軌道交通無(wú)油活塞式主供風(fēng)單元適應(yīng)性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

郭志剛,孟繁輝,許榮斌,王宏宇

(1.南京中車(chē)浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司,江蘇 南京 211800; 2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130062)

0 引 言

主供風(fēng)單元產(chǎn)品是列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其主要作用是為制動(dòng)系統(tǒng)和空簧等用風(fēng)設(shè)備提供干燥、清潔的壓縮空氣。目前,國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛用主供風(fēng)單元主要有油活塞式和噴油螺桿式兩種,均為有油型式,部分地鐵線(xiàn)路及膠輪車(chē)等新應(yīng)用領(lǐng)域已開(kāi)始逐漸嘗試使用無(wú)油型式產(chǎn)品,但均為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。

近年來(lái),隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展,列車(chē)的牽引、網(wǎng)絡(luò)、制動(dòng)、信號(hào)等關(guān)鍵系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主化,但其核心部件仍主要依賴(lài)進(jìn)口。國(guó)內(nèi)相應(yīng)的自主化產(chǎn)品均未在軌道交通中廣泛應(yīng)用,甚至部分產(chǎn)品無(wú)自主化替代。而且當(dāng)前單邊主義、貿(mào)易保護(hù)主義逐漸抬頭,國(guó)際形勢(shì)嚴(yán)峻。因此,為預(yù)防國(guó)際貿(mào)易摩擦對(duì)制造業(yè)造成阻礙,核心技術(shù)攻關(guān)已迫在眉睫。

基于此,為引領(lǐng)軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向,推動(dòng)相關(guān)軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提高軌道交通制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì),在軌道交通領(lǐng)域研制擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)油式主供風(fēng)單元呈亟待解決之勢(shì)。相比有油式產(chǎn)品,無(wú)油式主供風(fēng)單元不但可以有效防止?jié)B漏油、空氣含油超標(biāo)、油溫高及油乳化等慣性故障,還具有綠色環(huán)保、壓縮空氣質(zhì)量高、維護(hù)保養(yǎng)部件少、適應(yīng)工況廣(低溫、低運(yùn)轉(zhuǎn)率)等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此,它將逐漸成為未來(lái)軌道交通發(fā)展方向。

筆者基于軌道交通主供風(fēng)單元低振動(dòng)、低噪音等技術(shù)要求,結(jié)合間隙啟停模式下低運(yùn)轉(zhuǎn)率、高可靠性等特殊使用工況要求,開(kāi)展無(wú)油式主供風(fēng)單元適應(yīng)性設(shè)計(jì)及研究。

1 設(shè)計(jì)調(diào)研及指標(biāo)

目前,軌道交通用無(wú)油空壓機(jī)主要包括無(wú)油活塞式和無(wú)油渦旋式,這兩者之間主要差異對(duì)比如表1所列。

表1 不同壓縮形式空壓機(jī)對(duì)比

結(jié)合考慮軌道交通車(chē)輛的特殊需求和技術(shù)難度、成熟度以及可制造性、可維護(hù)性等,此項(xiàng)目決定采用可制造性和技術(shù)成熟度高的無(wú)油活塞壓縮形式。

所設(shè)計(jì)產(chǎn)品為箱體式結(jié)構(gòu),由電機(jī)直聯(lián),驅(qū)動(dòng)壓縮模塊產(chǎn)生壓縮空氣,采用強(qiáng)制對(duì)流散熱方式對(duì)機(jī)組及壓縮空氣進(jìn)行散熱,并配置凝聚過(guò)濾器及雙塔吸附干燥器實(shí)現(xiàn)空氣壓縮,其質(zhì)量符合要求。產(chǎn)品整體方案、工作流程如圖1、2所示,技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

圖1 主供風(fēng)單元整體方案

圖2 工作流程

表2 技術(shù)指標(biāo)

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

無(wú)油活塞式主供風(fēng)單元的壓縮過(guò)程無(wú)潤(rùn)滑油參與且運(yùn)動(dòng)部件作變速運(yùn)動(dòng),因而其散熱效率及壓縮效率低于有油空壓機(jī),且運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在不可避免的慣性力,振動(dòng)噪音較大。

