貨運機車用壓縮機型式對比分析及選型

張智萍 王樹海 劉治國

摘要：通過對活塞式空氣壓縮機和螺桿式空氣壓縮機技術參數(shù)及使用性能的對比分析，明確兩種類型壓縮機之間的差異。在此基礎上，對列車用風進行詳細計算，確定列車用風量的大小，再根據(jù)用風量的大小確定壓縮機排氣量的大小，最后對貨運機車設計中壓縮機選型提出參考建議。

關鍵詞：機車；壓縮機；用風；耗風；排氣量

中圖分類號：U262.6 文獻標識碼：A

Comparison and Selection of Compressor Type for Freight Locomotive

Zhang Zhiping， Wang Shuhai， Liu Zhiguo

Technical Center， CRRC Datong Co.，LTD.， Datong， Shanxi 037038

Abstract： This thesis， through the comparison of technical parameters and performances between piston air compressor and screw air compressor， determines the differences of the two types of compressors. Based on this， it puts forward advices on the choice of compressors during the design of tain by air outputs of compressors， which are defined by the required air volumes that are decided through detailed calculation of air volumes for frieight locomotive.

Key words： locomotive； compressor；required air volume；air consumption；air output

1 概述

機車風源系統(tǒng)是機車空氣制動系統(tǒng)的基礎，也是全列車空氣制動系統(tǒng)的基礎。而壓縮機是電力機車風源系統(tǒng)中必不可少的主要部件。機車用壓縮機選型是影響機車風源系統(tǒng)的供風能力的主要因素之一。

機車用壓縮機選型主要取決于機車的使用范圍和牽引能力，還應考慮總風缸的容積與壓力范圍、空氣干燥器再生耗氣率、總體布置的可行性以及機車設計任務書或機車招標書（用戶需求）等。應該合理地選擇這些參數(shù)，并使它們達到合理的匹配。本文通過對壓縮機型式進行對比分析，就壓縮機型式、參數(shù)、方案選擇（1+1方案，2臺壓縮機一起打風；1臺壓縮機打風）進行了研究。

2 空氣壓縮機型式及對比分析

目前就空氣壓縮機型式的選擇普遍采用活塞式或螺桿式的現(xiàn)實來看，可以說明這兩種型式的空氣壓縮機都能適應機車風源系統(tǒng)的要求。

國內活塞式空氣壓縮機壓縮空氣中含油較多（這也是造成油耗高的直接原因），溫度較高 （與工作率及工作時間有關），勢必造成空氣干燥器的工作負擔加重，影響干燥與凈化效果。機車一般采用增加油水分離裝置減少壓縮空氣中油的含量，增加冷卻管降低壓縮空氣的溫度（冷卻管長為20m以上）。而機車用螺桿式空氣壓縮機中已包含有油氣分離器與后冷卻器，壓縮空氣中含油較低（5ppm），溫度僅高于環(huán)境溫度10℃～15℃，這樣就不必再設置油水分離裝置和后冷卻器，經(jīng)空氣干燥器處理后的壓縮空氣干燥凈化指標比較穩(wěn)定可靠。此外，機車用活塞式空氣壓縮機工作率一般最高取10%～20%；而機車用螺桿式空氣壓縮機為保證其油氣分離的效果及防止?jié)櫥偷娜榛笃涔ぷ髀什恍∮?0%，且越大越好。也可以說滿足同樣的供風能力，螺桿式空氣壓縮機排氣量可以比活塞式空氣壓縮機排氣量小，但仍然可以保證機車或列車的安全運用。

國內活塞式空氣壓縮機制造工藝及材料的影響，機車用活塞式空氣壓縮機的質量普遍不高。如存在漏油、漏風、連桿與曲軸斷裂、進排氣閥碎等慣性質量問題；同時還存在噪聲大，振動大，油耗大，易損易耗件多，檢修周期短，使用壽命短、故障率高，可靠性低等問題，已嚴重影響了機車風源系統(tǒng)的正常工作。因此螺桿式空氣壓縮機已在許多領域逐步替代了活塞式空氣壓縮機。目前國產(chǎn)螺桿式空氣壓縮機的主要零部件（如機頭）采用進口高品質產(chǎn)品，整機故障率極低，已達到國際先進水平。盡管螺桿式空氣壓縮機的價格較高，但由于檢修周期長、故障少、油耗低、壽命長、易損易耗件少，所以其綜合運用成本還是較活塞式空氣壓縮機低。

通過上述對活塞式空氣壓縮機和螺桿式空氣壓縮機對比分析，螺桿式空氣壓縮機成本低、性能可靠，機車上應優(yōu)先采用。

3 空氣壓縮機排風量計算

空氣壓縮機排風量計算時，需對列車用風進行詳細計算，以確定列車用風量的大小，再確定壓縮機排氣量的大小，如下所示。

3.1 列車耗風量計算

3.1.1 列車制動系統(tǒng)容積計算

（1）列車主管容積V1

V1=（L1j+nL1i）×1.004

式中，L1j為機車列車主管長度，單機取30m，雙機重聯(lián)取60m；L1i為車輛列車主管長度，取15mt；1.004為Dg32鋼管的單位長度容積，L/m；n為車輛數(shù)。

