軌道車輛風源系統供風能力過低問題分析與改進

曾東亮

摘 要：風源系統供風能力對車輛運行安全將產生重大影響，若供風不足，可能導致供風設備無法正常工作、空氣制動力不足、停放制動無法緩解，進而導致列車清客下線甚至救援的嚴重后果。所以，風源系統的供風排量和質量是車輛設計的重要指標，并且應具有前瞻性，應滿足正線客流日益增長的運行需求。本文通過對TSAG-0.9ARII型螺桿式空壓機組運行過程中出現的長時間打風不止、供風質量較差的問題進行深入調查，提出增加膜式干燥器功率，進行換型整改的解決方案，較好的解決了現場問題，同時也為后續(xù)同類型風源系統的設計和運行提供了經驗參考。

關鍵詞：風源；空壓機；膜式干燥器；打風不止；相對濕度

1 問題描述

本地鐵線路車輛選用TSAG-0.9ARII型螺桿式空壓機組，根據本線路風源系統選型設計要求，在列車重車（AW3）載荷下運行。列車在各站均經歷空車到重車的載荷變化，管路泄漏2kPa/min，站間平均運行時間按2.5分（含每站停30秒）計算，空壓機正線運營連續(xù)打風時間為27.33 分，停機時間4.36 分，干燥后風源系統出口空氣相對濕度≤30%。根據此設計，車輛設置了空壓機連續(xù)打風30分的報警提示，以及時發(fā)現管路漏風、堵塞等異常情況。

在車輛實際運行過程中，2013年共發(fā)生200起空壓機連續(xù)打風超過30分的報警，平均每個月發(fā)生16.7起。報警提示發(fā)生后，為了確保運營安全和運營質量，車輛需要下線回庫進行檢查，因此對正線用車造成嚴重影響。

同時，在車輛檢修過程中，發(fā)現風缸排風口、雙針壓力表風管接頭處均有水滴析出的情況，說明管路內空氣相對濕度較高，會對管路及用風設備造成較大損傷。

針對風源系統的這兩個問題，我們進行了深入調查及詳細分析。

2 風源系統工作原理

2.1 螺桿式空氣壓縮機工作原理

螺桿式空氣壓縮機有兩個互相嚙合的螺旋形螺桿，平行安裝在一個鑄鐵殼體內作回轉運動。如圖1所示，空氣由空氣濾清器（1）濾去塵埃后，再由進氣閥（3）進入主機壓縮室壓縮，并與潤滑油混合。與油混合的壓縮空氣由壓縮機排至油氣筒（10），經油氣分離器（9）、壓力維持閥（7）及后冷卻器（22）之后送入干燥器中。

2.2 膜式干燥器工作原理

膜式干燥器膜絲的最內層為一特殊涂層，此涂層只能使壓縮空氣中的水分子透過，而氧分子和氮分子不能穿透。潮濕的壓縮空氣由膜絲的一端進入，到達膜絲的另一端后，一小部分壓縮空氣通過截流閥膨脹減壓為反吹氣。由于體積急劇增加，水分子的數量沒有改變，膨脹后的壓縮空氣相對濕度變的非常低。由于膜絲的結構，水分子可以自由穿透，為了達到濃度平衡，膜內側的水分子便會穿透膜絲向外擴散，使膜內壓縮空氣相對濕度降低，膜外側的反吹氣相對濕度增加，在壓力作用下，這部分潮濕的反吹氣被排向大氣。原理如圖2所示。

膜式干燥器作為風源干燥系統的關鍵部件，是影響風源系統供風能力和供風質量的一個重要因素。

3 問題調查分析

3.1 正線耗風量情況的調查

車輛在運營時的耗風情況比較復雜，特別是空簧的情況無法準確進行評估，因此采用空壓機正常打風時段的空簧變化、制動用風以及空壓機打風時間的變化，計算出此時段空簧耗風系數為1.013；然后采用此系數計算空壓機打風時間超過30min時段的耗風情況并進行分析。

