鐵路客車空調機組制暖故障探討

趙儒家，于云龍，王篤勇，張林塞

（中車四方車輛有限公司，山東 青島266111）

1 引言

目前，鐵路客車使用的空調機組絕大部分為單冷+電加熱型的KLD 空調機組。夏季對客室進行降溫時，啟用機組單級壓縮制冷循環系統進行制冷；冬季對客室進行升溫時，啟用機組空氣預熱器進行加熱。由于制冷循環系統是空調機組的最主要部分，包含的制冷元器件較多，元器件之間的協調配合關系也較為密切，行業中對制冷功能的故障研究較廣，而對空調機組的制熱功能故障涉及較少。雖然KLD 空調機組的制熱功能啟用的零部件較少，但對于鐵路客車，尤其是北方路局配屬的客車，全年供暖季也有5 個月之久，若制暖功能發生故障，對客車的乘坐舒適度影響也非常嚴重。下文將結合一起疑難實例，探討鐵路客車空調機組制暖故障的發生原因及解決思路。

2 實例闡述

2018 年1 月，某北方地區鐵路局配屬的軟座車通電后開制暖模式時，無法啟動空氣預熱器。經檢查，發現故障原因是作為二級溫度保護的139℃熔斷絲熔斷，但作為一級溫度保護的70℃溫控器仍可正常通電，且控制系統中未記錄到70℃溫度開關動作。由于當時列車出庫緊急，遂立即更換了139℃熔斷絲，保證列車出庫[1]。但當列車返回后，又報出制暖故障，遂更換了整套空氣預熱器，以保證該車可繼續運行。

之后，對首次故障進行原因排查時，檢查了空氣預熱器各發熱管的電阻值均正常，排除了發熱管內部故障；測量了通風機運轉電流，也在正常范圍，排除了通風機風量不足導致的缺風保護；核對了控制系統內70℃溫度開關的接線是否存在短接現象，致使70℃溫度開關動作時系統檢查不到，造成加熱管持續升溫，熔斷139℃熔斷絲，但檢查結果均一切正常，遂懷疑139℃熔斷絲存在質量原因，導致在70℃以下時即發生熔斷。但經過對其進行性能檢測，排除了該原因[2]。

經過仔細分析，若空氣預熱器發生超溫現象，一定首先觸發70℃溫度開關動作，控制系統再將空氣預熱器主電路斷開，停止空氣預熱器工作，待溫度開關處溫度下降至（50±10）℃時，溫度開關接通，系統再恢復空氣預熱器電源，繼續工作。只有當70℃溫度開關無法有效斷開時，即一級溫度保護失效時，空氣預熱器持續超溫，才能熔斷139℃熔斷絲，觸發二級溫度保護。對原70℃溫度開關模擬動作試驗，功能正常，那可以判斷，既然139℃熔斷絲已熔斷，70℃溫度開關肯定也有動作，但未被控制系統記錄，那應該是控制系統失電后發生的動作[3]。但在空調機組控制邏輯中，空氣預熱器停止工作后，通風機會繼續運轉1min，以降低空氣預熱器溫度，但在一般運用過程中，經常存在列車到站后直接斷電的情況，致使通風機與空氣預熱器及控制系統同時失電，空氣預熱器余溫得不到有效散發，導致70℃及139℃雙重保護均動作，但70℃溫度開關可以降溫恢復，但139℃熔斷絲不可恢復，致使空調機組再啟機時，空氣預熱器無法工作。至于同列客車相同車型中其余空調可正常工作，唯獨該空調機組空氣預熱器發生故障的情況，原因是該空氣預熱器的發熱管環肋松脫，導致熱阻升高，發熱管管體內部積累了大量熱量，在通風機停止工作后，管內殘存的熱量將139℃熔斷絲熔斷。

3 肋片松動對發熱管散熱的影響理論分析

空氣預熱器的作用是通電后，自身溫度升高，再與流動空氣進行對流傳熱，以提高送入客室的溫度。根據對流傳熱速率方程式：

式中，Φ 為傳熱量，W；h為對流傳熱系數，W（/m2·K）；A為傳熱面積，m2；Δt為溫差，K。

影響對流傳熱量的主要因素為溫差、表面傳熱系數以及換熱面積。在上述案例中的空氣預熱器工作環境中，表面上看，發熱管與氣流之間的溫差、發熱管的換熱面積與其余正常的空氣預熱器均無不同，而表面傳熱系數的影響因素中，肋片材質、表面粗糙度等也無不一致，但由于發熱管的環肋與發熱管體并不是一體的，而是通過預緊力相接觸。這兩個名義上互相接觸的固體表面，實際上接觸僅發生在一些離散的面積元上，在未接觸的界面之間的間隙中由于充滿了空氣，熱量將以導熱的方式穿過這種氣隙層。這種情況與兩固體表面真正完全接觸相比，增加了附加的傳遞阻力，稱為接觸熱阻。接觸熱阻主要受相接觸的金屬表面的粗糙度、接觸表面的壓力、溫度和金屬材料等因素的影響。案例中的空氣預熱器，正是由于肋片端部與發熱管連接固定的焊點斷裂，造成肋片與發熱管之間預緊力下降，接觸熱阻增大[4]。

文獻中計算了接觸熱阻對換熱量的影響，一般環肋片應以較大預緊力安裝在肋管上，保證接觸熱阻小于1×10-（4m·2K）/W，當肋片預緊力消失后，如果接觸熱阻增大到1×10-（3m2·K）/W，可使肋片的散熱量下降44.8%～75.1%,影響非常明顯。

4 試驗驗證

為了更加準確地驗證肋片松動對發熱管散熱的影響效果，繼而造成余熱將139℃熔斷絲熔化的故障，將發生故障的預熱器模擬運行，并保持通風機運轉，30min 后，同時斷開預熱器及通風機電源，分別測量70℃溫度開關和空氣預熱器主回路通斷情況，并測量139℃熔斷絲處的實時溫度。試驗結果為斷開65s 時，70℃溫度開關斷開，135s 時，139℃熔斷絲附近溫度達到142℃，空預器主回路也斷開。該試驗結果驗證了前述推斷[5]。

5 結論

由理論分析及試驗驗證可知，空氣預熱器肋片與發熱管之間預緊力不足，接觸電阻會急劇加大，造成換熱效率下降嚴重，發熱管內積存大量余熱，當空調停機后，散發的余熱得不到有效排除，繼而將139℃熔斷絲熔斷，造成空調機組制暖故障。

本文通過對上述疑難實例的解決過程，基本上排查了一遍影響空調制暖功能的所有因素，包含空氣預熱器的通風環境、控制系統、器件質量等，并結合控制原理和傳熱理論分析，得出翅片松動導致接觸熱阻大的這一根本原因。此套解決方案可為行業同仁在鐵路客車空調機組制暖故障的解決過程中提供一定借鑒作用。