某地鐵二號線車輛供風單元替代性研究*

徐 帥，趙建飛，王 鑫，田 鐸

(1.克諾爾車輛設備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215151；2.沈陽地鐵集團有限公司運營分公司，遼寧 沈陽 110011)

0 引 言

在地鐵車輛中，供風單元(ASU)為車輛的制動系統提供高質量的壓縮空氣，除制動系統外還為車輛的空氣簧、汽笛、升弓裝置等設備提供氣源，供風單元的可靠性直接影響著車輛的安全運行。

通常供風單元主要包含空壓機組、干燥器、油濾器以及安全閥等裝置，目前，城軌車輛中市場中較為常見的空壓機組主要有兩中類型，即活塞式空壓機和螺桿式空壓機，活塞式空壓機較為常見的是克諾爾公司的VV120型空壓機組，其性能穩定可靠，同時維護內容較少，螺桿式空壓機排量相對較大，噪音和振動性能占有一定的優勢。

某城市地鐵二號線項目空壓機組故障率偏高，維護內容較多且維護的成本偏高，為了降低空壓機故障率和檢修維護成本，減少車輛維修停時和提高車輛可用性，對二號線既有的供風單元進行了替代性研究和相關的驗證工作，同時，為其他地鐵車輛供風單元的升級改造提供一定的參考。

1 既有供風單元配置與現狀

某地鐵二號線于2011年底開通運營，采用6 輛編組B型地鐵車輛，最高運行速度 80 km/h，每列車設置2臺供風單元，既有供風單元采用某公司的螺桿式空氣壓縮機組，由三相AC380V交流電動機驅動，供風單元主要部件構成有螺桿式壓縮機組、啟動裝置、冷卻器、干燥器、濾清器、安全閥、壓力開關等。

兩端的Tc車輛配置了啟動裝置，其中包含接觸器、繼電器、壓力開關等設備，并采用硬線的方式控制空壓機的啟停，在列車正常運行時兩臺空壓機分別控制，1臺(列車運行方向前方的空氣壓縮機)正常起動，另1臺將作為備用空壓機。總風的正常工作壓力范圍為7.50～9.00 bar，當總風空氣壓力降到低于7.50 bar時，主空壓機啟動，當總風壓力低于6.80 bar時，輔助空壓機同時啟動，當總風壓力低于6.00 bar時，列車自動采取措施保障列車運行安全。

2 新供風單元的設計

2.1 空壓機組的選型

經過技術參數的對比，以及車輛的相關技術要求，計劃為此項目選擇成熟應用的VV120型空壓機組，每列車設兩臺ASU(Air Supply Unit供風單元)，每臺ASU主要包括VV120型活塞式空氣壓縮機組、LTZ015.0H 型雙塔空氣干燥器和OEF1型精細油濾器等，設備同時安裝在一個共用框架以便于安裝和維護，對風源的機械接口進行重新設計，滿足現車的接口需求，VV120空壓機組技術參數見表1所列。

表1 VV120空壓機組技術參數

2.2 負荷率與充風時間校核計算

基于車輛已有的配置，如固定的風缸容積、空氣簧及附加氣室容積、平均旅行速度、制動力大小等，對選擇的ASU進行耗風量計算，通過理論計算可知，初充風時間約為14.2 min，總風壓力隨空壓機工作的變化過程見圖1所示。

圖1 初充風時間理論計算

空壓機理論計算的最大負荷率為79.5%，最小負荷率為42.8%，當1臺空壓機組故障時，另1臺空壓機組可以滿足車輛的用風需求[1]，同時，1臺空壓機的負荷率不低于30%，空壓機負荷率的理論計算結果見表2所列。

表2 空壓機相對負荷率理論計算

2.3 啟動裝置電氣改造與功能調整

由于VV120空壓機組結構簡單，內部采用飛濺式潤滑，雙塔式干燥塔具備自動的加熱功能，針對原空壓機組的控制功能及電氣原理進行了調整，保持不變的功能/裝置有：①空壓機啟動裝置，以及相應的設備與設定值；②空壓機管理邏輯；③強迫泵風功能。取消的功能及相應的部件有：①油溫的高低溫保護功能及相應的報警信息；②防備壓啟動功能。