無(wú)油活塞式主供風(fēng)單元涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括對(duì)磨部件可靠性技術(shù)、散熱控制技術(shù)、無(wú)油潤(rùn)滑技術(shù)和減振降噪技術(shù)。

2.1 對(duì)磨部件可靠性

無(wú)油活塞主供風(fēng)單元依靠活塞、自潤(rùn)滑活塞環(huán)及導(dǎo)向環(huán)(PTFE)、氣缸組成的密閉腔室往復(fù)變化實(shí)現(xiàn)壓縮,對(duì)磨部件(活塞環(huán)及導(dǎo)向環(huán)與氣缸壁)存在往復(fù)摩擦且伴隨高壓、高溫等惡劣因素,因而對(duì)磨部件可靠性至關(guān)重要,壓縮部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 壓縮部件結(jié)構(gòu)

對(duì)磨部件可靠性提升體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

(1) 活塞環(huán)/導(dǎo)向環(huán)在PTFE基體基礎(chǔ)上按特定比列填充玻璃纖維、二硫化鉬、銅粉等,以進(jìn)一步提升其強(qiáng)度、耐磨性及熱傳導(dǎo)性。

(2) 氣缸采用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化表面處理,提升氣缸摩擦內(nèi)壁硬度及氧化層深度,提高其耐磨性;同時(shí)保證一定的粗糙度,使自潤(rùn)滑材料能夠有效填充在氣缸內(nèi)壁“凹坑”,形成保護(hù)膜,進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)。

(3) 采用兩道導(dǎo)向環(huán)設(shè)計(jì),充分保證活塞與氣缸同軸,避免活塞環(huán)及氣缸內(nèi)壁異常磨耗。

2.2 散熱控制

溫度直接影響到壓縮機(jī)壓縮效率以及對(duì)磨部件使用壽命,為此該方案采用強(qiáng)制對(duì)流、內(nèi)外雙重散熱模式進(jìn)行,通過(guò)流場(chǎng)仿真計(jì)算明確部件布置結(jié)構(gòu),充分降低壓縮部件溫度。

(1) 外部散熱模式

外部散熱流場(chǎng)如圖4所示。

圖4 外部散熱流場(chǎng)

① 沿冷卻風(fēng)氣流方向先后布置軸流式冷卻葉輪、氣缸/缸蓋、冷卻器,外界冷空氣直接對(duì)流氣缸/缸蓋,可充分提高壓縮部位散熱效率,降低氣缸、自潤(rùn)滑活塞環(huán)/導(dǎo)向環(huán)等部件工作溫度。

② 氣缸布置在散熱流場(chǎng)同一緯度,互不遮擋,可實(shí)現(xiàn)各氣缸散熱均勻。

③ 采用箱體式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)道,可防止冷卻風(fēng)流阻影響散熱。

(2) 內(nèi)部散熱模式

活塞環(huán)及導(dǎo)向環(huán)為導(dǎo)熱系數(shù)較低的非金屬材料,壓縮過(guò)程中,活塞吸收的壓縮熱無(wú)法及時(shí)傳導(dǎo)至氣缸。因而,在內(nèi)部流場(chǎng)中需加強(qiáng)對(duì)曲軸箱內(nèi)活塞、軸承等部件的散熱,內(nèi)部散熱流場(chǎng)如圖5所示。

圖5 內(nèi)部散熱流場(chǎng)

① 外界新鮮空氣經(jīng)進(jìn)氣過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入曲軸箱,對(duì)內(nèi)部活塞、軸承對(duì)流散熱后進(jìn)入氣缸被壓縮。

② 曲軸曲拐采用中空模式,可加強(qiáng)曲拐散熱,避免軸承溫度過(guò)高造成潤(rùn)滑脂外溢。

2.3 無(wú)油潤(rùn)滑

由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)潤(rùn)滑油參與,因而在相互運(yùn)動(dòng)的摩擦副部位可采用封閉軸承及自潤(rùn)滑材料等實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑或密封。軸承及自潤(rùn)滑部件位置示意如圖6所示。各位置運(yùn)動(dòng)摩擦副詳細(xì)潤(rùn)滑方式及作用如表3所列。

表3 潤(rùn)滑方式說(shuō)明

2.4 減振降噪

(1) 減振技術(shù)

