劉治國,楊青雨 王樹海 崔似宏

(中車大同電力機車有限公司 技術(shù)中心研究院，山西 大同 037038)*

機車風(fēng)源系統(tǒng)的主要作用是為機車車輛提供清潔、干燥的壓縮空氣，由于壓縮空氣主要用于制動系統(tǒng)、受電弓、撒砂、風(fēng)笛、空氣彈簧等安全設(shè)備，因此，機車風(fēng)源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要.

然而，每年入夏以后，我國南方的諸多機務(wù)段，如昆明、重慶、懷化等機務(wù)段均會出現(xiàn)風(fēng)源系統(tǒng)故障，常見的是空氣壓縮機機油乳化，降低空氣壓縮機機油的降溫、密封、潤滑、降噪功能.此外，干燥器中裝用的干燥劑失效后，導(dǎo)致壓縮空氣濕度、含油量、顆粒度不達標(biāo)，進而導(dǎo)致空氣管路銹蝕、橡膠密封件失效、閥類部件堵塞等問題，也嚴(yán)重影響機車車輛空氣管路系統(tǒng)用風(fēng)安全及行車安全[1-2].

近年來，隨著機車牽引車輛數(shù)量的增多，供風(fēng)與用風(fēng)的矛盾越來越突出，出現(xiàn)了空氣壓縮機頻繁啟動的現(xiàn)象，這不僅影響了空氣壓縮機的壽命，也對機車的整體供風(fēng)能力造成了不良影響.因此，機車智能化風(fēng)源系統(tǒng)研究勢在必行，已成為下一代風(fēng)源系統(tǒng)的發(fā)展方向.目前，對于機車智能化風(fēng)源系統(tǒng)的研究還處于理論分析和試驗仿真的階段，但隨著理論研究的深入和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，該研究成果已逐漸具備了裝車考核運用的條件[3].

1 智能化風(fēng)源系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 智能化風(fēng)源系統(tǒng)組成

本文研究的機車智能化風(fēng)源系統(tǒng)包括：供風(fēng)設(shè)備、監(jiān)控主機和人機交互界面三大部分.其中，監(jiān)控主機是智能化風(fēng)源系統(tǒng)的核心部分，主要包括監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)分析處理單元、控制單元、電源轉(zhuǎn)換模塊、各種接口模塊；供風(fēng)設(shè)備是智能化風(fēng)源系統(tǒng)的監(jiān)控對象，主要包括空氣壓縮機、微油過濾器、干燥器、總風(fēng)缸、連接管路等部件；人機交互界面包括顯示屏、按鍵和各種聲光報警提示設(shè)備，便于司乘人員和檢修維護人員操作維護.

1.2 工作原理

圖1是智能化風(fēng)源系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系框圖.監(jiān)測單元負(fù)責(zé)采集空氣壓縮機、干燥器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和壓縮空氣濕度、含油量、固體顆粒度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理之后，一方面?zhèn)鬏數(shù)饺藱C交互界面，直觀反映空氣壓縮機、干燥器運行狀態(tài)和壓縮空氣品質(zhì)；另一方面?zhèn)鬏數(shù)娇刂茊卧?，?qū)動空氣壓縮機進行變頻智能控制、干燥器進行干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制，通過供風(fēng)設(shè)備的自我調(diào)節(jié)，使工作狀態(tài)達到最優(yōu).同時，機車控制系統(tǒng)能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)實時掌握供風(fēng)設(shè)備運行狀態(tài)和壓縮空氣品質(zhì)，并對供風(fēng)系統(tǒng)發(fā)出動作指令.

圖1 智能化風(fēng)源系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系框圖

2 監(jiān)測對象與方案

2.1 空氣壓縮機運行狀態(tài)監(jiān)測

2.1.1 空氣壓縮機運行狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)

空氣壓縮機系統(tǒng)最高壓力、系統(tǒng)最高溫度、空濾阻力、油濾阻力、油分阻力、冷卻能力直接影響壓縮機是否能夠穩(wěn)定運行，因此，需要對上述六項指標(biāo)進行監(jiān)測.

