阿根廷布市電動車組風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計及空壓機管理

崔紅光 劉丙林

摘 要：介紹了阿根廷布宜諾斯艾利斯市薩緬托線和麥特線電動車組風(fēng)源系統(tǒng)的選型依據(jù)，并對阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組風(fēng)源系統(tǒng)的設(shè)計方案及空壓機的控制管理進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

關(guān)鍵詞：風(fēng)源系統(tǒng)；空壓機；乳化；空壓機管理

引言

隨著城市軌道交通車輛風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的日益成熟，在國內(nèi)城市軌道交通車輛的風(fēng)源系統(tǒng)應(yīng)用上已有了眾所熟悉的定型產(chǎn)品，如：Knorr公司的VV120系列、Nabtesco公司的HS系列、北京縱橫機電有限公司的TSAG系列、Atlas公司的Gar系列等。目前，國際化鐵路運輸發(fā)展迅速，我國本著高速和重載車輛設(shè)計的重要方向，已經(jīng)進(jìn)入到國際化軌道發(fā)展的新領(lǐng)域。以下，以阿根廷布宜諾斯艾利斯市（以下簡稱為：布市）薩緬托線和麥特線電動車組選用的SL22系列風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計為例，介紹出口阿根廷布市的中長編電動車組的風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 薩緬托線與麥特線基本技術(shù)條件

1.1 基本線路情況

阿根廷布市薩緬托線與麥特線是布市鐵路線網(wǎng)中重要的軌道交通干線，其定位為通勤線路，既服務(wù)于城市中心城區(qū)，同時服務(wù)于城市外圍的近郊區(qū)。

1.2 阿根廷布市的環(huán)境條件

環(huán)境溫度：+45℃（夏季），-25℃（冬季）

海拔：不超過1200m

空氣中的污染物：酸雨、鹽霧

相對濕度：最濕月平均最大相對濕度不大于90%，該月月平均溫度不高于25℃

1.3 編組形式

薩緬托線采用9輛編組6M3T，麥特線采用6輛編組4M2T：

9輛/列為：+TC1-M1-M2-T3-M1-M2-M3-M4-TC2+

6輛/列為：+TC1-M1-M2-M3-M4-TC2+

其中：TC 車為帶司機室的拖車；

M車為不帶司機室的動車；T3 車為拖車。

1.5 噪聲指標(biāo)

噪聲測試方法滿足ISO 2151-2004。

對風(fēng)源系統(tǒng)的要求：當(dāng)空氣壓縮機工作時，距其1m處的連續(xù)噪音小于78dB（A）。

2 風(fēng)源系統(tǒng)的選型

綜合以上基本線路情況、環(huán)境條件、車重基本信息等設(shè)計輸入元素，結(jié)合阿根廷布市薩緬托線與麥特線的站段較長、客源集聚量較大的特點，需選用排氣量較大的空壓機。因阿根廷布市的濕度較高，故風(fēng)源系統(tǒng)應(yīng)具備防止?jié)櫥腿榛脑O(shè)計結(jié)構(gòu)。

阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組采用Knorr公司的SL22-80型螺桿式空氣壓縮機及LTZ015.1H型雙塔式干燥器組成的風(fēng)源模塊。其供電制式、凈空氣輸出量、工作壓力描述如下：

2.1 供電制式

SL22-80型螺桿式空氣壓縮機采用三相AC380V交流電動機驅(qū)動。

2.2 凈空氣輸出量

2.2.1 空氣用量需求

根據(jù)阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組耗風(fēng)量計算：

薩緬托線（9編組）凈空氣用量：

1041 l*bar/min；

麥特線（6編組）凈空氣用量：

905 l*bar/min。

2.2.2 供風(fēng)能力分析

SL22-80型螺桿式空壓機及LTZ015.1H型雙塔式干燥器組成的風(fēng)源模塊，其供風(fēng)能力如下：

單臺SL22-80型螺桿式空壓機空氣輸出量為：1350 l*bar/min；

單臺LTZ015.1H型雙塔式干燥器的再生率為：21%；

在1450 轉(zhuǎn)/分鐘時，單臺風(fēng)源模塊干燥后的凈空氣輸出量為：1060 l*bar/min；

雙臺風(fēng)源模塊總的凈空氣輸出量為：2120 l*bar/min。

故可以滿足阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動車組的用風(fēng)要求。

2.3 工作壓力

總風(fēng)管路正常的工作壓力范圍為750 kPa至900kPa。SL22-80型螺桿式空壓機的供風(fēng)壓力可到達(dá)900kPa，總風(fēng)缸前設(shè)有安全閥，當(dāng)總風(fēng)壓力超過1050 kPa時安全閥將打開。

