軌道車(chē)輛風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)能力過(guò)低問(wèn)題分析與改進(jìn)

曾東亮

摘 要：風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)能力對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全將產(chǎn)生重大影響，若供風(fēng)不足，可能導(dǎo)致供風(fēng)設(shè)備無(wú)法正常工作、空氣制動(dòng)力不足、停放制動(dòng)無(wú)法緩解，進(jìn)而導(dǎo)致列車(chē)清客下線甚至救援的嚴(yán)重后果。所以，風(fēng)源系統(tǒng)的供風(fēng)排量和質(zhì)量是車(chē)輛設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，并且應(yīng)具有前瞻性，應(yīng)滿足正線客流日益增長(zhǎng)的運(yùn)行需求。本文通過(guò)對(duì)TSAG-0.9ARII型螺桿式空壓機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間打風(fēng)不止、供風(fēng)質(zhì)量較差的問(wèn)題進(jìn)行深入調(diào)查，提出增加膜式干燥器功率，進(jìn)行換型整改的解決方案，較好的解決了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，同時(shí)也為后續(xù)同類(lèi)型風(fēng)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)源；空壓機(jī)；膜式干燥器；打風(fēng)不止；相對(duì)濕度

1 問(wèn)題描述

本地鐵線路車(chē)輛選用TSAG-0.9ARII型螺桿式空壓機(jī)組，根據(jù)本線路風(fēng)源系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)要求，在列車(chē)重車(chē)（AW3）載荷下運(yùn)行。列車(chē)在各站均經(jīng)歷空車(chē)到重車(chē)的載荷變化，管路泄漏2kPa/min，站間平均運(yùn)行時(shí)間按2.5分（含每站停30秒）計(jì)算，空壓機(jī)正線運(yùn)營(yíng)連續(xù)打風(fēng)時(shí)間為27.33 分，停機(jī)時(shí)間4.36 分，干燥后風(fēng)源系統(tǒng)出口空氣相對(duì)濕度≤30%。根據(jù)此設(shè)計(jì)，車(chē)輛設(shè)置了空壓機(jī)連續(xù)打風(fēng)30分的報(bào)警提示，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管路漏風(fēng)、堵塞等異常情況。

在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，2013年共發(fā)生200起空壓機(jī)連續(xù)打風(fēng)超過(guò)30分的報(bào)警，平均每個(gè)月發(fā)生16.7起。報(bào)警提示發(fā)生后，為了確保運(yùn)營(yíng)安全和運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，車(chē)輛需要下線回庫(kù)進(jìn)行檢查，因此對(duì)正線用車(chē)造成嚴(yán)重影響。

同時(shí)，在車(chē)輛檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)缸排風(fēng)口、雙針壓力表風(fēng)管接頭處均有水滴析出的情況，說(shuō)明管路內(nèi)空氣相對(duì)濕度較高，會(huì)對(duì)管路及用風(fēng)設(shè)備造成較大損傷。

針對(duì)風(fēng)源系統(tǒng)的這兩個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行了深入調(diào)查及詳細(xì)分析。

2 風(fēng)源系統(tǒng)工作原理

2.1 螺桿式空氣壓縮機(jī)工作原理

螺桿式空氣壓縮機(jī)有兩個(gè)互相嚙合的螺旋形螺桿，平行安裝在一個(gè)鑄鐵殼體內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，空氣由空氣濾清器（1）濾去塵埃后，再由進(jìn)氣閥（3）進(jìn)入主機(jī)壓縮室壓縮，并與潤(rùn)滑油混合。與油混合的壓縮空氣由壓縮機(jī)排至油氣筒（10），經(jīng)油氣分離器（9）、壓力維持閥（7）及后冷卻器（22）之后送入干燥器中。

2.2 膜式干燥器工作原理

膜式干燥器膜絲的最內(nèi)層為一特殊涂層，此涂層只能使壓縮空氣中的水分子透過(guò)，而氧分子和氮分子不能穿透。潮濕的壓縮空氣由膜絲的一端進(jìn)入，到達(dá)膜絲的另一端后，一小部分壓縮空氣通過(guò)截流閥膨脹減壓為反吹氣。由于體積急劇增加，水分子的數(shù)量沒(méi)有改變，膨脹后的壓縮空氣相對(duì)濕度變的非常低。由于膜絲的結(jié)構(gòu)，水分子可以自由穿透，為了達(dá)到濃度平衡，膜內(nèi)側(cè)的水分子便會(huì)穿透膜絲向外擴(kuò)散，使膜內(nèi)壓縮空氣相對(duì)濕度降低，膜外側(cè)的反吹氣相對(duì)濕度增加，在壓力作用下，這部分潮濕的反吹氣被排向大氣。原理如圖2所示。

