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(dòng)車組風(fēng)源系統(tǒng)的選型依據(jù)，并對(duì)阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動(dòng)車組風(fēng)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及空壓機(jī)的控制管理進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。

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

引言

隨著城市軌道交通車輛風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的日益成熟，在國(guó)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(jī)電有限公司的TSAG系列、Atlas公司的Gar系列等。目前，國(guó)際化鐵路運(yùn)輸發(fā)展迅速，我國(guó)本著高速和重載車輛設(shè)計(jì)的重要方向，已經(jīng)進(jìn)入到國(guó)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(jiǎn)稱為：布市）薩緬托線和麥特線電動(dòng)車組選用的SL22系列風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹出口阿根廷布市的中長(zhǎng)編電動(dòng)車組的風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)1200m

空氣中的污染物：酸雨、鹽霧

相對(duì)濕度：最濕月平均最大相對(duì)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(jī)室的拖車；

M車為不帶司機(jī)室的動(dòng)車；T3 車為拖車。

1.5 噪聲指標(biāo)

噪聲測(cè)試方法滿足ISO 2151-2004。

對(duì)風(fēng)源系統(tǒng)的要求：當(dāng)空氣壓縮機(jī)工作時(shí)，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(jì)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(zhǎng)、客源集聚量較大的特點(diǎn)，需選用排氣量較大的空壓機(jī)。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(jì)結(jié)構(gòu)。

阿根廷布市薩緬托線和麥特線電動(dòng)車組采用Knorr公司的SL22-80型螺桿式空氣壓縮機(jī)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(jī)采用三相AC380V交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

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(dòng)車組耗風(fēng)量計(jì)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(jī)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(tái)SL22-80型螺桿式空壓機(jī)空氣輸出量為：1350 l*bar/min；

單臺(tái)LTZ015.1H型雙塔式干燥器的再生率為：21%；

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

雙臺(tái)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(dòng)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(jī)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(guò)1050 kPa時(shí)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(dòng)車組，采用相同的風(fēng)源系統(tǒng)及空壓機(jī)管理方案。每列電動(dòng)車組均設(shè)置兩套風(fēng)源系統(tǒng)，空壓機(jī)自帶

干燥器。

3.1 優(yōu)勢(shì)說(shuō)明

風(fēng)源系統(tǒng)的設(shè)置及空壓機(jī)的管理充分考慮了以下幾點(diǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)互換。

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

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

選擇將空壓機(jī)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(shí)，頭車和尾車上的空壓機(jī)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(jī)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(yùn)行時(shí)，頭車方向或尾車方向總會(huì)存在總風(fēng)無(wú)法供過(guò)去的車輛，對(duì)于這種車輛的制動(dòng)施加非常不可靠。

基于以上分析，故將空壓機(jī)組設(shè)置在首尾Tc車上，以確保空壓機(jī)組隨時(shí)能正常運(yùn)行。

3.2 風(fēng)源系統(tǒng)組成

風(fēng)源系統(tǒng)的氣路原理圖見(jiàn)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(gè)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(jī)的空氣壓縮機(jī)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(gè)緊湊的懸掛裝置，通過(guò)彈性元件與車體連接。

本項(xiàng)目空氣壓縮機(jī)組外形圖見(jiàn)圖2所示。

（1）空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)原理介紹

①螺桿式空壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理。螺桿空氣壓縮機(jī)的螺桿組由兩個(gè)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(yáng)轉(zhuǎn)子（或陽(yáng)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(yáng)轉(zhuǎn)子具有非對(duì)稱的嚙合型面，平行安裝在一個(gè)鑄鐵殼體內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

螺桿空氣壓縮機(jī)主機(jī)的工作循環(huán)分為吸氣、壓縮、排氣三個(gè)過(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對(duì)相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)（見(jiàn)圖4）。

吸氣過(guò)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(gè)齒間容積的擴(kuò)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(guò)程結(jié)束。

壓縮過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的壓縮過(guò)程，壓縮過(guò)程可一直持續(xù)到即將與排氣孔口接通之前。同時(shí)，大量的潤(rùn)滑油被噴入齒間容積中，與所壓縮的空氣混合，起到潤(rùn)滑、密封、冷卻和降低噪聲的作用。

排氣過(guò)程（d）：齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過(guò)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(guò)排氣孔口被排出，此過(guò)程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合。此時(shí)齒間容積內(nèi)的空氣通過(guò)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(dòng)原理

空壓機(jī)系統(tǒng)原理見(jiàn)圖5。

空氣通過(guò)進(jìn)氣口（A1）經(jīng)濾清器（F）吸入壓縮機(jī)，空氣經(jīng)過(guò)減壓閥閥盤（1.4.3）及壓縮彈簧（1.4.4）進(jìn)入壓縮機(jī)單元的機(jī)頭，在陽(yáng)轉(zhuǎn)子（1.3a）和陰轉(zhuǎn)子（1.3b）壓縮過(guò)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(guò)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(guò)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(jī)停機(jī)時(shí)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(jī)機(jī)頭得到潤(rùn)滑。

