城軌車輛預(yù)防空壓機(jī)潤滑油乳化問題智能化控制方案

田樹坤，郭 濤，付建鵬，袁世琳

(中車大連機(jī)車車輛有限公司 城軌技術(shù)開發(fā)部，遼寧 大連 116022)

隨著我國城軌車輛的高速發(fā)展，車輛的維護(hù)與保養(yǎng)工作越來越受重視。針對(duì)常見的問題每個(gè)用戶都摸索出一套自己的解決處理方案。在車輛制動(dòng)系統(tǒng)中供風(fēng)用有油空氣壓縮機(jī)常出現(xiàn)潤滑油乳化問題[1]，針對(duì)該問題，本文從智能化控制方面提出空壓機(jī)工作率可調(diào)控制方案，從控制空壓機(jī)工作率角度來預(yù)防油乳化問題的發(fā)生。

1 空氣消耗量計(jì)算及空壓機(jī)選型方案

每個(gè)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段都會(huì)根據(jù)線路條件、車輛典型運(yùn)行圖、載客情況、車輛基礎(chǔ)制動(dòng)單元、儲(chǔ)風(fēng)缸容積、車輛其他耗風(fēng)設(shè)備(如汽笛、撒砂設(shè)備)等進(jìn)行空氣消耗量計(jì)算。分析計(jì)算結(jié)果后會(huì)選擇一個(gè)適當(dāng)排風(fēng)量的空氣壓縮機(jī)，從而可以計(jì)算出空壓機(jī)的工作率。合理的工作率可以最大條件避免空壓機(jī)潤滑油乳化現(xiàn)象的發(fā)生。

2 空壓機(jī)控制方案及空壓機(jī)工作率

通常情況下，每列車配置2臺(tái)空壓機(jī)。2臺(tái)空壓機(jī)根據(jù)車輛的管理系統(tǒng)日期按單雙日定義為主空壓機(jī)與輔空壓機(jī)輪換工作。以總風(fēng)工作壓力為1 000 kPa的系統(tǒng)為例，被定義為當(dāng)日主空壓機(jī)的總風(fēng)壓力低于850 kPa時(shí)開始工作，當(dāng)總風(fēng)壓力升至1 000 kPa時(shí)停止工作；而被定義為輔空壓機(jī)的工作壓力控制范圍在800～1 000 kPa，次日則2臺(tái)空壓機(jī)主輔關(guān)系輪換[2]。

正常情況下，主空壓機(jī)可以獨(dú)自完成整個(gè)工作日的供風(fēng)工作，輔空壓機(jī)不需要工作。所以空壓機(jī)的工作率計(jì)算主要是針對(duì)主空壓機(jī)工作率進(jìn)行的。從車輛每日啟動(dòng)開始，到每日工作結(jié)束斷電，在這個(gè)工作期間內(nèi)空壓機(jī)累計(jì)的運(yùn)行時(shí)間與整個(gè)工作日時(shí)間的占比被定義為空壓機(jī)工作率?？諌簷C(jī)工作率計(jì)算公式如下：

tCYCLE=tON+tOFF

(1)

DCCOMP=tON/tCYCLE

(2)

式中：tON——空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間；

tOFF——空壓機(jī)休息時(shí)間；

tCYCLE——空壓機(jī)工作周期；

DCCOMP——空壓機(jī)工作率。

空壓機(jī)工作率計(jì)算還有一種簡便算法，即計(jì)算耗風(fēng)量與充風(fēng)量(空壓機(jī)凈排氣量)的比。

DCCOMP=Q耗風(fēng)量/Q充風(fēng)量

(3)

3 潤滑油乳化原因分析

空壓機(jī)潤滑油在與空氣接觸時(shí)會(huì)吸收空氣中的水分，如果潤滑油含水量超過一定比例會(huì)呈現(xiàn)乳白色或乳黃色，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有氣泡混在潤滑油中，此時(shí)潤滑油各項(xiàng)性能均下降，喪失其潤滑功能導(dǎo)致摩擦部件磨損，潤滑油變質(zhì)需立即更換。

避免潤滑油發(fā)生乳化現(xiàn)象最有效的辦法就是讓油溫升高，使夾雜在潤滑油中的水汽蒸發(fā)掉，減少水汽進(jìn)入量可以極大避免油乳化現(xiàn)象的發(fā)生，而通?？諌簷C(jī)在工作效率高于30 %的情況下，油溫可以維持在一個(gè)較高的溫度，基本可以避免油乳化現(xiàn)象的發(fā)生。

造成城軌地鐵車輛空壓機(jī)潤滑油乳化的主要原因就是空壓機(jī)實(shí)際工作率長時(shí)間處于低于30 %的工況。常見于新線路開通初期，因客流量不足，車輛載荷變動(dòng)很小，空氣彈簧作為主要耗風(fēng)量設(shè)備工作量小，進(jìn)而使整車空氣消耗量降低，空壓機(jī)工作率不足30%，甚至更低。這種情況下勢必造成空壓機(jī)潤滑油乳化現(xiàn)象的發(fā)生。

