軌道交通車輛變頻空調制冷劑泄漏在線診斷研究

張永利，王 磊，高福學，佘 凱，趙金剛

(山東朗進科技股份有限公司 工程設計部，山東 青島 266071)

根據我國“十三五”規劃政策，軌道交通產業將持續保持快速增長，各大城市的軌道交通運輸進入快速發展期，軌道交通產品的優化升級與智能化發展也是大勢所趨。軌道列車空調作為整車A類關鍵部件，對車輛運營的可靠性與舒適性有直接影響。對于軌道列車空調的故障與維護，浦漢亮和尹鵬飛指出：當前軌道列車空調的維護為定期維護，無法確定空調部件的狀態，效率低下且不經濟；空調出現故障后，采用人工排查和診斷既耗時又耗力[1-2]。從上述的研究結果中不難看出，在空調控制系統中添加故障預診斷功能，對降低維護成本具有很重要的意義。空調故障診斷在家用和商用領域已經得到了廣泛的研究，Setu Madhavi Namburu、袁玥、王江宇和周洪煜等已經對不同的應用場合針對性地搭建了空調故障診斷系統[3-6]。通過分析空調的運行參數，準確判斷空調機組各部件的狀態，節省了不必要的維護維修，減少了維護時間，在高峰時期可以有效地緩解軌道列車運營的壓力。近年來隨著計算機技術、互聯網技術的高速發展，陳煥新提出了將大數據和故障診斷系統相結合來建立模型，使檢測與診斷的效率更高[7-8]。

在制冷系統的諸多故障中，制冷劑泄漏故障對空調的運行影響最大，同時排查起來也最為困難[9]。制冷劑的泄漏會導致空調的制冷量下降，且能耗增加[10]；制冷劑泄漏會引起壓縮機潤滑油泄漏，嚴重時可導致壓縮機燒毀[11]；混合制冷劑系統中，制冷劑泄漏會使系統內工質組分改變，影響空調機組性能[12-13]。

在家用和商用空調領域，錢長華對不同制冷劑充注量下單元式空調機組的運行情況進行了試驗，分析了制冷劑泄漏對空調機組運行的危害，得出了增加壓力保護裝置的必要性[7]。潘正坤和馮淳則通過結合蒸氣壓縮制冷系統的原理，對制冷劑泄漏可能造成的故障及其解決方法進行了分析[14-15]。在工程實踐中，通過儀器檢測、浸水檢漏等各種手段，實現了對制冷劑泄漏故障的排查，并且針對不同的泄漏部位已經有相應的解決對策[16]。而在汽車空調領域，郭軍峰通過建立數學模型，對制冷劑泄漏和空調性能衰減之間的關系進行了計算分析[17]。本文將針對軌道交通車輛變頻空調機組(以下稱變頻軌道空調機組)制冷系統制冷劑泄漏故障，對上海地鐵某線路客室變頻軌道空調機組進行試驗研究，得到變頻軌道空調機組制冷系統在制冷劑發生不同程度泄漏時的狀態，為搭建故障預診斷系統提供數據支持。

1 空調控制及故障診斷方案

通過檢測空調機組制冷系統狀態參數，并與其他制冷系統參數進行對比，判斷系統內制冷劑的泄漏量。

2 試驗設備及方法

2.1 試驗設備

選用1臺上海地鐵某線路客室變頻軌道空調機組作為試驗樣機，進行制冷系統的制冷劑泄漏試驗。空調機組有2個制冷系統循環，充注R407C型制冷劑，單個循環的額定充注量為5.7 kg。該空調機組的系統原理圖如圖1所示。

1.壓縮機；2.四通換向閥；3.冷凝風機；4.冷凝器；5.電子膨脹閥；6.蒸發器；7.通風機；8.氣液分離器。

試驗在焓差試驗室內進行。焓差試驗室應滿足TB/T 1804—2009《鐵道客車空調機組》要求。試驗中用到的檢測儀表有：排氣溫度傳感器、冷凝器溫度傳感器、蒸發器溫度傳感器及系統壓力傳感器。

2.2 試驗方法和工況

本次試驗采取控制變量法，考慮到由100%充注量開始釋放制冷劑操作較為困難，在使用相同空調機組、相同試驗工況的條件下，制冷系統內首先充入額定充注量的40%(2.28 kg)進行試驗，然后依次充入額定充注量的10%(0.57 kg)，直至充注量為100%。

根據TB/T 1804—2009規定的額定制冷工況進行試驗，如表1所示。

表1 額定制冷工況 ℃

試驗時記錄以下參數：制冷劑充注量、制冷劑充注量占比、壓縮機運行頻率、膨脹閥開度、排氣溫度、冷凝器盤管溫度、蒸發器盤管溫度、排氣壓力、回氣壓力、制冷量及輸入功率。

3 試驗結果及分析

表2為變頻軌道空調機組制冷系統制冷劑泄漏試驗結果。圖2為變頻軌道空調機組制冷系統壓力和盤管溫度隨制冷劑充注量變化。圖3為變頻軌道空調機組制冷系統制冷量及輸入功率隨制冷劑充注量變化。