離心式風(fēng)扇（1.6）在電機(jī)的聯(lián)軸節(jié)的帶動(dòng)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(shí)說(shuō)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(xiǎn)，而導(dǎo)致氣動(dòng)裝置出現(xiàn)故障和過(guò)早磨損。

本項(xiàng)目雙塔式空氣干燥器外形圖見(jiàn)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(gè)干燥劑罐內(nèi)進(jìn)行干燥，同時(shí)在另一個(gè)干燥劑罐內(nèi)回流的潔凈總風(fēng)對(duì)干燥劑進(jìn)行再生處理。在干燥劑罐內(nèi)的電子計(jì)時(shí)器控制兩個(gè)罐的干燥及再生。只有在空氣壓縮機(jī)工作時(shí)，該計(jì)時(shí)器的控制周期才起作用，這樣可以確保兩個(gè)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(duì)濕度≤35%。

3.2.2 防乳化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

見(jiàn)圖1。為防止空壓機(jī)油乳化，風(fēng)源系統(tǒng)特設(shè)置了電磁閥（A13）、消音器（A14）。通過(guò)延長(zhǎng)空壓機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間來(lái)提高空壓機(jī)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(xiàng)目中，定義了最小工作時(shí)間（MWT），設(shè)定值為5min。當(dāng)空壓機(jī)工作時(shí)，EBCU將通過(guò)壓力傳感器（A10）檢測(cè)總風(fēng)壓力是否達(dá)到檢測(cè)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(jī)工作時(shí)間超過(guò)了MWT，那么電磁閥（A13）不會(huì)動(dòng)作。如果總風(fēng)壓力達(dá)到CP值而空壓機(jī)工作時(shí)間沒(méi)有達(dá)到MWT，A13將得電強(qiáng)制排風(fēng)，使空壓機(jī)的工作時(shí)間延長(zhǎng)，達(dá)到MWT。同時(shí)，還定義了最大不工作時(shí)間（MNT），設(shè)定值為12min。如果空壓機(jī)停止工作超過(guò)12min，A13將得電強(qiáng)制排風(fēng)。當(dāng)總風(fēng)壓力降低到8.0bar時(shí)，主空壓機(jī)將會(huì)啟動(dòng)，A13同時(shí)失電。檢測(cè)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(guò)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(gè)排水塞門。

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

空氣壓縮機(jī)組由制動(dòng)控制單元通過(guò)壓力傳感器（A10）進(jìn)行監(jiān)控。適當(dāng)?shù)目諌簷C(jī)管理將會(huì)優(yōu)化空壓機(jī)的運(yùn)行。壓力開關(guān)（A09）輸出的電信號(hào)同時(shí)也控制主電機(jī)的接觸器。

3.3 空壓機(jī)管理

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)正常下的空壓機(jī)管理

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

頭車的壓力傳感器（A10）檢測(cè)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(shí)，只啟動(dòng)列車中的主空壓機(jī)，當(dāng)總風(fēng)壓力達(dá)到900kPa以上時(shí)，主空壓機(jī)停止運(yùn)行。

當(dāng)總風(fēng)壓力持續(xù)降至750kPa時(shí)，列車中的副空壓機(jī)也啟動(dòng)，當(dāng)總風(fēng)壓力達(dá)到900kPa以上時(shí)，兩臺(tái)空壓機(jī)停止運(yùn)行。

3.3.2 緊急運(yùn)行下的空壓機(jī)管理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，列車處于緊急運(yùn)行模式下，或當(dāng)BCU無(wú)法正常啟動(dòng)空壓機(jī)時(shí)，空壓機(jī)的應(yīng)急啟動(dòng)便依靠于壓力開關(guān)（A09）的控制。

當(dāng)總風(fēng)壓力低于700kPa時(shí)，壓力開關(guān)（A09）自動(dòng)閉合空壓機(jī)的啟動(dòng)電路，使兩臺(tái)空壓機(jī)應(yīng)急啟動(dòng)。

空壓機(jī)應(yīng)急啟動(dòng)后，當(dāng)總風(fēng)壓力達(dá)到900kPa以上時(shí)，壓力開關(guān)（A09）自動(dòng)斷開空壓機(jī)的控制電路，兩臺(tái)空壓機(jī)停止運(yùn)行。

3.3.3 強(qiáng)迫泵風(fēng)

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

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

3.3.4 空壓機(jī)保護(hù)

當(dāng)油溫高于110℃時(shí)，空壓機(jī)輸出油溫過(guò)熱信號(hào)給TCMS，但允許空壓機(jī)啟動(dòng)和正常運(yùn)行。

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

當(dāng)空壓機(jī)出口壓力大于270kPa（2.7bar），壓力保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)斷開啟動(dòng)電路，但已啟動(dòng)的空壓機(jī)仍能正常動(dòng)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上是以阿根廷布市薩緬托線和麥特線項(xiàng)目的風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明空壓機(jī)的選型及系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)的原則。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多條城際軌道車輛項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營(yíng)，空壓機(jī)乳化問(wèn)題、空壓機(jī)的控制管理，已然成為了風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàng)目的特定條件及運(yùn)用需求來(lái)提升設(shè)計(jì)。未來(lái)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(jī)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(wèn)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(jiǎn)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(dòng)與風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。