4 預(yù)防潤滑油乳化問題智能化控制方案

有效預(yù)防潤滑油乳化問題的辦法就是控制空壓機(jī)工作率在高于30 %的工況。在空壓機(jī)凈排風(fēng)量不變的條件下，增加空氣消耗量是增加空壓機(jī)功率的一個(gè)有效辦法。如果可以通過列車管理系統(tǒng)對(duì)空氣消耗量進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么也就是實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓機(jī)工作率的調(diào)節(jié)。

4.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)方案

在總風(fēng)管路上配置2套排風(fēng)裝置，該裝置由截?cái)嗳T(A51)、電磁閥(A52)、溢流閥(A53)、節(jié)流縮堵(可調(diào)口徑)(A54)、消音器(A55)組成。以1 000 kPa工作壓力系統(tǒng)為例，圖1為自動(dòng)排風(fēng)裝置原理圖。

如圖1所示，列車管理系統(tǒng)控制電磁閥得電，電磁閥得電后會(huì)使總風(fēng)管路與大氣相通，實(shí)現(xiàn)排總風(fēng)動(dòng)作。溢流閥的作用是當(dāng)總風(fēng)壓力低于850 kPa時(shí)自動(dòng)關(guān)閉排風(fēng)通路，在耗風(fēng)量突增的工況下防止系統(tǒng)壓力繼續(xù)降低而觸發(fā)輔空壓機(jī)工作。節(jié)流縮堵(可調(diào)口徑)實(shí)現(xiàn)空氣消耗量控制，不同口徑的節(jié)流縮堵可以提供不同的空氣消耗量值。截?cái)嗳T可根據(jù)需求選擇排風(fēng)裝置的使用數(shù)量。消音器有降噪環(huán)保功能。

圖1 自動(dòng)排風(fēng)裝置原理圖

4.2 控制方案設(shè)計(jì)

當(dāng)空壓機(jī)電機(jī)接觸器閉合時(shí)，一個(gè)定義為“空壓機(jī)運(yùn)行”的硬線信號(hào)會(huì)發(fā)送給列車管理系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)將主空壓機(jī)運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，同時(shí)也記錄了主空壓機(jī)休息時(shí)間，這樣系統(tǒng)會(huì)通過計(jì)算得出當(dāng)前空壓機(jī)的工作率。當(dāng)列車管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)空壓機(jī)工作率低于30%時(shí)，控制電磁閥得電，總風(fēng)通過節(jié)流縮堵緩緩排入大氣，增加車輛的空氣消耗速度，使空壓機(jī)工作率升高，如果1套排風(fēng)裝置仍不足以將空壓機(jī)工作率提高到30 %，那么就同時(shí)開啟2套排風(fēng)裝置，使空壓機(jī)工作率大幅度提高。隨著客運(yùn)量不斷增多，可視情況選擇關(guān)閉1套排風(fēng)裝置。為了排除短時(shí)間內(nèi)空氣消耗量不穩(wěn)定因素干擾，空壓機(jī)工作率統(tǒng)計(jì)計(jì)算采用整時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算，例如：每1 h或者每2 h或者每4 h統(tǒng)計(jì)計(jì)算一次。列車管理系統(tǒng)根據(jù)每次統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果判定是否需要開啟排風(fēng)裝置。

5 案例分析

以某項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用情況為例，詳細(xì)說明空壓機(jī)工作率的智能控制情況。

該項(xiàng)目車輛基本參數(shù)見表1。

表1 車輛基本參數(shù)

該項(xiàng)目TCMS系統(tǒng)管理控制邏輯為每4 h進(jìn)行一次空壓機(jī)工作率統(tǒng)計(jì)，如計(jì)算結(jié)果低于30 %，那么接下來的4 h內(nèi)排風(fēng)裝置一直處于開啟狀態(tài)，直到得出下一次統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果后再進(jìn)行判斷，如果計(jì)算結(jié)果仍小于30 %，那么排風(fēng)裝置繼續(xù)保持開啟狀態(tài)，如果高于30 %則關(guān)閉排風(fēng)裝置。

按車輛每天工作16 h計(jì)算，TCMS從每天空壓機(jī)第一次運(yùn)行開始計(jì)時(shí)，每4 h計(jì)算一次，分別在4 h、8 h、12 h統(tǒng)計(jì)計(jì)算一次，每天統(tǒng)計(jì)計(jì)算總共3次。

在項(xiàng)目開通初期，因客流量比較低，加之車輛從清晨啟動(dòng)到正式上線運(yùn)營，在車輛段待機(jī)時(shí)間比較長，因此在車輛運(yùn)營的首個(gè)4 h內(nèi)空壓機(jī)工作率實(shí)際僅有10%左右。由此可以估算當(dāng)前情況下車輛的實(shí)際平均耗氣量Qnet_veh_10%：