表2 變頻軌道空調機組制冷系統制冷劑泄漏試驗結果

從圖2、圖3可以看出，隨著制冷劑充注量的逐漸增加，制冷系統的換熱器(冷凝器和蒸發器)盤管溫度、系統壓力、制冷量及輸入功率均呈現單調變化的趨勢。

圖2 變頻軌道空調機組制冷系統壓力和盤管溫度隨制冷劑充注量變化

圖3 變頻軌道空調機組制冷系統制冷量及輸入功率隨制冷劑充注量變化

隨著制冷系統內制冷劑充注量的增加，換熱器內制冷劑質量也在增加。由于系統內制冷劑主要集中在冷凝器內，即冷凝器內積液會隨著制冷劑充注量增加而增多，而冷凝器的容積不變，所以制冷劑在冷凝器內兩相段的長度變短，相變換熱的面積減小，故必須增大傳熱溫差，這會導致冷凝溫度升高。而冷凝溫度的升高導致了排氣壓力的升高。在制冷劑充注量增加后，蒸發器內的制冷劑量開始呈現增加趨勢，而后基本保持不變，因此回氣壓力隨之呈現相同的變化趨勢[18]。

在充入制冷劑的過程中，換熱器內部的制冷劑流量增大，換熱量增大，因此空調機組制冷系統的制冷量隨著充注量增多而上漲。同時由于系統內制冷劑流量增大，壓縮機的功率隨之升高，但是在制冷劑充注量達到額定充注量的70%以后，功率的增長趨于平緩。一方面是由于充注量達到70%以后，壓縮機運行頻率均為額定頻率；另一方面充注量達到70%以后，系統內制冷劑的狀態趨于平衡，因此導致了壓縮機的功率增長放緩。

從以上試驗數據對比可以看出，當制冷系統內制冷劑量在60%以下時，蒸發器中制冷劑含量少，氣相段的長度長，因此壓縮機的回氣過熱度大，導致排氣溫度高，造成壓縮機電機散熱困難，此時如果不對壓縮機進行卸載，隨著排氣溫度繼續上升，其內部溫度會達到200 ℃以上，將導致轉子軸承的潤滑油黏度急劇降低，最終因發生嚴重磨損而報廢[19]。

因為試驗研究對象是變頻空調，其壓縮機運行頻率和膨脹閥開度均可大范圍調節。因此當空調機組制冷系統內制冷劑量減少至60%以下時，可以通過降低壓縮機運行頻率，開大膨脹閥的開度(甚至可達最大開度)來保證空調機組基本可靠運行，但空調機組的性能會大幅度衰減。定速空調因為頻率和膨脹閥開度不可調，當缺少制冷劑時會導致壓縮機高溫保護，如果保護不當，則會造成壓縮機的損壞。

通過試驗數據的對比和分析可得出以下結論：當空調機組制冷系統內制冷劑量在額定充注量的60%時，可以判定制冷劑泄漏。因此，本文將空調機組制冷系統在60%及100%制冷劑充注量下的狀態參數差異進行了對比(表3)，作為控制系統判定空調機組是否處于缺制冷劑狀態(制冷劑充注量為60%或以下)的依據，為軌道空調機組預診斷系統的搭建提供數據支持。

表3 空調機組制冷系統在60%及100%制冷劑充注量下的狀態參數對比

4 總結與展望

通過對試驗結果進行分析，并結合變頻空調的特性，得出在列車運行過程中判斷空調機組制冷系統是否存在制冷劑泄漏的預診斷方案，即橫向對比正在運行的其他車廂空調機組制冷系統的參數，進行診斷和預判。

例如，當制冷系統的壓縮機在某一頻率運行下，若同時滿足以下3個條件：(1)電子膨脹閥開至最大運行一定時間后，排氣溫度高于其他系統；(2)冷凝器盤管溫度低于其他系統；(3)制冷系統的排氣壓力低于其他系統的排氣壓力，則可以判定該系統已出現制冷劑泄漏故障。

變頻軌道空調本身的電子膨脹閥開度和壓縮機運行頻率可控，同時可以監測到換熱器的盤管溫度和排氣溫度。在控制系統中添加預診斷功能，通過監測空調機組制冷系統的排氣溫度、排氣壓力、冷凝器盤管溫度參數，從而可以得出空調機組制冷系統內制冷劑的質量，進一步調節系統的運行狀態，保護空調機組制冷系統的壓縮機。同時，該項功能并不僅限于制冷劑泄漏故障，從空調系統參數中，還可以進行混合風濾網臟堵、制冷結冰、制熱過載及冷凝器臟堵等故障的預診斷。這將使空調機組故障的排查診斷更加智能、精準、快速。軌道列車運營方可以根據顯示的故障信息，準確地制定空調機組的維修、保養方案，從而極大地減小軌道列車空調的運營和維護成本。