膜式干燥器作為風(fēng)源干燥系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是影響風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)能力和供風(fēng)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。

3 問(wèn)題調(diào)查分析

3.1 正線耗風(fēng)量情況的調(diào)查

車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)時(shí)的耗風(fēng)情況比較復(fù)雜，特別是空簧的情況無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行評(píng)估，因此采用空壓機(jī)正常打風(fēng)時(shí)段的空簧變化、制動(dòng)用風(fēng)以及空壓機(jī)打風(fēng)時(shí)間的變化，計(jì)算出此時(shí)段空簧耗風(fēng)系數(shù)為1.013；然后采用此系數(shù)計(jì)算空壓機(jī)打風(fēng)時(shí)間超過(guò)30min時(shí)段的耗風(fēng)情況并進(jìn)行分析。

3.1.1 “非正常打風(fēng)區(qū)間”耗風(fēng)量計(jì)算

選取發(fā)生空壓機(jī)組運(yùn)行超30min時(shí)間段數(shù)據(jù)，此段數(shù)據(jù)為2045車(chē)故障時(shí)間區(qū)間8：01到8：36共計(jì)35.5分鐘的車(chē)輛數(shù)據(jù)。

（1）空壓機(jī)打風(fēng)總量Q1

空壓機(jī)組打風(fēng)能力：755.08L/min；

空壓機(jī)打風(fēng)總時(shí)間為：31.5min；

Q1=31.5×755.08=23785.02L。

系統(tǒng)自然漏泄量：Q2=2kPa/min×35.5min×1800L÷100 kPa=1278L。

（2）制動(dòng)用風(fēng)總量Q3

制動(dòng)系數(shù)：1.1；

此時(shí)段檢測(cè)制動(dòng)耗風(fēng)總和：6886.89L；

Q3=制動(dòng)耗風(fēng)總和×1.1=6886.89×1.1= 7575.58L。

（3）高度閥動(dòng)態(tài)調(diào)整耗風(fēng)量Q4

Q4=5L/min·個(gè)×4個(gè)/輛×6輛×35min=4200L。

（4）空簧動(dòng)態(tài)用風(fēng)總量Q5

此時(shí)段檢測(cè)空簧總變化量：51.55。

空簧動(dòng)態(tài)用風(fēng)總量Q5=185×空簧總變化量=185×51.55 L =9536.75 L。

（5）車(chē)輛運(yùn)營(yíng)中實(shí)際耗風(fēng)總量Q6

Q6=Q3+Q4+Q5×?+Q2 = 22972.9 L

計(jì)算得制動(dòng)系統(tǒng)耗風(fēng)量（22972.9 L）和空壓機(jī)組實(shí)際供風(fēng)量（23785.02 L）非常接近。

3.1.2 總風(fēng)壓力監(jiān)測(cè)情況及工作率

（1）2045車(chē)在兩站間風(fēng)壓下降100 kPa，空壓機(jī)組停機(jī)時(shí)間約2min40sec，總風(fēng)壓力下降約130kPa，空壓機(jī)組工作補(bǔ)充此耗風(fēng)量，需要時(shí)間約3min7sec。即如果空壓機(jī)組工作，此段時(shí)間內(nèi)總風(fēng)壓力會(huì)降低約30 kPa。所以在此短時(shí)間內(nèi)，制動(dòng)系統(tǒng)耗風(fēng)量大于空壓機(jī)組供風(fēng)量。同時(shí)，2045兩天早高峰時(shí)段監(jiān)測(cè)工作率較高，分別為62.18%和65.5%。

（2）2045車(chē)在8：10至8：35的總風(fēng)、空簧、制動(dòng)缸壓力數(shù)據(jù)以圖表的形式如圖3所示。

前半段空簧壓力一直上升，再加上制動(dòng)耗風(fēng)，空壓機(jī)組供風(fēng)量和制動(dòng)系統(tǒng)耗風(fēng)量平衡，系統(tǒng)壓力位置在790kPa至820kPa之內(nèi)。后半段空簧壓力逐漸下降，載荷降低，空簧耗風(fēng)量減小。由于載重持續(xù)降低，制動(dòng)缸耗風(fēng)量不會(huì)增加，此時(shí)，空壓機(jī)組供風(fēng)量大于制動(dòng)系統(tǒng)耗風(fēng)量，總風(fēng)壓力上升。同時(shí)，2045兩天早高峰時(shí)段監(jiān)測(cè)工作率較高，分別為62.18%和65.5%。

3.2 庫(kù)內(nèi)靜態(tài)打風(fēng)能力測(cè)試

為進(jìn)一步了解空壓機(jī)打風(fēng)情況，對(duì)32列車(chē)共64個(gè)空壓機(jī)在750～900kpa區(qū)間靜態(tài)打風(fēng)時(shí)間進(jìn)行了普查，如圖4所示