Qnet_veh_10%=Qcomp-AD×10% = 68.2 L/min

(2)

(1) 當(dāng)車輛運(yùn)行4 h時(shí)，TCMS系統(tǒng)開始進(jìn)行第一次空壓機(jī)工作率計(jì)算?？諌簷C(jī)工作率小于30%的計(jì)算結(jié)果滿足開啟排風(fēng)電磁閥的條件，TCMS控制排風(fēng)電磁閥得電，同時(shí)打開2個(gè)排風(fēng)口。此時(shí)車輛增加了2個(gè)185 L/min穩(wěn)定的耗風(fēng)量，對(duì)應(yīng)682 L/min凈排氣量的空壓機(jī)，一套1.4 mm口徑的排風(fēng)裝置可以提高約27.1%的工作率，2套裝置相當(dāng)于提升了54.3%的工作率。此時(shí)車輛的實(shí)際耗風(fēng)量為：

Qnet_veh_4=Qnet_veh_10%+Qleak_A54×2=438.2 L/min

2套排風(fēng)裝置同時(shí)開啟的條件下空壓機(jī)工作率為：

DCCOMP_4h=Qnet_veh_4/Qcomp-AD= 64.3%

那么，接下來的4 h內(nèi)，空壓機(jī)工作率將維持在64.3%，隨著客流量增大，耗風(fēng)量增加，該數(shù)值還有增加的趨勢。

(2) 當(dāng)車輛運(yùn)行8 h時(shí)，TCMS系統(tǒng)將進(jìn)行第二次空壓機(jī)工作率計(jì)算，假定第二個(gè)4 h內(nèi)耗風(fēng)量無明顯變化，空壓機(jī)工作率穩(wěn)定在64.3%。

那么，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營8 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_8h= (10% + 64.3%)/2 = 36.75%

空壓機(jī)工作率大于30%的計(jì)算結(jié)果滿足關(guān)閉排風(fēng)電磁閥的條件，TCMS控制排風(fēng)電磁閥失電，同時(shí)關(guān)閉2個(gè)排風(fēng)口。此時(shí)車輛耗風(fēng)量又回到最初的68.2 L/min。那么接下來的4 h內(nèi)，空壓機(jī)又將以10% 的工作率運(yùn)行。

(3) 當(dāng)車輛運(yùn)行12 h時(shí)，TCMS系統(tǒng)將進(jìn)行第三次空壓機(jī)工作率計(jì)算，假定第三個(gè)4 h內(nèi)耗風(fēng)量無明顯變化，空壓機(jī)工作率穩(wěn)定在10%。

那么，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營12 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_12h= (10% + 64.3% + 10%)/3 = 28.1%

空壓機(jī)工作率小于30%的計(jì)算結(jié)果滿足開啟排風(fēng)電磁閥的條件，TCMS控制排風(fēng)電磁閥得電，同時(shí)打開2個(gè)排風(fēng)口。那么接下來的4 h內(nèi)，空壓機(jī)又將以64.3% 的工作率運(yùn)行。

以下分3種情況進(jìn)行總結(jié)計(jì)算：

(1) 首個(gè)4 h內(nèi)空壓機(jī)工作率為10%的情況。

當(dāng)一天16 h的運(yùn)營時(shí)間結(jié)束時(shí)，如果使用2套排風(fēng)裝置，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(10% + 64.3% + 10% + 64.3%)/4

=36.7%

在同樣條件下，如果使用1套排風(fēng)裝置，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(10% + 37.1% + 37.1% + 37.1%)/4

=30.3%

(2) 極限情況1(首個(gè)4 h內(nèi)空壓機(jī)工作率為29.9%)。

如果使用1套排風(fēng)裝置，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(29.9% + 57% + 29.9% + 29.9%)/4

=36.7%

如果使用2套排風(fēng)裝置，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(29.9% + 84.2% + 29.9% + 29.9%)/4

=43.5%

(3) 極限情況2(首個(gè)4 h內(nèi)空壓機(jī)工作率為16.4%)。

如果使用1套排風(fēng)裝置，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(16.4% + 43.5% + 16.4% + 43.5%)/4

=29.9%

如果使用2套排風(fēng)裝置，空壓機(jī)在車輛運(yùn)營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(16.4% + 70.7% + 16.4% + 16.4%)/4

=29.9%

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營情況，可以選擇不同數(shù)量的排風(fēng)裝置，從而控制空壓機(jī)工作率在一個(gè)理想范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

綜上分析，列車管理系統(tǒng)根據(jù)車輛空壓機(jī)工作率實(shí)際情況進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，以保證空壓機(jī)工作率維持在一個(gè)較高的工況。該控制方案適用于所有城軌車輛，根據(jù)不同項(xiàng)目實(shí)際情況可以通過調(diào)整排氣口徑大小以及空壓機(jī)工作率統(tǒng)計(jì)采集時(shí)間來進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。該控制方案還能夠有效地預(yù)防空壓機(jī)潤滑油乳化問題的發(fā)生。