地鐵車輛司機室空調(diào)機組低壓故障分析及解決方案

張 順 付細群

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，高級工程師）

上海軌道交通13 號線車輛空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)機組、排氣設(shè)備與空調(diào)控制裝置等構(gòu)成。與客室空調(diào)機組相同，司機室空調(diào)機組由壓縮機、蒸發(fā)器、蒸發(fā)送風風機、冷凝器、冷凝風機、膨脹閥及相關(guān)附件等組成［1］。壓縮機采用臥式全封閉渦旋式壓縮機，每個全封閉的制冷設(shè)備內(nèi)，配有高、低壓壓力開關(guān)以保護壓縮機，采用環(huán)保型R407C 制冷劑，以外平衡熱力膨脹閥為節(jié)流元件。每臺司機室空調(diào)機組有1 套獨立的制冷循環(huán)設(shè)備，可根據(jù)車內(nèi)熱負荷大小自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度，實現(xiàn)制冷調(diào)節(jié)。每臺機組有獨立的控制裝置。它根據(jù)司機室內(nèi)及室外的溫度等情況，通過控制各風機的啟停、各風門的開度大小來實現(xiàn)對制冷量的調(diào)控。上海軌道交通13 號線車輛空調(diào)系統(tǒng)自2012 年12 月份運營以來運行狀態(tài)良好，給乘客提供了舒適的乘坐環(huán)境，但自2015 年以來司機室空調(diào)機組不間斷地出現(xiàn)低壓故障，影響了運營時司機駕駛環(huán)境的舒適性，也給車輛檢修帶來一定的壓力。

1 空調(diào)機組故障描述

自2015 年6 月至2017 年11 月，上海軌道交通13 號線司機室空調(diào)機組多次發(fā)生壓縮機低壓故障，2015 年、2016 年、2017 年各發(fā)生低壓故障8、6、10次。所謂低壓故障即低壓開關(guān)斷開值為（0.19 ±0.05）MPa。

司機室空調(diào)出現(xiàn)低壓故障時，在故障記錄儀中將記錄“Compr_low_pres_cab 司機室空調(diào)低壓”故障條目。該條目包含故障車號、故障發(fā)生時間、故障消失時間。空調(diào)控制軟件的控制邏輯為15 min 內(nèi)機組低壓故障次數(shù)累計超過3 次時，將鎖死故障并在司機顯示屏上顯示空調(diào)低壓故障；如果空調(diào)控制接線無誤、通風制冷正常，故障將自動消失。

2 空調(diào)機組低壓故障原因分析

由于不同外界環(huán)境對車內(nèi)空氣溫度的要求不同，上海軌道交通13 號線司機室空調(diào)機組以國際鐵路聯(lián)盟UIC 553 標準的要求進行自動控制，制冷執(zhí)行UIC 553 曲線目標溫度Tu值：

式中：

T0——室內(nèi)實際溫度；

T——外界溫度；

Tu——室內(nèi)目標溫度［2］。

根據(jù)業(yè)內(nèi)大量的故障統(tǒng)計，空調(diào)機組出現(xiàn)低壓故障率較高的主要原因有5 個：①制冷系統(tǒng)有泄漏導(dǎo)致制冷劑不足；②送風風量過小；③新風溫度或回風溫度過低；④送風與回風短路；⑤回風溫度傳感器讀數(shù)與實際回風溫度相比偏高。為此從上述5個原因進行逐一排查和分析。

2.1 空調(diào)機組返廠測試分析

為盡快找到故障原因，選擇4 臺司機室故障空調(diào)返原廠測試。故障件返廠后，對機組的制冷劑泄漏進行外觀檢查，對空調(diào)機組的運行狀況進行測試。

如圖1 所示，司機室空調(diào)機制冷原理為：正常制冷模式下，壓縮機排出的高溫冷媒被分配到冷凝器中散熱，冷凝液體從冷凝器中流出后經(jīng)干燥過濾器，然后進入節(jié)流裝置（熱力膨脹閥）進行節(jié)流降壓；節(jié)流降溫后的冷媒分配到蒸發(fā)盤管中吸熱，過熱的冷媒氣體流出蒸發(fā)器再匯集到壓縮機吸氣管，回到壓縮機再進行壓縮循環(huán)。