從圖中可以看出201～211、224～232車(chē)打風(fēng)均較快，212～223車(chē)打風(fēng)較慢，其中最慢的5個(gè)車(chē)打風(fēng)時(shí)間均超過(guò)255s，這幾個(gè)車(chē)報(bào)出過(guò)CM30M打風(fēng)超時(shí)故障。同時(shí)，從數(shù)據(jù)中可以看出平均打風(fēng)時(shí)間在210 sec以下的共有33個(gè)空壓機(jī)，占空壓機(jī)總數(shù)的51.6%。最長(zhǎng)打風(fēng)時(shí)間為最短打風(fēng)時(shí)間的1.6倍，相差98 sec，空壓機(jī)打風(fēng)能力離散性較大。

3.3 問(wèn)題分析

由以上調(diào)查情況可以看出：

（1）在2045車(chē)空壓機(jī)打風(fēng)時(shí)間超過(guò)30min區(qū)段的總耗風(fēng)量22973L，與空壓機(jī)總打風(fēng)量23785 L相比基本相等，說(shuō)明此時(shí)段空壓機(jī)持續(xù)工作，并且供風(fēng)量和耗風(fēng)量相當(dāng)。每一區(qū)段的制動(dòng)耗風(fēng)基本保持不變，而載荷變化導(dǎo)致的空簧耗風(fēng)變化率是引起列車(chē)耗風(fēng)量增大的主要原因，因此相應(yīng)地延長(zhǎng)了空壓機(jī)的打風(fēng)時(shí)間。

（2）正線打風(fēng)率、空壓機(jī)關(guān)閉時(shí)掉壓情況、空壓機(jī)開(kāi)啟時(shí)升壓情況相吻合，大致兩個(gè)區(qū)間掉壓約100Kpa。

（3）各車(chē)空壓機(jī)打風(fēng)速度差異較大。正線打風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)的車(chē)，靜態(tài)打風(fēng)速度明顯較慢。

關(guān)于空壓機(jī)打風(fēng)能力，從機(jī)組工作流程圖中可以看出，在不改變干燥前機(jī)組排量的情況下，可以嘗試調(diào)節(jié)排水電磁閥、膜式干燥器的用風(fēng)量：

①選取兩列車(chē)進(jìn)行打風(fēng)試驗(yàn)，可以得出，排水電磁閥排風(fēng)頻率對(duì)打風(fēng)時(shí)間影響比較小，打風(fēng)時(shí)間無(wú)明顯差異。

②根據(jù)前60臺(tái)空壓機(jī)組出廠排量及反吹比例情況可以看出，機(jī)組間排量、干燥器的反吹率差異均較大，部分機(jī)組排量低于0.765m?/min的設(shè)計(jì)排量，干燥器反吹率9.6%至17.7%間波動(dòng)。若能增加膜式干燥器的工作效率，降低反吹風(fēng)使用率，將明顯提高風(fēng)源系統(tǒng)的供風(fēng)能力。

3.4 整改建議

對(duì)空壓機(jī)膜式干燥器進(jìn)行重新選型，增加干燥器的工作效率，降低反吹風(fēng)使用率，提高風(fēng)源系統(tǒng)的供風(fēng)能力。

4 整改方案選擇與實(shí)施

4.1 膜式干燥器的選型安裝

通過(guò)上述分析，風(fēng)源系統(tǒng)TSAG-0.9ARII機(jī)組配用的PE1015型膜式干燥器設(shè)計(jì)容量偏小，反吹風(fēng)損耗過(guò)大。考慮實(shí)際應(yīng)用情況，重新選用新型膜式干燥器，在保證系統(tǒng)可靠性和安全性前提下，對(duì)風(fēng)源系統(tǒng)空壓機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

通過(guò)對(duì)比國(guó)外類(lèi)似產(chǎn)品的空氣處理單元選型結(jié)果，結(jié)合國(guó)內(nèi)地鐵實(shí)際的運(yùn)行工況及特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，此次整改選用了處理量更大的PE3020膜式干燥器來(lái)與TSAG-0.9ARII 系列空壓機(jī)集成，新設(shè)計(jì)將極端工況一并考慮，進(jìn)一步的完善了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最新空壓機(jī)組反吹方案采用固定孔式節(jié)流閥，可嚴(yán)格控制反吹量，在保證系統(tǒng)壓縮空氣相對(duì)濕度前提下，確?？諌簷C(jī)組干燥后最終排氣量不低于750L/min。

