田樹坤，郭 濤，付建鵬，袁世琳

(中車大連機車車輛有限公司 城軌技術(shù)開發(fā)部，遼寧 大連 116022)

隨著我國城軌車輛的高速發(fā)展，車輛的維護與保養(yǎng)工作越來越受重視。針對常見的問題每個用戶都摸索出一套自己的解決處理方案。在車輛制動系統(tǒng)中供風用有油空氣壓縮機常出現(xiàn)潤滑油乳化問題[1]，針對該問題，本文從智能化控制方面提出空壓機工作率可調(diào)控制方案，從控制空壓機工作率角度來預防油乳化問題的發(fā)生。

1 空氣消耗量計算及空壓機選型方案

每個項目在設(shè)計階段都會根據(jù)線路條件、車輛典型運行圖、載客情況、車輛基礎(chǔ)制動單元、儲風缸容積、車輛其他耗風設(shè)備(如汽笛、撒砂設(shè)備)等進行空氣消耗量計算。分析計算結(jié)果后會選擇一個適當排風量的空氣壓縮機，從而可以計算出空壓機的工作率。合理的工作率可以最大條件避免空壓機潤滑油乳化現(xiàn)象的發(fā)生。

2 空壓機控制方案及空壓機工作率

通常情況下，每列車配置2臺空壓機。2臺空壓機根據(jù)車輛的管理系統(tǒng)日期按單雙日定義為主空壓機與輔空壓機輪換工作。以總風工作壓力為1 000 kPa的系統(tǒng)為例，被定義為當日主空壓機的總風壓力低于850 kPa時開始工作，當總風壓力升至1 000 kPa時停止工作；而被定義為輔空壓機的工作壓力控制范圍在800～1 000 kPa，次日則2臺空壓機主輔關(guān)系輪換[2]。

正常情況下，主空壓機可以獨自完成整個工作日的供風工作，輔空壓機不需要工作。所以空壓機的工作率計算主要是針對主空壓機工作率進行的。從車輛每日啟動開始，到每日工作結(jié)束斷電，在這個工作期間內(nèi)空壓機累計的運行時間與整個工作日時間的占比被定義為空壓機工作率。空壓機工作率計算公式如下：

tCYCLE=tON+tOFF

(1)

DCCOMP=tON/tCYCLE

(2)

式中：tON——空壓機運行時間；

tOFF——空壓機休息時間；

tCYCLE——空壓機工作周期；

DCCOMP——空壓機工作率。

空壓機工作率計算還有一種簡便算法，即計算耗風量與充風量(空壓機凈排氣量)的比。

DCCOMP=Q耗風量/Q充風量

(3)

3 潤滑油乳化原因分析

空壓機潤滑油在與空氣接觸時會吸收空氣中的水分，如果潤滑油含水量超過一定比例會呈現(xiàn)乳白色或乳黃色，嚴重時會有氣泡混在潤滑油中，此時潤滑油各項性能均下降，喪失其潤滑功能導致摩擦部件磨損，潤滑油變質(zhì)需立即更換。

避免潤滑油發(fā)生乳化現(xiàn)象最有效的辦法就是讓油溫升高，使夾雜在潤滑油中的水汽蒸發(fā)掉，減少水汽進入量可以極大避免油乳化現(xiàn)象的發(fā)生，而通?？諌簷C在工作效率高于30 %的情況下，油溫可以維持在一個較高的溫度，基本可以避免油乳化現(xiàn)象的發(fā)生。

造成城軌地鐵車輛空壓機潤滑油乳化的主要原因就是空壓機實際工作率長時間處于低于30 %的工況。常見于新線路開通初期，因客流量不足，車輛載荷變動很小，空氣彈簧作為主要耗風量設(shè)備工作量小，進而使整車空氣消耗量降低，空壓機工作率不足30%，甚至更低。這種情況下勢必造成空壓機潤滑油乳化現(xiàn)象的發(fā)生。