3 風(fēng)源系統(tǒng)方案介紹

薩緬托線（9編組）與麥特線（6編組）電動車組，采用相同的風(fēng)源系統(tǒng)及空壓機管理方案。每列電動車組均設(shè)置兩套風(fēng)源系統(tǒng)，空壓機自帶

干燥器。

3.1 優(yōu)勢說明

風(fēng)源系統(tǒng)的設(shè)置及空壓機的管理充分考慮了以下幾點要素：

（1）提高同類產(chǎn)品的互換性。薩緬托線（9編組）與麥特線（6編組）電動車組頭車底架上的風(fēng)源系統(tǒng)所有設(shè)備部件均可完全實現(xiàn)互換。

（2）實現(xiàn)空壓機管理的統(tǒng)一性。薩緬托線（9編組）與麥特線（6編組）電動車組的空壓機組控制原則完全一致，管理方式統(tǒng)一。

（3）確?？諌簷C組設(shè)置的合理性。作為電動車組制動系統(tǒng)的供風(fēng)設(shè)備，空壓機組至關(guān)重要，應(yīng)確保其隨時能夠正常運行。

選擇將空壓機組設(shè)置在頭車底架上，即充分考慮了列車中任意中間車輛在特定條件下作為關(guān)門車時，頭車和尾車上的空壓機組仍然能夠正常地向列車的其他車輛進(jìn)行供風(fēng)。若將空壓機組設(shè)置在列車任意中間車輛上，當(dāng)該中間車輛在特定條件下必須作為關(guān)門車運行時，頭車方向或尾車方向總會存在總風(fēng)無法供過去的車輛，對于這種車輛的制動施加非常不可靠。

基于以上分析，故將空壓機組設(shè)置在首尾Tc車上，以確?？諌簷C組隨時能正常運行。

3.2 風(fēng)源系統(tǒng)組成

風(fēng)源系統(tǒng)的氣路原理圖見圖1所示：

以下為風(fēng)源系統(tǒng)各組成部件的描述。

3.2.1 風(fēng)源模塊（A00）

風(fēng)源模塊是一個緊湊型自承式壓縮空氣設(shè)備和處理單元。主要包括：帶三相交流電機的空氣壓縮機組、空氣干燥設(shè)備、精細(xì)濾油器、電氣裝置，這些部件連接在一起，形成一個緊湊的懸掛裝置，通過彈性元件與車體連接。

本項目空氣壓縮機組外形圖見圖2所示。

（1）空氣壓縮機系統(tǒng)原理介紹

①螺桿式空壓機的運動原理。螺桿空氣壓縮機的螺桿組由兩個互相嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子（或螺桿）組成，通常把節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子稱為陽轉(zhuǎn)子（或陽螺桿）；把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子稱為陰轉(zhuǎn)子（或陰螺桿）。陰、陽轉(zhuǎn)子具有非對稱的嚙合型面，平行安裝在一個鑄鐵殼體內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動，如圖3所示。

螺桿空氣壓縮機主機的工作循環(huán)分為吸氣、壓縮、排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)（見圖4）。

吸氣過程（a）：

隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子齒的一端逐漸脫離嚙合而形成了齒間容積，這個齒間容積的擴大，在其內(nèi)部形成一定的真空，而此齒間容積僅與吸氣口連通，空氣在壓差的作用下流入其中。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，齒間容積達(dá)到最大之后，齒間容積不再增加，齒間容積在此位置與吸氣口斷開，吸氣過程結(jié)束。

