張永利，王 磊，高福學(xué)，佘 凱，趙金剛

(山東朗進科技股份有限公司 工程設(shè)計部，山東 青島 266071)

根據(jù)我國“十三五”規(guī)劃政策，軌道交通產(chǎn)業(yè)將持續(xù)保持快速增長，各大城市的軌道交通運輸進入快速發(fā)展期，軌道交通產(chǎn)品的優(yōu)化升級與智能化發(fā)展也是大勢所趨。軌道列車空調(diào)作為整車A類關(guān)鍵部件，對車輛運營的可靠性與舒適性有直接影響。對于軌道列車空調(diào)的故障與維護，浦漢亮和尹鵬飛指出：當(dāng)前軌道列車空調(diào)的維護為定期維護，無法確定空調(diào)部件的狀態(tài)，效率低下且不經(jīng)濟；空調(diào)出現(xiàn)故障后，采用人工排查和診斷既耗時又耗力[1-2]。從上述的研究結(jié)果中不難看出，在空調(diào)控制系統(tǒng)中添加故障預(yù)診斷功能，對降低維護成本具有很重要的意義。空調(diào)故障診斷在家用和商用領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的研究，Setu Madhavi Namburu、袁玥、王江宇和周洪煜等已經(jīng)對不同的應(yīng)用場合針對性地搭建了空調(diào)故障診斷系統(tǒng)[3-6]。通過分析空調(diào)的運行參數(shù)，準(zhǔn)確判斷空調(diào)機組各部件的狀態(tài)，節(jié)省了不必要的維護維修，減少了維護時間，在高峰時期可以有效地緩解軌道列車運營的壓力。近年來隨著計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，陳煥新提出了將大數(shù)據(jù)和故障診斷系統(tǒng)相結(jié)合來建立模型，使檢測與診斷的效率更高[7-8]。

在制冷系統(tǒng)的諸多故障中，制冷劑泄漏故障對空調(diào)的運行影響最大，同時排查起來也最為困難[9]。制冷劑的泄漏會導(dǎo)致空調(diào)的制冷量下降，且能耗增加[10]；制冷劑泄漏會引起壓縮機潤滑油泄漏，嚴(yán)重時可導(dǎo)致壓縮機燒毀[11]；混合制冷劑系統(tǒng)中，制冷劑泄漏會使系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)組分改變，影響空調(diào)機組性能[12-13]。

在家用和商用空調(diào)領(lǐng)域，錢長華對不同制冷劑充注量下單元式空調(diào)機組的運行情況進行了試驗，分析了制冷劑泄漏對空調(diào)機組運行的危害，得出了增加壓力保護裝置的必要性[7]。潘正坤和馮淳則通過結(jié)合蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的原理，對制冷劑泄漏可能造成的故障及其解決方法進行了分析[14-15]。在工程實踐中，通過儀器檢測、浸水檢漏等各種手段，實現(xiàn)了對制冷劑泄漏故障的排查，并且針對不同的泄漏部位已經(jīng)有相應(yīng)的解決對策[16]。而在汽車空調(diào)領(lǐng)域，郭軍峰通過建立數(shù)學(xué)模型，對制冷劑泄漏和空調(diào)性能衰減之間的關(guān)系進行了計算分析[17]。本文將針對軌道交通車輛變頻空調(diào)機組(以下稱變頻軌道空調(diào)機組)制冷系統(tǒng)制冷劑泄漏故障，對上海地鐵某線路客室變頻軌道空調(diào)機組進行試驗研究，得到變頻軌道空調(diào)機組制冷系統(tǒng)在制冷劑發(fā)生不同程度泄漏時的狀態(tài)，為搭建故障預(yù)診斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

1 空調(diào)控制及故障診斷方案

通過檢測空調(diào)機組制冷系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，并與其他制冷系統(tǒng)參數(shù)進行對比，判斷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的泄漏量。