4 預防潤滑油乳化問題智能化控制方案

有效預防潤滑油乳化問題的辦法就是控制空壓機工作率在高于30 %的工況。在空壓機凈排風量不變的條件下，增加空氣消耗量是增加空壓機功率的一個有效辦法。如果可以通過列車管理系統(tǒng)對空氣消耗量進行調(diào)節(jié)，那么也就是實現(xiàn)了對空壓機工作率的調(diào)節(jié)。

4.1 機械部分設(shè)計方案

在總風管路上配置2套排風裝置，該裝置由截斷塞門(A51)、電磁閥(A52)、溢流閥(A53)、節(jié)流縮堵(可調(diào)口徑)(A54)、消音器(A55)組成。以1 000 kPa工作壓力系統(tǒng)為例，圖1為自動排風裝置原理圖。

如圖1所示，列車管理系統(tǒng)控制電磁閥得電，電磁閥得電后會使總風管路與大氣相通，實現(xiàn)排總風動作。溢流閥的作用是當總風壓力低于850 kPa時自動關(guān)閉排風通路，在耗風量突增的工況下防止系統(tǒng)壓力繼續(xù)降低而觸發(fā)輔空壓機工作。節(jié)流縮堵(可調(diào)口徑)實現(xiàn)空氣消耗量控制，不同口徑的節(jié)流縮堵可以提供不同的空氣消耗量值。截斷塞門可根據(jù)需求選擇排風裝置的使用數(shù)量。消音器有降噪環(huán)保功能。

圖1 自動排風裝置原理圖

4.2 控制方案設(shè)計

當空壓機電機接觸器閉合時，一個定義為“空壓機運行”的硬線信號會發(fā)送給列車管理系統(tǒng)，系統(tǒng)會將主空壓機運行的時間進行累計，同時也記錄了主空壓機休息時間，這樣系統(tǒng)會通過計算得出當前空壓機的工作率。當列車管理系統(tǒng)統(tǒng)計空壓機工作率低于30%時，控制電磁閥得電，總風通過節(jié)流縮堵緩緩排入大氣，增加車輛的空氣消耗速度，使空壓機工作率升高，如果1套排風裝置仍不足以將空壓機工作率提高到30 %，那么就同時開啟2套排風裝置，使空壓機工作率大幅度提高。隨著客運量不斷增多，可視情況選擇關(guān)閉1套排風裝置。為了排除短時間內(nèi)空氣消耗量不穩(wěn)定因素干擾，空壓機工作率統(tǒng)計計算采用整時間段進行計算，例如：每1 h或者每2 h或者每4 h統(tǒng)計計算一次。列車管理系統(tǒng)根據(jù)每次統(tǒng)計計算結(jié)果判定是否需要開啟排風裝置。

5 案例分析

以某項目實際應(yīng)用情況為例，詳細說明空壓機工作率的智能控制情況。

該項目車輛基本參數(shù)見表1。

表1 車輛基本參數(shù)

該項目TCMS系統(tǒng)管理控制邏輯為每4 h進行一次空壓機工作率統(tǒng)計，如計算結(jié)果低于30 %，那么接下來的4 h內(nèi)排風裝置一直處于開啟狀態(tài)，直到得出下一次統(tǒng)計計算結(jié)果后再進行判斷，如果計算結(jié)果仍小于30 %，那么排風裝置繼續(xù)保持開啟狀態(tài)，如果高于30 %則關(guān)閉排風裝置。

按車輛每天工作16 h計算，TCMS從每天空壓機第一次運行開始計時，每4 h計算一次，分別在4 h、8 h、12 h統(tǒng)計計算一次，每天統(tǒng)計計算總共3次。

在項目開通初期，因客流量比較低，加之車輛從清晨啟動到正式上線運營，在車輛段待機時間比較長，因此在車輛運營的首個4 h內(nèi)空壓機工作率實際僅有10%左右。由此可以估算當前情況下車輛的實際平均耗氣量Qnet_veh_10%：

Qnet_veh_10%=Qcomp-AD×10% = 68.2 L/min

(2)