3.1.1 “非正常打風區(qū)間”耗風量計算

選取發(fā)生空壓機組運行超30min時間段數據，此段數據為2045車故障時間區(qū)間8：01到8：36共計35.5分鐘的車輛數據。

（1）空壓機打風總量Q1

空壓機組打風能力：755.08L/min；

空壓機打風總時間為：31.5min；

Q1=31.5×755.08=23785.02L。

系統自然漏泄量：Q2=2kPa/min×35.5min×1800L÷100 kPa=1278L。

（2）制動用風總量Q3

制動系數：1.1；

此時段檢測制動耗風總和：6886.89L；

Q3=制動耗風總和×1.1=6886.89×1.1= 7575.58L。

（3）高度閥動態(tài)調整耗風量Q4

Q4=5L/min·個×4個/輛×6輛×35min=4200L。

（4）空簧動態(tài)用風總量Q5

此時段檢測空簧總變化量：51.55。

空簧動態(tài)用風總量Q5=185×空簧總變化量=185×51.55 L =9536.75 L。

（5）車輛運營中實際耗風總量Q6

Q6=Q3+Q4+Q5×?+Q2 = 22972.9 L

計算得制動系統耗風量（22972.9 L）和空壓機組實際供風量（23785.02 L）非常接近。

3.1.2 總風壓力監(jiān)測情況及工作率

（1）2045車在兩站間風壓下降100 kPa，空壓機組停機時間約2min40sec，總風壓力下降約130kPa，空壓機組工作補充此耗風量，需要時間約3min7sec。即如果空壓機組工作，此段時間內總風壓力會降低約30 kPa。所以在此短時間內，制動系統耗風量大于空壓機組供風量。同時，2045兩天早高峰時段監(jiān)測工作率較高，分別為62.18%和65.5%。

（2）2045車在8：10至8：35的總風、空簧、制動缸壓力數據以圖表的形式如圖3所示。

前半段空簧壓力一直上升，再加上制動耗風，空壓機組供風量和制動系統耗風量平衡，系統壓力位置在790kPa至820kPa之內。后半段空簧壓力逐漸下降，載荷降低，空簧耗風量減小。由于載重持續(xù)降低，制動缸耗風量不會增加，此時，空壓機組供風量大于制動系統耗風量，總風壓力上升。同時，2045兩天早高峰時段監(jiān)測工作率較高，分別為62.18%和65.5%。

3.2 庫內靜態(tài)打風能力測試

為進一步了解空壓機打風情況，對32列車共64個空壓機在750～900kpa區(qū)間靜態(tài)打風時間進行了普查，如圖4所示

從圖中可以看出201～211、224～232車打風均較快，212～223車打風較慢，其中最慢的5個車打風時間均超過255s，這幾個車報出過CM30M打風超時故障。同時，從數據中可以看出平均打風時間在210 sec以下的共有33個空壓機，占空壓機總數的51.6%。最長打風時間為最短打風時間的1.6倍，相差98 sec，空壓機打風能力離散性較大。

3.3 問題分析

由以上調查情況可以看出：

（1）在2045車空壓機打風時間超過30min區(qū)段的總耗風量22973L，與空壓機總打風量23785 L相比基本相等，說明此時段空壓機持續(xù)工作，并且供風量和耗風量相當。每一區(qū)段的制動耗風基本保持不變，而載荷變化導致的空簧耗風變化率是引起列車耗風量增大的主要原因，因此相應地延長了空壓機的打風時間。

（2）正線打風率、空壓機關閉時掉壓情況、空壓機開啟時升壓情況相吻合，大致兩個區(qū)間掉壓約100Kpa。

（3）各車空壓機打風速度差異較大。正線打風時間較長的車，靜態(tài)打風速度明顯較慢。

關于空壓機打風能力，從機組工作流程圖中可以看出，在不改變干燥前機組排量的情況下，可以嘗試調節(jié)排水電磁閥、膜式干燥器的用風量：

①選取兩列車進行打風試驗，可以得出，排水電磁閥排風頻率對打風時間影響比較小，打風時間無明顯差異。

②根據前60臺空壓機組出廠排量及反吹比例情況可以看出，機組間排量、干燥器的反吹率差異均較大，部分機組排量低于0.765m?/min的設計排量，干燥器反吹率9.6%至17.7%間波動。若能增加膜式干燥器的工作效率，降低反吹風使用率，將明顯提高風源系統的供風能力。

3.4 整改建議

對空壓機膜式干燥器進行重新選型，增加干燥器的工作效率，降低反吹風使用率，提高風源系統的供風能力。

4 整改方案選擇與實施

4.1 膜式干燥器的選型安裝

通過上述分析，風源系統TSAG-0.9ARII機組配用的PE1015型膜式干燥器設計容量偏小，反吹風損耗過大。考慮實際應用情況，重新選用新型膜式干燥器，在保證系統可靠性和安全性前提下，對風源系統空壓機組的系統結構進行了優(yōu)化。

