題、合理提升工作率、冗余性控制管理，目前仍處于多元化的研究階段。

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第一作者簡介：崔紅光（1979-），女，吉林省吉林市人，大學本科，西南交通大學，研究領域：城市軌道交通車輛制動與風源系統設計。