① 為減小機(jī)組振動(dòng)及空間尺寸,文中采用角度式布置形式,在曲軸及飛輪同方向設(shè)平衡重,以減小或抵消部分往復(fù)及回轉(zhuǎn)慣性力,平衡重位置如圖7(a)所示。

圖7 減振措施

② 為降低旋轉(zhuǎn)附加動(dòng)載荷,可配置飛輪,以減小角速度波動(dòng),飛輪配置如圖7(b)所示。

(2) 降噪技術(shù)

① 壓縮機(jī)模塊整體采用箱體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以減小運(yùn)動(dòng)部件噪音輻射。

② 空濾吸氣口設(shè)置抗性消音器,它可以通過(guò)改變內(nèi)部噪音路徑實(shí)現(xiàn)聲波的反射和干涉,達(dá)到降低中低頻吸氣氣流脈動(dòng)噪聲的目的,消音器內(nèi)部流場(chǎng)仿真如圖8所示。

圖8 空濾吸氣口消音器流場(chǎng)仿真

3 耐環(huán)境能力測(cè)試

為驗(yàn)證散熱效果,文中模擬極端環(huán)境及實(shí)際使用工況開(kāi)展高低溫測(cè)試。在關(guān)鍵位置設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),機(jī)組散熱設(shè)計(jì)良好,能較好地適應(yīng)-40～+50 ℃使用環(huán)境。環(huán)境模擬倉(cāng)及溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控如圖9所示。+50 ℃環(huán)境溫度下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式溫度曲線(xiàn)如圖10所示。

圖9 環(huán)境溫度測(cè)試

圖10 +50 ℃環(huán)境溫度下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式溫度曲線(xiàn)

從圖10可以看出:+50 ℃環(huán)境溫度下,連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)主供風(fēng)單元機(jī)組最高溫度<200 ℃(在自潤(rùn)滑材料允許使用溫度范圍內(nèi)),且冷卻器壓縮空氣出口溫度<+65 ℃,保證了下游雙塔干燥器干燥劑除水量,說(shuō)明機(jī)組能較好適應(yīng)高溫工況。

-40 ℃環(huán)境溫度下間歇啟停運(yùn)轉(zhuǎn)模式溫度曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 -40 ℃環(huán)境溫度下間歇啟停運(yùn)轉(zhuǎn)模式溫度曲線(xiàn)

從圖11可以看出:-40 ℃環(huán)境工況下,按30%運(yùn)轉(zhuǎn)率(啟機(jī)2 min,停機(jī)4 min)進(jìn)行測(cè)試,機(jī)組穩(wěn)定后最高溫度約110 ℃,冷卻器壓縮空氣出口溫度約為-10 ℃,試驗(yàn)過(guò)程未出現(xiàn)機(jī)組異響、冰堵等異常故障,說(shuō)明機(jī)組可較好適應(yīng)低溫條件下的間歇啟停運(yùn)轉(zhuǎn)工況。-40 ℃啟動(dòng)電流及啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試如圖12所示。

圖12 -40 ℃啟動(dòng)電流及啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試

從圖12可以看出,在-40 ℃環(huán)境下啟動(dòng)主供風(fēng)單元時(shí),其啟動(dòng)電流峰值226 A、啟動(dòng)時(shí)間428 ms,均低于技術(shù)要求(電流峰值≤315 A,持續(xù)時(shí)間≤600 ms),這說(shuō)明機(jī)組具有較好的低溫啟動(dòng)性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)油活塞式主供風(fēng)單元設(shè)計(jì)過(guò)程充分識(shí)別了軌道交通主供風(fēng)單元產(chǎn)品實(shí)際使用工況,有針對(duì)性地開(kāi)展了技術(shù)設(shè)計(jì)、計(jì)算及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)要求。

隨著傳感器技術(shù)、變頻控制等技術(shù)發(fā)展,后續(xù)研究將基于總風(fēng)用風(fēng)安全、乘客舒適性及用戶(hù)維護(hù)便捷性等方面逐漸融合變頻控制和智能化監(jiān)控技術(shù)。根據(jù)總風(fēng)壓力進(jìn)行排氣量柔性可調(diào),實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速下更低振動(dòng)及更低噪音,滿(mǎn)足乘客舒適性要求;并通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能算法分析實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、故障診斷及定位,進(jìn)一步提升用戶(hù)使用體驗(yàn)。