2 試驗設(shè)備及方法

2.1 試驗設(shè)備

選用1臺上海地鐵某線路客室變頻軌道空調(diào)機組作為試驗樣機，進行制冷系統(tǒng)的制冷劑泄漏試驗。空調(diào)機組有2個制冷系統(tǒng)循環(huán)，充注R407C型制冷劑，單個循環(huán)的額定充注量為5.7 kg。該空調(diào)機組的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.壓縮機；2.四通換向閥；3.冷凝風(fēng)機；4.冷凝器；5.電子膨脹閥；6.蒸發(fā)器；7.通風(fēng)機；8.氣液分離器。

試驗在焓差試驗室內(nèi)進行。焓差試驗室應(yīng)滿足TB/T 1804—2009《鐵道客車空調(diào)機組》要求。試驗中用到的檢測儀表有：排氣溫度傳感器、冷凝器溫度傳感器、蒸發(fā)器溫度傳感器及系統(tǒng)壓力傳感器。

2.2 試驗方法和工況

本次試驗采取控制變量法，考慮到由100%充注量開始釋放制冷劑操作較為困難，在使用相同空調(diào)機組、相同試驗工況的條件下，制冷系統(tǒng)內(nèi)首先充入額定充注量的40%(2.28 kg)進行試驗，然后依次充入額定充注量的10%(0.57 kg)，直至充注量為100%。

根據(jù)TB/T 1804—2009規(guī)定的額定制冷工況進行試驗，如表1所示。

表1 額定制冷工況 ℃

試驗時記錄以下參數(shù)：制冷劑充注量、制冷劑充注量占比、壓縮機運行頻率、膨脹閥開度、排氣溫度、冷凝器盤管溫度、蒸發(fā)器盤管溫度、排氣壓力、回氣壓力、制冷量及輸入功率。

3 試驗結(jié)果及分析

表2為變頻軌道空調(diào)機組制冷系統(tǒng)制冷劑泄漏試驗結(jié)果。圖2為變頻軌道空調(diào)機組制冷系統(tǒng)壓力和盤管溫度隨制冷劑充注量變化。圖3為變頻軌道空調(diào)機組制冷系統(tǒng)制冷量及輸入功率隨制冷劑充注量變化。

表2 變頻軌道空調(diào)機組制冷系統(tǒng)制冷劑泄漏試驗結(jié)果

從圖2、圖3可以看出，隨著制冷劑充注量的逐漸增加，制冷系統(tǒng)的換熱器(冷凝器和蒸發(fā)器)盤管溫度、系統(tǒng)壓力、制冷量及輸入功率均呈現(xiàn)單調(diào)變化的趨勢。

圖2 變頻軌道空調(diào)機組制冷系統(tǒng)壓力和盤管溫度隨制冷劑充注量變化

圖3 變頻軌道空調(diào)機組制冷系統(tǒng)制冷量及輸入功率隨制冷劑充注量變化

隨著制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量的增加，換熱器內(nèi)制冷劑質(zhì)量也在增加。由于系統(tǒng)內(nèi)制冷劑主要集中在冷凝器內(nèi)，即冷凝器內(nèi)積液會隨著制冷劑充注量增加而增多，而冷凝器的容積不變，所以制冷劑在冷凝器內(nèi)兩相段的長度變短，相變換熱的面積減小，故必須增大傳熱溫差，這會導(dǎo)致冷凝溫度升高。而冷凝溫度的升高導(dǎo)致了排氣壓力的升高。在制冷劑充注量增加后，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑量開始呈現(xiàn)增加趨勢，而后基本保持不變，因此回氣壓力隨之呈現(xiàn)相同的變化趨勢[18]。

在充入制冷劑的過程中，換熱器內(nèi)部的制冷劑流量增大，換熱量增大，因此空調(diào)機組制冷系統(tǒng)的制冷量隨著充注量增多而上漲。同時由于系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流量增大，壓縮機的功率隨之升高，但是在制冷劑充注量達到額定充注量的70%以后，功率的增長趨于平緩。一方面是由于充注量達到70%以后，壓縮機運行頻率均為額定頻率；另一方面充注量達到70%以后，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的狀態(tài)趨于平衡，因此導(dǎo)致了壓縮機的功率增長放緩。