圖1 司機室空調(diào)機組制冷原理圖

2.1.1 制冷劑泄漏檢查

當氣體從空調(diào)壓縮機總吸氣管分出而流向壓力開關(guān)時，由于制冷劑泄漏、環(huán)境溫度過低等原因造成壓縮機吸氣壓力過低，壓力開關(guān)將斷開壓縮機工作電路令其停止。當壓力上升時，壓力開關(guān)自動復(fù)位。如果制冷劑泄漏會滲出冷凍油，一旦發(fā)現(xiàn)管路某處有油漬，可用白布擦拭或用手直接觸摸檢查，并做進一步確認。根據(jù)上述方法進行詳細的外觀檢查，而實際檢查過程中并沒有發(fā)現(xiàn)有制冷劑泄漏現(xiàn)象。

2.1.2 空調(diào)機組運行參數(shù)測試

檢測司機室空調(diào)機組運行壓力等參數(shù)均正常，測試數(shù)據(jù)基本一致。表1 為其中一臺機組的返廠測試數(shù)據(jù)。

從返廠測試記錄看，機組自身運行正常，低壓壓力值在0.40 MPa，遠高于動作值（0.19±0.05）MPa。這說明出現(xiàn)低壓故障的原因不在制冷系統(tǒng)本身，可能為運營時的外界條件造成，如溫度、操作習(xí)慣等。

表1 空調(diào)機組返廠測試數(shù)據(jù)

2.2 裝車運行測試分析

故障的空調(diào)機組經(jīng)返廠測試后又裝車運行，發(fā)現(xiàn)送風風量過小、新風溫度或回風溫度過低、送風與回風短路、回風溫度傳感器讀數(shù)偏高4 種因素仍會對空調(diào)機組運行壓力造成影響，從而出現(xiàn)偶發(fā)的低壓故障。

2.2.1 送風風量過小

送風風量過小會影響蒸發(fā)器側(cè)的換熱，造成壓縮機吸氣壓力越來越低，直至低壓開關(guān)動作，低壓故障出現(xiàn)。司機室送風格柵分左右兩部分（機械互鎖，不會出現(xiàn)同時關(guān)閉的現(xiàn)象），可以手動調(diào)節(jié)。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，由于司機對舒適性的要求，開度都非常小。司機室通風機風速選擇不統(tǒng)一，高低速均有。

司機室空調(diào)機組送風風量設(shè)計參數(shù)：高速檔為（750±100）m3/h，低速檔為500 m3/h。通過對送風格柵各狀態(tài)下的高、低速檔位送風量的測量，未發(fā)現(xiàn)送風風量小于設(shè)計要求的現(xiàn)象（見表2）。

表2 司機室送風風量測試結(jié)果

通過對送風風量的測量，可以排除送風風量不足。因此，司機室低壓故障應(yīng)為其他因素造成。

2.2.2 新風溫度或回風溫度過低

如果新風溫度或回風溫度過低，將會造成蒸發(fā)器前端混合風溫度較低，影響蒸發(fā)器側(cè)的換熱，造成壓縮機吸氣壓力越來越低，直至低壓開關(guān)動作、低壓故障出現(xiàn)。為了減輕新風溫度或回風溫度過低對制冷運行的影響，嘗試對司機室軟件進行了優(yōu)化升級：新風溫度≥35 ℃時，司機室制冷目標溫度最低限制為21 ℃；新風溫度＜35 ℃時，司機室制冷目標溫度最低限制為23 ℃。

軟件修改后故障仍未徹底消除。所以，新風或回風溫度過低并非造成低壓故障的唯一因素。

2.2.3 送風與回風短路

通過對司機室空調(diào)送風與回風口的檢查，發(fā)現(xiàn)送風口與回風口距離很近；通過對司機操作習(xí)慣的觀察，發(fā)現(xiàn)司機對送風格柵的開度和朝向、目標溫度設(shè)定和風速設(shè)定沒有統(tǒng)一標準。實際運營極有可能在以下工況下工作：司機室空調(diào)目標溫度設(shè)定為21 ℃，風速設(shè)定為低速。如圖2 所示將右側(cè)送風格柵（朝向司機）全關(guān)，通過調(diào)整左側(cè)新風格柵開度，對送風溫度和回風溫度進行測量，7 個測點的測量結(jié)果如表3 所示。

圖2 送風、回風溫度測點布置圖

表3 左側(cè)送風格柵開度不同時送風與回風溫度測量值

從表3 可以得出如下結(jié)論：

1）送風格柵開度為25%時，回風口溫度不均勻；其中測點7 溫度較高，測點4、5、6 溫度受送風溫度影響而溫度偏低，此時出現(xiàn)了送風與回風短路的現(xiàn)象。