壓縮過程（b）（c）：隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合而不斷減小。被密封在齒間容積的空氣所占據(jù)的容積也隨之減小，導(dǎo)致壓力升高，從而實現(xiàn)對空氣的壓縮過程，壓縮過程可一直持續(xù)到即將與排氣孔口接通之前。同時，大量的潤滑油被噴入齒間容積中，與所壓縮的空氣混合，起到潤滑、密封、冷卻和降低噪聲的作用。

排氣過程（d）：齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的空氣逐步通過排氣孔口被排出，此過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合。此時齒間容積內(nèi)的空氣通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積體積將變?yōu)榱?。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)重新開始新的工作循環(huán)。

②空氣流動原理

空壓機系統(tǒng)原理見圖5。

空氣通過進(jìn)氣口（A1）經(jīng)濾清器（F）吸入壓縮機，空氣經(jīng)過減壓閥閥盤（1.4.3）及壓縮彈簧（1.4.4）進(jìn)入壓縮機單元的機頭，在陽轉(zhuǎn)子（1.3a）和陰轉(zhuǎn)子（1.3b）壓縮過程中與油混合。在油氣筒/油分離器（1.1.4）內(nèi)部，壓縮空氣先通過沖擊與油預(yù)分離然后進(jìn)入油分離器濾芯。然后空氣經(jīng)過最低壓力閥（1.1.2）、進(jìn)入到冷卻器 （1.8）及后處理設(shè)備輸出干燥的壓縮空氣（A2）。

最低壓力閥 （1.1.2）防止油氣分離器內(nèi)壓力低于最小壓力，防止壓縮機停機時壓縮空氣倒流。

控油單元（1.2）將高溫高壓油輸送到冷卻器（1.8），輸出的低溫油在壓力作用下使壓縮機機頭得到潤滑。

離心式風(fēng)扇（1.6）在電機的聯(lián)軸節(jié)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，吸入冷卻空氣（A4）供冷卻器（1.8）散熱用。

圖5的標(biāo)識說明如下：

（2）雙塔型空氣干燥器

LTZ015.1H雙塔型吸附式空氣干燥器能使壓縮空氣干燥到極低的濕度，由此可防止在壓縮空氣設(shè)備中由于壓縮空氣中的濕氣引起腐蝕和凍結(jié)危險，而導(dǎo)致氣動裝置出現(xiàn)故障和過早磨損。

本項目雙塔式空氣干燥器外形圖見圖6。

壓縮空氣進(jìn)入到雙塔型空氣干燥器中，壓縮空氣在一個干燥劑罐內(nèi)進(jìn)行干燥，同時在另一個干燥劑罐內(nèi)回流的潔凈總風(fēng)對干燥劑進(jìn)行再生處理。在干燥劑罐內(nèi)的電子計時器控制兩個罐的干燥及再生。只有在空氣壓縮機工作時，該計時器的控制周期才起作用，這樣可以確保兩個干燥塔可以均衡工作?？諝飧稍锲魅コ龎嚎s空氣中的水份并使相對濕度≤35%。

3.2.2 防乳化設(shè)計結(jié)構(gòu)

見圖1。為防止空壓機油乳化，風(fēng)源系統(tǒng)特設(shè)置了電磁閥（A13）、消音器（A14）。通過延長空壓機組的運行時間來提高空壓機的工作率。

關(guān)于A13的管理，在阿根廷布市薩緬托線和麥特線項目中，定義了最小工作時間（MWT），設(shè)定值為5min。當(dāng)空壓機工作時，EBCU將通過壓力傳感器（A10）檢測總風(fēng)壓力是否達(dá)到檢測壓力（CP）值，CP值設(shè)定為8.8bar。如果總風(fēng)壓力達(dá)到CP值并且空壓機工作時間超過了MWT，那么電磁閥（A13）不會動作。如果總風(fēng)壓力達(dá)到CP值而空壓機工作時間沒有達(dá)到MWT，A13將得電強制排風(fēng)，使空壓機的工作時間延長，達(dá)到MWT。同時，還定義了最大不工作時間（MNT），設(shè)定值為12min。如果空壓機停止工作超過12min，A13將得電強制排風(fēng)。當(dāng)總風(fēng)壓力降低到8.0bar時，主空壓機將會啟動，A13同時失電。檢測MWT、MNT和CP的邏輯均可以在軟件中定義。

