中低速磁浮車輛供風系統設計研究

尹 根,高小波,楊錦灝

（中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001）

0 引言

中低速磁浮車輛基礎制動采用夾鉗與F軌摩擦配合的方式來獲得制動力，與普遍采用空氣制動系統的傳統城市軌道交通車輛相比，為獲得更高的制動壓力，中低速磁浮車輛采用全液壓制動系統。因此，中低速磁浮車輛對供風系統的性能要求低于傳統的城市軌道交通車輛，如排氣量、供氣質量等。雖然無須給制動系統供氣，但供風系統仍需要給空簧、汽笛等用氣設備提供壓縮空氣。尤其為空簧提供充足的壓縮空氣，可有效保障車輛懸浮的穩定性，提高乘客的舒適性。該文將逐一介紹中低速磁浮車輛的供風系統組成、空氣壓縮機的型式及其排氣量與風缸容積的計算方法。最后以某中低速磁浮項目為例，運用該方法對其供風系統能力進行驗證。

1 供風系統組成

中低速磁浮車輛供風系統原理圖如圖1所示，其主要由供風單元、輔助氣控單元、總風缸、空簧風缸、懸掛系統組成。懸掛系統是主要用風系統，其主要包含空簧和引導空簧充排氣的高度閥。

圖1 供風系統氣路原理圖

1.1 供風單元

供風單元的功能是為整車用氣設備提供清潔、干燥的壓縮空氣，其主要由空氣壓縮機、干燥器、安全閥等部件組成。圖2所示為一種供風單元的氣路原理示意圖。

圖2 供風單元氣路原理示意圖

空氣經空氣濾清器（A01.01）過濾后，被壓縮機組（A01.02）加壓至最大工作壓力，然后經油濾器（A01.05）、單向閥（A02）后進入干燥器（A03），干燥后的壓縮空氣經過壓力維持閥（A04）流入總風管路。安全閥（A01.03和A06）用于避免壓縮空氣超過最大工作壓力，損壞氣路設備。當系統壓力超過安全閥的設置值，安全閥將開啟排風，保證系統不過壓。

1.2 輔助氣控單元

輔助氣控單元的功能是為空簧提供壓縮空氣控制，確保壓縮空氣的壓力在設備正常使用范圍。同時，采集總風、空簧的壓力信息傳送給電子制動控制單元或車輛控制單元，用于狀態監控和制動力計算。

輔助控制裝置主要由單向閥、溢流閥、壓力開關、壓力傳感器等部件組成。圖3所示為輔助氣控單元的原理示意圖。

圖3 輔助氣控單元原理示意圖

壓縮空氣經球閥（.01）、過濾器（.02）、單向閥（.07）和溢流閥（.08）后流入空簧。壓力開關（.03和0.4）和壓力傳感器（.05）用于總風壓力監控。壓力傳感器（.11和.13）用于空簧壓力的采集，以便計算車輛的載荷。

2 空氣壓縮機型式

按潤滑方式，空氣壓縮機分為有油壓縮機和無油壓縮機兩種類型。目前，有油壓縮機和無油壓縮機均被中低速磁浮車輛使用，如長沙磁浮機場線采用有油壓縮機、鳳凰磁浮列車采用無油壓縮機。相對于有油壓縮機，無油壓縮機首先工作過程中不使用潤滑油。因此，無須配置濾油器，也無須定期更換潤滑油，降低維護成本，減少廢油對環境的污染。其次，有油壓縮機為防止潤滑油乳化，要求壓縮機的工作率不低于30%。而無油壓縮機不存在乳化問題，其工作率可為0%~100%，能更好地滿足中低速磁浮車輛靈活的運行安排要求，延長壓縮機的使用壽命。最后，無油壓縮機采用模塊化設計，結構緊湊，重量輕，振動小，能更好地適應中低速磁浮車輛設備多、安裝空間有限的特點。此外，雖然無油壓縮機初始投資成本較高，但由于能耗低、無油、備品備件數量少等特點，其全壽命周期成本比有油壓縮機低。因此，中低速磁浮車輛更推薦使用無油壓縮機，用于中低速磁浮車輛的無油壓縮機主要有渦旋式和活塞式兩種。與活塞式相比，渦旋式壓縮機為第三代壓縮機產品[1]。首先，由于無進氣閥等易損件，組成渦旋式壓縮機的零部件少于活塞式壓縮機，具有結構簡單、體積小、重量輕、可靠性高的特點。其次，驅動動渦盤運動的偏心軸可以高速旋轉，但動渦盤與主軸等運動部件的力矩變化小，平衡性高，振動小，運轉平穩。同時，壓縮機的壓縮腔為多室壓縮機構，吸排氣過程幾乎連續進行，因此，渦旋式壓縮機的噪聲低于活塞式壓縮機。最后，渦旋式壓縮機無余隙容積，相鄰腔室內的壓力差近似連續變化。同時，動、靜渦盤端面接觸部的密封條依靠軸向背壓被壓緊，實現良好的密封效果，幾乎不存在內泄漏，使壓縮機能夠保持高容積效率運行，具有能耗小、效率高及延長使用壽命的優點[2]。但由于加工工藝復雜，密封要求高，導致渦旋式壓縮機的成本高于活塞式壓縮機。