4.2 膜式干燥器性能測(cè)試

（1）理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

以環(huán)境溫度10℃，空壓機(jī)排氣溫度21℃，壓縮空氣相對(duì)濕度100%，脫水膜反吹量18%進(jìn)行計(jì)算：

由圖5可以看到不同脫水膜配置條件下的機(jī)組出口露點(diǎn)狀態(tài)，由壓力維持閥設(shè)定值5bar 至機(jī)組停機(jī)壓力9bar 區(qū)間，使用PE3020 脫水膜時(shí)壓縮空氣壓力露點(diǎn)最低達(dá)到-29.5℃，較使用PE1015方案下降達(dá)30℃，性能提升非常顯著。

（2）夏季測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

將上述配置機(jī)組在夏季環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，環(huán)境平均溫度約34℃，排氣平均溫度為46℃，環(huán)境相對(duì)濕度≥50%，對(duì)機(jī)組出口露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，由7bar 至機(jī)組停機(jī)壓力9bar 區(qū)間，排氣溫度46℃左右時(shí)，使用PE3020 脫水膜時(shí)壓縮空氣壓力露點(diǎn)最高為1.9℃，最低降至-9.6℃，較之前PE1015 方案干燥效果有很大提升。

（3）冬季測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

將上述配置機(jī)組在冬季環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，平均溫度約10.5℃，平均排氣溫度約為22.5℃，對(duì)機(jī)組出口露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，由7bar 至機(jī)組停機(jī)壓力9bar 區(qū)間，排氣溫度22.5℃左右時(shí)，使用PE 3020 脫水膜時(shí)壓縮空氣壓力露點(diǎn)最高為-9.85℃，最低降至-37.15℃，較之前PE 1015 方案干燥效果提升非常明顯。

4.3 打風(fēng)能力測(cè)試

我們對(duì)所有車(chē)輛空壓機(jī)膜式干燥器進(jìn)行了整改，對(duì)整改前后空壓機(jī)靜態(tài)打風(fēng)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，如圖6所示。

從上圖可以看出，膜式干燥器整改后，各空壓機(jī)組靜態(tài)打風(fēng)時(shí)間整合到了184—267范圍內(nèi)，且除了3臺(tái)機(jī)組打風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)外，其他機(jī)組均能控制在4min以內(nèi)，打風(fēng)能力更趨于一致。

5 總結(jié)

風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)能力對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全將產(chǎn)生重大影響，若供風(fēng)不足，可能導(dǎo)致用風(fēng)設(shè)備無(wú)法正常工作、空氣制動(dòng)力不足、停放制動(dòng)無(wú)法緩解，導(dǎo)致列車(chē)清客下線，甚至列車(chē)事故救援的嚴(yán)重后果。所以，風(fēng)源系統(tǒng)的供風(fēng)排量和質(zhì)量是車(chē)輛設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，并且應(yīng)具有前瞻性，應(yīng)滿足正線客流日益增長(zhǎng)的運(yùn)行需求。

本風(fēng)源系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間打風(fēng)不止的情況，通過(guò)調(diào)查分析，正線載荷變化導(dǎo)致的空簧耗風(fēng)變化引起列車(chē)耗風(fēng)量較大，在部分區(qū)間已超過(guò)耗風(fēng)量設(shè)計(jì)的指標(biāo)，同時(shí)，空壓機(jī)組排量個(gè)體差異較大，部分機(jī)組凈排量不滿足正線運(yùn)用的需求。在盡量減小機(jī)組改造成本的情況下，我們提出了對(duì)空壓機(jī)膜式干燥器進(jìn)行改進(jìn)的方案。

通過(guò)調(diào)整改進(jìn)，TSAG-0.9ARII機(jī)組膜式干燥性能較之前有了大幅的提升，機(jī)組出口壓縮空氣質(zhì)量增加了足夠的余量，機(jī)組出口壓縮空氣露點(diǎn)在任意時(shí)刻均與環(huán)境溫度有著明顯的降低，保證了車(chē)輛運(yùn)行中不會(huì)再產(chǎn)生液態(tài)水，進(jìn)一步提升脫水膜干燥效率。最新干燥器反吹方案采用固定孔式節(jié)流閥（依據(jù)機(jī)組出廠數(shù)據(jù)，制作一系列固定孔式節(jié)流閥），可嚴(yán)格控制反吹量，在保證系統(tǒng)壓縮空氣相對(duì)濕度前提下，確?？諌簷C(jī)組干燥后最終排氣量不低于750L/min。風(fēng)源系統(tǒng)的排量明顯增強(qiáng)，打風(fēng)較慢的情況明顯減少，打風(fēng)能力更趨于一致。

綜上所述，通過(guò)新膜式干燥器的改進(jìn)升級(jí)，可保障機(jī)組在極端條件下，均能提供足夠清潔干燥的壓縮空氣，以保證車(chē)輛的安全運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，也為后續(xù)同類(lèi)型風(fēng)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉豫湘，吳智，盧東濤，等.機(jī)車(chē)風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)能力的研究[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2003，26（5）：7-11.

（作者單位：成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司）