3.2.3 其他部件

安全閥（A11）保護(hù)空氣系統(tǒng)因外部升溫產(chǎn)生過高壓力，設(shè)定值為10.5bar。

干燥后的壓縮空氣被貯存在總風(fēng)缸（A06）內(nèi)，其下部配有一個排水塞門。

通過測試裝置（A08），可以利用外部壓縮空氣來檢查壓力開關(guān)（A09）的設(shè)置值。

空氣壓縮機組由制動控制單元通過壓力傳感器（A10）進(jìn)行監(jiān)控。適當(dāng)?shù)目諌簷C管理將會優(yōu)化空壓機的運行。壓力開關(guān)（A09）輸出的電信號同時也控制主電機的接觸器。

3.3 空壓機管理

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)正常下的空壓機管理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常時，由BCU控制管理主副空壓機進(jìn)行單雙日啟動，日期信號及允許啟動空壓機的信號由TCMS通過MVB發(fā)送給頭車的BCU。此種方式也是為了提高空壓機工作率，降低潤滑油乳化的可能。

頭車的壓力傳感器（A10）檢測到總風(fēng)壓力，并通MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給頭車的BCU。

當(dāng)總風(fēng)壓力低于800kPa時，只啟動列車中的主空壓機，當(dāng)總風(fēng)壓力達(dá)到900kPa以上時，主空壓機停止運行。

當(dāng)總風(fēng)壓力持續(xù)降至750kPa時，列車中的副空壓機也啟動，當(dāng)總風(fēng)壓力達(dá)到900kPa以上時，兩臺空壓機停止運行。

3.3.2 緊急運行下的空壓機管理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時，列車處于緊急運行模式下，或當(dāng)BCU無法正常啟動空壓機時，空壓機的應(yīng)急啟動便依靠于壓力開關(guān)（A09）的控制。

當(dāng)總風(fēng)壓力低于700kPa時，壓力開關(guān)（A09）自動閉合空壓機的啟動電路，使兩臺空壓機應(yīng)急啟動。

空壓機應(yīng)急啟動后，當(dāng)總風(fēng)壓力達(dá)到900kPa以上時，壓力開關(guān)（A09）自動斷開空壓機的控制電路，兩臺空壓機停止運行。

3.3.3 強迫泵風(fēng)

當(dāng)按下強泵開關(guān)時，如果空壓機的保護(hù)電路允許啟動，強泵電源可直接加電到啟動控制繼電器上，并由啟動控制繼電器接通空壓機組的控制接觸器電源，使空壓機啟動。

當(dāng)空壓機出口壓力大于270kPa或油溫高于120℃時，保護(hù)電路不允強行啟動空壓機。

3.3.4 空壓機保護(hù)

當(dāng)油溫高于110℃時，空壓機輸出油溫過熱信號給TCMS，但允許空壓機啟動和正常運行。

當(dāng)油溫高于120℃時，空壓機組的保護(hù)電路自動斷開空壓機的控制電路，并通過保護(hù)繼電器的自閉電路保持禁止運行狀態(tài)。

當(dāng)空壓機出口壓力大于270kPa（2.7bar），壓力保護(hù)電路會自動斷開啟動電路，但已啟動的空壓機仍能正常動行。

4 結(jié)束語

以上是以阿根廷布市薩緬托線和麥特線項目的風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計為例，說明空壓機的選型及系統(tǒng)控制的設(shè)計的原則。

經(jīng)過國內(nèi)外多條城際軌道車輛項目的實際運營，空壓機乳化問題、空壓機的控制管理，已然成為了風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計的核心。風(fēng)源系統(tǒng)作為車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其型式的選擇和管理的方式需要更深入的結(jié)合項目的特定條件及運用需求來提升設(shè)計。未來城市軌道車輛風(fēng)源系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向，將更著重于提高空壓機工作率，提升空氣質(zhì)量，降低維護(hù)成本等方面。而解決乳化問題、合理提升工作率、冗余性控制管理，目前仍處于多元化的研究階段。

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第一作者簡介：崔紅光（1979-），女，吉林省吉林市人，大學(xué)本科，西南交通大學(xué)，研究領(lǐng)域：城市軌道交通車輛制動與風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計。