（2）列車支管容積V2

V2=（L2j+nL2i） ×0.573

式中，L2j、L2i分別為機車（單機取1.5m，雙機重聯(lián)取3m）、車輛（取1.5m）的列車支管長度；0.573為Dg25鋼管的單位長度容積，L/m。

（3）車輛副風缸容積V3

V3 =nVf

式中，Vf為車輛副風缸容積，取100L（103制動機）。

（4）機車與車輛分配閥容積V4

V4 =V4j+nV4i

式中，V4j、V4i為機車、車輛分配閥容積（包括工作風缸等），V4j單機取11L，雙機重聯(lián)取22L，V4i取11L。

（5）機車總風缸及聯(lián)管容積V5

總風缸容積單機取1224L，雙機重聯(lián)取2448L，其聯(lián)管長度按單機30m，雙機重聯(lián)60m，管路為Dg32鋼管，管路計算容積為30L或60L。

（6）全部制動系統(tǒng)容積V

V=V1+V2+V3+V4 +V5

不同噸位列車的制動系統(tǒng)容積計算結果見表1（按《列車牽引計算規(guī)程》取4000t級52輛、5000t級65輛、6000t級78輛）。

3.1.2 列車壓縮空氣消耗量

（1）管路系統(tǒng)的空氣漏泄量Q1

Q1 =（V3+V5）A1/P0+（V1+V2+V4）A2/P0

式中，A1為機車總風系統(tǒng)及車輛副風缸漏泄量，取10kPa/min；A2為列車管系漏泄量，取20kPa/min；P0為大氣壓力，取100kPa。

（2）常用制動再充氣空氣最大消耗量Q2

Q2=rmaxN（V1+V2+V3+V4）/（60P0）

式中，rmax為最大有效減壓量，按列車管定壓500kPa，取140kPa；N為每小時全制動次數(shù)，取N=5。

（3）機車控制與輔助系統(tǒng)空氣消耗量Q3

Q3 =QS+QL+Qd+Qq

式中，QS為撒砂用風量，單機取60L/min，雙機重聯(lián)取120L/min；QL為風喇叭用風量，單機與雙機重聯(lián)均取25L/min；Qd為控制系統(tǒng)的風動電器用風量，單機取10L/min，雙機重聯(lián)取15L/min；Qq為輔助系統(tǒng)的其他器械用風量，單機與雙機重聯(lián)均取25L/min。

（4）壓縮空氣總消耗量ΣQA

ΣQA=Q1+Q2+Q3

不同噸位列車的壓縮空氣消耗量計算結果見表2。

3.1.3 列車充氣緩解空氣消耗量

（1）初充風空氣消耗量ΣQB

ΣQB=P1（V1+V2+V3+V4）/P0t1+Q1

式中，P1為列車管定壓，按500kPa取值；t1為列車初充氣時間，8min（4000t級）、10min（5000t級）、12.5min（6000t級）。

（2）緊急制動再充氣空氣消耗量ΣQc

ΣQc=[P1（V1+V2）+rmax（V3+V4） ]/（P0t3）+Q1+Q3

式中，rmax為緊急制動時副風缸壓力下降值，與最大有效減壓量相同（按列車管定壓500kPa）取140kPa；t3為緊急制動后的再充氣時間，取3.6min（4000t級）、4.6min（5000t級）、5.6min（6000t級）。

3.2 壓縮機排量計算

按國內外通行慣例，一般每臺機車采用2臺相同的空氣壓縮機，而單臺空氣壓縮機的排氣量按照牽引列車運行時的壓縮空氣總消耗量ΣQA來選取。至于列車初充風、緊急制動后的再充風，均應由2臺空氣壓縮機共同完成。這樣在1臺壓縮機出現(xiàn)故障后，也可保證牽引列車正常、可靠、安全的運用（列車調速與停車一般只采用常用制動，而其他形式的充風緩解均是在列車停車狀況下進行的），又符合經(jīng)濟性（低成本）的要求。

單臺空氣壓縮機排氣量Q=ΣQA/φ

式中，φ為空氣壓縮機供風效率，取φ=0.80（螺桿式空氣壓縮機）。

每臺機車空氣壓縮機排氣量計算結果見表3。

通過表3不難看出，1臺排風量約為2.4m3/min螺桿式空氣壓縮機為4000t級的列車供風基本能滿足要求，但大于4000t時排氣量明顯偏小。

4 結論

根據(jù)以上分析對比及計算，國內機車應優(yōu)先采用螺桿式空氣壓縮機，以提高機車風源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

貨運機車的風源系統(tǒng)至少采用1臺排氣量為3.0m3/min的螺桿式空氣壓縮機，建議在安裝空間允許的前提下，盡量能夠安裝2臺空氣壓縮機（從備用冗余的角度考慮，1臺壓縮機出現(xiàn)故障后，也可保證牽引列車正常、可靠、安全地運用），這樣就可以充分滿足5000t級列車供風要求。若要滿足6000t列車的供風需求，壓縮機的排量需至少提升至3.5m3/min以上。

參考文獻

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作者簡介：

張智萍（1979-），女，漢，籍貫遼寧省昌圖縣，工程師，主要從事機車制動系統(tǒng)研究開發(fā)工作。

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