(1) 當車輛運行4 h時，TCMS系統(tǒng)開始進行第一次空壓機工作率計算?？諌簷C工作率小于30%的計算結(jié)果滿足開啟排風電磁閥的條件，TCMS控制排風電磁閥得電，同時打開2個排風口。此時車輛增加了2個185 L/min穩(wěn)定的耗風量，對應(yīng)682 L/min凈排氣量的空壓機，一套1.4 mm口徑的排風裝置可以提高約27.1%的工作率，2套裝置相當于提升了54.3%的工作率。此時車輛的實際耗風量為：

Qnet_veh_4=Qnet_veh_10%+Qleak_A54×2=438.2 L/min

2套排風裝置同時開啟的條件下空壓機工作率為：

DCCOMP_4h=Qnet_veh_4/Qcomp-AD= 64.3%

那么，接下來的4 h內(nèi)，空壓機工作率將維持在64.3%，隨著客流量增大，耗風量增加，該數(shù)值還有增加的趨勢。

(2) 當車輛運行8 h時，TCMS系統(tǒng)將進行第二次空壓機工作率計算，假定第二個4 h內(nèi)耗風量無明顯變化，空壓機工作率穩(wěn)定在64.3%。

那么，空壓機在車輛運營8 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_8h= (10% + 64.3%)/2 = 36.75%

空壓機工作率大于30%的計算結(jié)果滿足關(guān)閉排風電磁閥的條件，TCMS控制排風電磁閥失電，同時關(guān)閉2個排風口。此時車輛耗風量又回到最初的68.2 L/min。那么接下來的4 h內(nèi)，空壓機又將以10% 的工作率運行。

(3) 當車輛運行12 h時，TCMS系統(tǒng)將進行第三次空壓機工作率計算，假定第三個4 h內(nèi)耗風量無明顯變化，空壓機工作率穩(wěn)定在10%。

那么，空壓機在車輛運營12 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_12h= (10% + 64.3% + 10%)/3 = 28.1%

空壓機工作率小于30%的計算結(jié)果滿足開啟排風電磁閥的條件，TCMS控制排風電磁閥得電，同時打開2個排風口。那么接下來的4 h內(nèi)，空壓機又將以64.3% 的工作率運行。

以下分3種情況進行總結(jié)計算：

(1) 首個4 h內(nèi)空壓機工作率為10%的情況。

當一天16 h的運營時間結(jié)束時，如果使用2套排風裝置，空壓機在車輛運營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(10% + 64.3% + 10% + 64.3%)/4

=36.7%

在同樣條件下，如果使用1套排風裝置，空壓機在車輛運營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(10% + 37.1% + 37.1% + 37.1%)/4

=30.3%

(2) 極限情況1(首個4 h內(nèi)空壓機工作率為29.9%)。

如果使用1套排風裝置，空壓機在車輛運營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(29.9% + 57% + 29.9% + 29.9%)/4

=36.7%

如果使用2套排風裝置，空壓機在車輛運營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(29.9% + 84.2% + 29.9% + 29.9%)/4

=43.5%

(3) 極限情況2(首個4 h內(nèi)空壓機工作率為16.4%)。

如果使用1套排風裝置，空壓機在車輛運營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(16.4% + 43.5% + 16.4% + 43.5%)/4

=29.9%

如果使用2套排風裝置，空壓機在車輛運營的16 h內(nèi)的平均工作率為:

DCCOMP_16h=(16.4% + 70.7% + 16.4% + 16.4%)/4

=29.9%

根據(jù)項目實際運營情況，可以選擇不同數(shù)量的排風裝置，從而控制空壓機工作率在一個理想范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

綜上分析，列車管理系統(tǒng)根據(jù)車輛空壓機工作率實際情況進行智能化調(diào)節(jié)，以保證空壓機工作率維持在一個較高的工況。該控制方案適用于所有城軌車輛，根據(jù)不同項目實際情況可以通過調(diào)整排氣口徑大小以及空壓機工作率統(tǒng)計采集時間來進行優(yōu)化調(diào)節(jié)。該控制方案還能夠有效地預防空壓機潤滑油乳化問題的發(fā)生。