從以上試驗數(shù)據(jù)對比可以看出，當(dāng)制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑量在60%以下時，蒸發(fā)器中制冷劑含量少，氣相段的長度長，因此壓縮機的回氣過熱度大，導(dǎo)致排氣溫度高，造成壓縮機電機散熱困難，此時如果不對壓縮機進行卸載，隨著排氣溫度繼續(xù)上升，其內(nèi)部溫度會達到200 ℃以上，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸承的潤滑油黏度急劇降低，最終因發(fā)生嚴(yán)重磨損而報廢[19]。

因為試驗研究對象是變頻空調(diào)，其壓縮機運行頻率和膨脹閥開度均可大范圍調(diào)節(jié)。因此當(dāng)空調(diào)機組制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑量減少至60%以下時，可以通過降低壓縮機運行頻率，開大膨脹閥的開度(甚至可達最大開度)來保證空調(diào)機組基本可靠運行，但空調(diào)機組的性能會大幅度衰減。定速空調(diào)因為頻率和膨脹閥開度不可調(diào)，當(dāng)缺少制冷劑時會導(dǎo)致壓縮機高溫保護，如果保護不當(dāng)，則會造成壓縮機的損壞。

通過試驗數(shù)據(jù)的對比和分析可得出以下結(jié)論：當(dāng)空調(diào)機組制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑量在額定充注量的60%時，可以判定制冷劑泄漏。因此，本文將空調(diào)機組制冷系統(tǒng)在60%及100%制冷劑充注量下的狀態(tài)參數(shù)差異進行了對比(表3)，作為控制系統(tǒng)判定空調(diào)機組是否處于缺制冷劑狀態(tài)(制冷劑充注量為60%或以下)的依據(jù)，為軌道空調(diào)機組預(yù)診斷系統(tǒng)的搭建提供數(shù)據(jù)支持。

表3 空調(diào)機組制冷系統(tǒng)在60%及100%制冷劑充注量下的狀態(tài)參數(shù)對比

4 總結(jié)與展望

通過對試驗結(jié)果進行分析，并結(jié)合變頻空調(diào)的特性，得出在列車運行過程中判斷空調(diào)機組制冷系統(tǒng)是否存在制冷劑泄漏的預(yù)診斷方案，即橫向?qū)Ρ日谶\行的其他車廂空調(diào)機組制冷系統(tǒng)的參數(shù)，進行診斷和預(yù)判。

例如，當(dāng)制冷系統(tǒng)的壓縮機在某一頻率運行下，若同時滿足以下3個條件：(1)電子膨脹閥開至最大運行一定時間后，排氣溫度高于其他系統(tǒng)；(2)冷凝器盤管溫度低于其他系統(tǒng)；(3)制冷系統(tǒng)的排氣壓力低于其他系統(tǒng)的排氣壓力，則可以判定該系統(tǒng)已出現(xiàn)制冷劑泄漏故障。

變頻軌道空調(diào)本身的電子膨脹閥開度和壓縮機運行頻率可控，同時可以監(jiān)測到換熱器的盤管溫度和排氣溫度。在控制系統(tǒng)中添加預(yù)診斷功能，通過監(jiān)測空調(diào)機組制冷系統(tǒng)的排氣溫度、排氣壓力、冷凝器盤管溫度參數(shù)，從而可以得出空調(diào)機組制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的質(zhì)量，進一步調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保護空調(diào)機組制冷系統(tǒng)的壓縮機。同時，該項功能并不僅限于制冷劑泄漏故障，從空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)中，還可以進行混合風(fēng)濾網(wǎng)臟堵、制冷結(jié)冰、制熱過載及冷凝器臟堵等故障的預(yù)診斷。這將使空調(diào)機組故障的排查診斷更加智能、精準(zhǔn)、快速。軌道列車運營方可以根據(jù)顯示的故障信息，準(zhǔn)確地制定空調(diào)機組的維修、保養(yǎng)方案，從而極大地減小軌道列車空調(diào)的運營和維護成本。