通過對比國外類似產品的空氣處理單元選型結果，結合國內地鐵實際的運行工況及特點進行計算，此次整改選用了處理量更大的PE3020膜式干燥器來與TSAG-0.9ARII 系列空壓機集成，新設計將極端工況一并考慮，進一步的完善了系統設計。最新空壓機組反吹方案采用固定孔式節(jié)流閥，可嚴格控制反吹量，在保證系統壓縮空氣相對濕度前提下，確保空壓機組干燥后最終排氣量不低于750L/min。

4.2 膜式干燥器性能測試

（1）理論計算結果對比

以環(huán)境溫度10℃，空壓機排氣溫度21℃，壓縮空氣相對濕度100%，脫水膜反吹量18%進行計算：

由圖5可以看到不同脫水膜配置條件下的機組出口露點狀態(tài)，由壓力維持閥設定值5bar 至機組停機壓力9bar 區(qū)間，使用PE3020 脫水膜時壓縮空氣壓力露點最低達到-29.5℃，較使用PE1015方案下降達30℃，性能提升非常顯著。

（2）夏季測試數據對比

將上述配置機組在夏季環(huán)境中進行測試，環(huán)境平均溫度約34℃，排氣平均溫度為46℃，環(huán)境相對濕度≥50%，對機組出口露點進行測試，由7bar 至機組停機壓力9bar 區(qū)間，排氣溫度46℃左右時，使用PE3020 脫水膜時壓縮空氣壓力露點最高為1.9℃，最低降至-9.6℃，較之前PE1015 方案干燥效果有很大提升。

（3）冬季測試數據對比

將上述配置機組在冬季環(huán)境中進行測試，平均溫度約10.5℃，平均排氣溫度約為22.5℃，對機組出口露點進行測試，由7bar 至機組停機壓力9bar 區(qū)間，排氣溫度22.5℃左右時，使用PE 3020 脫水膜時壓縮空氣壓力露點最高為-9.85℃，最低降至-37.15℃，較之前PE 1015 方案干燥效果提升非常明顯。

4.3 打風能力測試

我們對所有車輛空壓機膜式干燥器進行了整改，對整改前后空壓機靜態(tài)打風時間進行了對比試驗，如圖6所示。

從上圖可以看出，膜式干燥器整改后，各空壓機組靜態(tài)打風時間整合到了184—267范圍內，且除了3臺機組打風時間較長外，其他機組均能控制在4min以內，打風能力更趨于一致。

5 總結

風源系統供風能力對車輛運行安全將產生重大影響，若供風不足，可能導致用風設備無法正常工作、空氣制動力不足、停放制動無法緩解，導致列車清客下線，甚至列車事故救援的嚴重后果。所以，風源系統的供風排量和質量是車輛設計的重要指標，并且應具有前瞻性，應滿足正線客流日益增長的運行需求。

本風源系統在運行過程中出現長時間打風不止的情況，通過調查分析，正線載荷變化導致的空簧耗風變化引起列車耗風量較大，在部分區(qū)間已超過耗風量設計的指標，同時，空壓機組排量個體差異較大，部分機組凈排量不滿足正線運用的需求。在盡量減小機組改造成本的情況下，我們提出了對空壓機膜式干燥器進行改進的方案。

通過調整改進，TSAG-0.9ARII機組膜式干燥性能較之前有了大幅的提升，機組出口壓縮空氣質量增加了足夠的余量，機組出口壓縮空氣露點在任意時刻均與環(huán)境溫度有著明顯的降低，保證了車輛運行中不會再產生液態(tài)水，進一步提升脫水膜干燥效率。最新干燥器反吹方案采用固定孔式節(jié)流閥（依據機組出廠數據，制作一系列固定孔式節(jié)流閥），可嚴格控制反吹量，在保證系統壓縮空氣相對濕度前提下，確保空壓機組干燥后最終排氣量不低于750L/min。風源系統的排量明顯增強，打風較慢的情況明顯減少，打風能力更趨于一致。

綜上所述，通過新膜式干燥器的改進升級，可保障機組在極端條件下，均能提供足夠清潔干燥的壓縮空氣，以保證車輛的安全運營。同時，也為后續(xù)同類型風源系統的設計和運用提供了經驗參考。

參考文獻

[1]劉豫湘，吳智，盧東濤，等.機車風源系統供風能力的研究[J].電力機車與城軌車輛，2003，26（5）：7-11.

（作者單位：成都地鐵運營有限公司）