2）送風格柵開度為100%時，回風口溫度均勻，回風溫度基本不受送風溫度影響，不會出現(xiàn)送風與回風短路的現(xiàn)象。

2.2.4 回風溫度傳感器讀數(shù)偏高

司機室空調(diào)溫度控制邏輯要求“司機室溫度低于設(shè)定目標溫度時空調(diào)停機”，但實際使用中如存在以下情況時，制冷仍會運行：

1）壓縮機啟動后為保護壓縮機，即使室內(nèi)溫度低于目標溫度，壓縮機仍會在3 min 內(nèi)繼續(xù)運行；

2）回風溫度傳感器讀取數(shù)值高于回風口實際溫度時，參與制冷控制的回風溫度值采用回風溫度傳感器的數(shù)值也會造成壓縮機的繼續(xù)運行。

測試選取上海軌道交通13 號線1302 號列車TC2 車進行測試。回風溫度傳感器讀取回風溫度值與回風口測試溫度值相比偏高：左側(cè)送風格柵開度25%時，回風溫度值的讀數(shù)偏高約1.0 ℃；左側(cè)送風格柵開度100%時，讀數(shù)偏高約2.0 ℃。

回風溫度傳感器測試值偏高，可能與回風風道和傳感器的位置布置有關(guān)。由于設(shè)計已經(jīng)成型且車輛運營多年，風道與傳感器均無法變更。故可通過軟件對回風溫度進行修正處理。

2.3 分析總結(jié)

根據(jù)上述測試分析，新風溫度或回風溫度過低，將導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)霜影響蒸發(fā)器側(cè)換熱效率，造成壓縮機吸氣壓力偏低，從而發(fā)生報壓縮機低壓故障；送風口與回風口車內(nèi)布置距離近，加上司機的操作習(xí)慣易造成送風口與回風口氣流短路；回風傳感器一般是安裝在接近空調(diào)機組的回風風道上，而回風風道結(jié)構(gòu)與布置的不同、傳感器布置位置的不同都可能導(dǎo)致回風溫度傳感器讀數(shù)偏高。

3 處理措施及實施效果

3.1 新風溫度或回風溫度過低

針對新風溫度或回風溫度過低，可通過軟件進行優(yōu)化：即當新風溫度≥35 ℃時，司機室制冷目標溫度最低限制取為21 ℃；新風溫度＜35 ℃時，司機室制冷目標溫度最低限制取為23 ℃。

3.2 送風與回風短路

司機室左側(cè)送風格柵開度較小時，低溫的送風直接進入回風口，影響蒸發(fā)器側(cè)的換熱，會造成壓縮機吸氣壓力越來越低，直至低壓開關(guān)動作、低壓故障出現(xiàn)。應(yīng)調(diào)整送風格柵，左側(cè)送風格柵可加裝止檔以禁止朝向回風口，從而避免送風與回風短路。

3.3 回風溫度傳感器讀數(shù)偏高

壓縮機實際運行工況低于設(shè)定工況，蒸發(fā)器換熱不充分，造成壓縮機吸氣壓力越來越低，直至低壓開關(guān)動作、低壓故障出現(xiàn)。針對此故障通過軟件修正回風溫度傳感器讀取的數(shù)值，將回風溫度傳感器讀取數(shù)值減去2 ℃作為實際值參與控制。

針對上海軌道交通13 號線司機室空調(diào)機組的低壓故障，從上述3 個方面進行了整改，自2018 年2 月整改完成至今未出現(xiàn)一起同類故障，運營實際驗證了整改方案完全符合要求。

4 結(jié)語

在車輛空調(diào)系統(tǒng)的實際運用過程中，出現(xiàn)的故障不僅僅局限于空調(diào)機組的低壓故障，還存在不出風、風量小、通風機不工作、噪聲大、漏水等故障。地鐵車輛在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮實際應(yīng)用過程可能遇到的各種情況，采用成熟可靠的方案，來避免由于設(shè)計問題引起各類故障，并應(yīng)充分考慮空調(diào)系統(tǒng)不會由于個別小故障而影響車廂內(nèi)的舒適性，同時應(yīng)保證空調(diào)機組的可維護性強、軟件使用方便［3］。地鐵公司檢修部門也需通過對各類故障的分析總結(jié)，針對不同類型的故障采取相應(yīng)的處理，對各類檢修規(guī)程進行修訂使之完善，強化對各類常發(fā)故障部件的預(yù)防檢查措施，加強對空調(diào)機組的日常維修保養(yǎng)及定期保養(yǎng)。只有通過一系列舉措的實施，才能有效地降低空調(diào)系統(tǒng)的故障率及維修成本。