3 空氣消耗量計算

中低速磁浮車輛空氣壓縮機供風能力的確定需要綜合考慮空簧、汽笛等用氣設備的耗氣量、管路的泄漏量及風缸容積大小的影響。

3.1 空簧

空簧的耗氣主要分為靜態耗氣和動態耗氣，其耗氣行為通過高度閥充排氣完成。靜態耗氣是指車輛停車后，由于乘客上下車導致高度閥充排氣而產生的耗氣。而動態耗氣是指車輛運行過程中，由于車輛擺動導致高度閥充排氣而產生的耗氣。

（1）空簧的靜態耗氣量QAS,s_veh：

式中，kAS——經驗值，負載變化引起的耗氣因數；

Ns——每分鐘列車經過的站點數；

nAs——每節車的空簧數量；

Vs,i——每節車空簧的容積（含附件氣室及管路）；

pmax——最大載荷時的空簧平均壓力；

pmin——空載時的空簧平均壓力；

P0——大氣壓力。

（2）空簧的動態耗氣量QAS,s_veh：

式中，nLV——每節車高度閥數量；

qd——單個高度閥的排氣量；

tdyn——站間平均運行時間；

ts——站間平均耗時（含站停時間）。

3.2 汽笛

汽笛每次鳴響的耗氣量QHO_veh：

式中，kHO——估算系數，汽笛的工作率；

Ns——每分鐘列車經過的站點數；

qHO——汽笛每分鐘的耗氣量；

tHO——單次鳴笛持續的時間；

nHO——同時工作的汽笛數量。

3.3 管路泄漏量

管路的泄漏量QLeak_veh：

式中，qLeak——系統每分鐘的泄漏量；

Vp,i——每節車總風管路的容積；

VR,i——每節車所有風缸的容積。

4 供風能力計算

列車普遍配有兩臺空氣壓縮機，初充風要求兩臺壓縮機同時工作時，可以在規定時間內，將總風管壓力由0升至最大工作壓力。而當一臺壓縮機故障時，單臺壓縮機的供氣也能滿足整車的用氣需求，即在規定時間內將總風管壓力由最小工作壓力升至最大工作壓力。

（1）兩臺壓縮機同時工作的供風能力計算：

式中，tCharge——空壓機充氣時間；

VR_veh——整車風缸容積；

Vp_veh——整車總風管容積；

VAS_veh——整車空簧的容積（含附件氣室及管路）；

pmax——正常情況下，系統工作壓力的最大值；

PAS_min——空載時空簧對應的平均壓力；

Pstart——開始充氣時的總風壓力；

ncomp——整車空氣壓縮機的數量；

Qcomp——單臺壓縮機的凈排氣量。

（2）單臺壓縮機同時工作的供風能力計算：

式中，tCharge——空壓機充氣時間；

VR_veh——整車風缸容積；

Vp_veh——整車總風管容積；

pmax——正常情況下，系統工作壓力的最大值；

pmin——正常情況下，系統工作壓力的最小值；

Qcomp——單臺壓縮機的凈排氣量。

5 風缸容量需求計算

中低速磁浮車輛僅配置總風缸和空簧風缸，總風缸主要用于給所有用氣設備提供緊急情況下的供氣。空簧風缸主要用于給空簧供氣。當整車壓縮機均故障時，所有風缸存儲的壓縮空氣應至少保證車輛運行至下一站，保障乘客的安全。

（1）總風缸的容積VMR_veh：

式中，VMR_veh——整車總風缸容積；

ts_max——站間最長耗時。

（2）所有風缸容積VR_veh：

采用上式計算過程中，應考慮最惡劣的工況，如載荷變化由空載向最大載荷變化。此外，上式計算的結果為所需的最小容積，實際設計選型時，可以根據設備安裝空間等增大風缸的容積，更好地滿足用風需求。

6 實例驗證與結論

某中低速磁浮項目采用三節編組，其供風系統的配置及參數如表1所示。

表1 供風系統配置

車輛站間平均運行時間tdyn為4.95min，平均耗時ts為5.45 min，每分鐘列車經過的站點數Ns為0.18。車輛空載時，空簧的工作壓力為4.0 bar，最大載荷時，空簧的工作壓力為5.3 bar。車輛正常運行的最低總風壓力為7 bar，最大總風壓力為9 bar。該項目要求供風系統初充風時間不超過15 min。

根據以上公式和參數計算得到整車總風缸的容積VMR_veh應不小于102.42 L，所有風缸的容積應不小于402 L。而磁浮車輛配置的總風缸總容積為135 L，所有風缸容積為405 L，因此，風缸儲風容量滿足整車的用風要求。

列車的初充風（由0升至9 bar）的時間tCharge為10.57 min，因此，壓縮機的供風能力滿足初充風時間不超過15 min的要求。