空壓機管理將保持原有的車輛邏輯與配置不變，為了最大程度的減小車輛的變動，將保留啟動裝置中的硬件，但對接線進行了適當的調整，電氣改造原理圖見圖2所示，具體為：①保留IX1中的觸點/接線1、2、3，其將作為新空壓機組380 V的供電，保留IX2中的觸點/接線1、2、3，其將分別作為110V控制電路的供電及啟動信號；②刪除IX2的針腳4，IX3的針腳5、6、7、8、9，IX4的針腳1、2；③特殊處理的接線為繼電器KA6的13、14觸點，將其調整為常閉觸點，同時，溫度異常報警信號失效。

圖2 啟動裝置電氣改造

3 試驗與跟蹤測試

為保證車輛的供風性能滿足要求，在供風單元裝車前后進行了一系列的試驗，圖3所示為裝車后的供風單元。試驗主要包含三個部分：供風單元的功能試驗、靜態調試試驗、正線驗證試驗等。

圖3 VV120供風單元裝車

3.1 供風單元功能試驗

該試驗為空壓機組出廠時的測試，測試時間不小于1 h，測試項點包含：軸速、排氣量、泄漏、壓力等，經過測試供風單元性能符合要求[2]，主要的測試結果見表3所列。

表3 功能試驗結果

3.2 靜態調試試驗

供風單元裝車后，在車輛靜態條件下檢查供風單元的各個部件和系統功能，主要包含空壓機安裝和接線檢查、零部件狀態檢測、啟動測試、干燥塔切換周期測試、安全閥功能測試、空壓機管理測試、初充風試驗、強迫泵風試驗等[3]。

3.2.1 列車初充風時間試驗

排盡所有風缸和連接管路的余風(含空氣彈簧)，啟動空氣壓縮機并記錄總風壓力的上升時間，總風缸壓力由0 bar升到9.0 bar的時間為14 min 7 s，小于15 min，測試結果合格。

3.2.2 空壓機管理與強迫泵風測試

試驗前確認供風單元的全部設備處于正常工作狀態，連接管路的氣密性符合要求，緩慢開啟總風缸的排水塞門，記錄主空氣壓縮機啟動及停機時的總風壓力，切斷主空壓機電源，用上述方法排放總風缸的壓縮空氣，記錄備用空壓機啟動及停機時的主風壓力，切換主/備用空壓機后重復上述操作。

主空壓機啟動壓力應為7.50±0.20 bar，停機壓力應為9.0±0.20 bar；備用空壓機啟動壓力應為6.80±0.20 bar，停機壓力應為9.00±0.20 bar，測試結果見表2所示。空壓機狀態正常時，手動按下強迫泵風按鈕使空壓機強制打風，兩端空壓機啟動正常。

表4 空壓機啟停管理測試結果

3.2.3 干燥塔切換周期測試

空壓機正常運轉時，根據切換狀態與聲音判斷干燥塔是否按照周期正常的進行切換，空氣干燥器的電磁閥以60±10 s間隔得電或失電，測試結果合格。

3.3 空壓機負荷率及正線跟蹤測試

車輛正線運行并在回庫后記錄正線運營時長和空壓機運轉時間，基于負荷率計算公式D=t_on/(t_on+t_off)計算空壓機的負荷率，當負荷率高于30%時可有效降低潤滑油乳化的風險。根據3個月的抽樣測試結果，空壓機負荷率不低于30%，表5所列為負荷率抽樣測量和計算結果，由于試驗期階段載客量較小，負荷率可能與正式運營后有所差異。

同時，經過3個月5 000 km的正線空載運行，以及3個月30 000 km的正線載客運營，空壓機功能狀態正常，性能穩定。

表5 負荷率測試(抽樣)

3.4 全壽命周期維護

供風單元日常維護內容、周期，以及大修維護的周期是供風單元全壽命周期成本的重要組成，VV120供風單元的主要維護內容有：空氣濾清器濾芯的更換(1年/次)、精細濾油器濾芯的更換(2年/次)、潤滑油的加注(1年/次)，大修周期最長可至8年或12 000工作小時。經過對比供風單元全壽命周期(30年)的維護費用，將項目的供風單元替換后維護成本可下降約65%。

4 結 語

此次替換采用廣泛應用的克諾爾公司VV120型空氣壓縮機組，根據既有螺桿式空壓機的機械/電氣接口、維護空間等現場調查結果，對VV120型供風單元的接口以及既有啟動裝置進行了適當的調整，使其接口和性能等滿足某地鐵二號線的運營要求，同時保留原有的車輛啟動控制裝置和設備，較少的變動車輛零部件，實現1:1的替換。經過一系列的試驗和跟蹤測試，VV120型供風單元功能正常，通過替代能夠有效降低空壓機故障率和檢修維護成本，減少車輛維修停時，提高車輛可用性。