2.1.2 空氣壓縮機運行狀態(tài)監(jiān)測方案

在空氣壓縮機適當(dāng)位置安裝壓力傳感器和溫度傳感器，監(jiān)測空氣壓縮機運行參數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)計算和邏輯判斷，得到空氣壓縮機運行狀態(tài).各傳感器布置方案及模擬指標(biāo)見表1，具體安裝位置見圖2.

表1 各傳感器布置方案及模擬指標(biāo)

1.空氣濾清器；2.冷卻器； 2.1.油冷卻器； 2.2.后冷卻器；3.進氣閥； 4.壓力開關(guān)； 6.安全閥； 7.壓力維持閥； 8.電磁閥；9.油細(xì)分離器 ；10.油氣筒； 10.1.隔板； 12.溫度開關(guān)；13.放油閥； 14.溫控閥； 15.油過濾器 ；24.真空指示器；A1.空壓機空氣入口； A2.壓縮空氣出口； A4.冷卻空氣圖2 空氣壓縮機運行狀態(tài)監(jiān)測方案示意

2.2 干燥器運行狀態(tài)監(jiān)測[4]

2.2.1 干燥器運行狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)

正常情況下，干燥器雙塔根據(jù)內(nèi)部控制邏輯交替工作，確保一塔處于干燥狀態(tài)，另一塔處于再生狀態(tài).干燥塔處于干燥階段時,壓縮空氣進氣口到排氣口之間壓力較高；干燥塔處于再生階段時,由于再生節(jié)流閥的降壓作用,且該塔通過排氣閥與大氣連通,壓力較低.為防止單一干燥塔連續(xù)干燥而“淹死”失效，對干燥器雙塔的壓力值進行監(jiān)測.

2.2.2 干燥器運行狀態(tài)監(jiān)測方案

干燥器的狀態(tài)監(jiān)控是通過監(jiān)測干燥塔在不同階段(干燥階段和再生階段)交替轉(zhuǎn)換時的壓力變化,判斷干燥器是否正常工作.因此，給每個干燥塔配置1個壓力開關(guān)(見圖3),設(shè)定壓力開關(guān)的壓力值，通過數(shù)據(jù)處理和分析，判斷壓力開關(guān)是否按照干燥器干燥再生轉(zhuǎn)換周期進行動作，從而確定干燥器運行狀態(tài).

圖3 干燥器運行狀態(tài)監(jiān)測方案示意

2.3 壓縮空氣品質(zhì)監(jiān)測[5]

2.3.1 壓縮空氣品質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 8573要求，壓縮空氣品質(zhì)包括三方面內(nèi)容：露點、含油量、固體顆粒度，這三項指標(biāo)直接影響空氣管路系統(tǒng)用風(fēng)安全.其中任何一項指標(biāo)控制不當(dāng)，均有可能對機車車輛行車安全造成隱患，為保證壓縮空氣品質(zhì)，對上述三項指標(biāo)進行監(jiān)測.

2.3.2 壓縮空氣品質(zhì)監(jiān)測方案

壓縮空氣經(jīng)過微油過濾器和干燥器處理后，便決定了壓縮空氣的最終品質(zhì).因此，對于壓縮空氣露點(含濕量)、含油量、固體顆粒度的監(jiān)測，將相應(yīng)傳感器安裝于干燥器出口.

(1)含濕量監(jiān)測

壓縮空氣的露點探測包括兩部分：含水量探測和溫度探測，傳感器采用高分子電容式露點儀，其技術(shù)原理見圖4.

圖4 高分子電容式露點儀技術(shù)原理示意

當(dāng)空氣中含水量不同時，薄膜聚合物能夠吸收或釋放水蒸氣，聚合物的介電特性隨著傳感器周邊濕度的變化而變化，傳感器電容因之發(fā)生變化，然后電容的變化可以計算出流經(jīng)氣體水分的含量；當(dāng)PT100(溫度傳感器)在溫度變化時，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長，經(jīng)過算法，即可得到傳感器周圍的溫度數(shù)據(jù)；在薄膜聚合物電容和溫度傳感器的作用下，露點溫度即可通過計算得出.

(2)含油量監(jiān)測

壓縮空氣含油量監(jiān)測采用PID(Photo lonization Detectors)光離子化探測器，探測器由真空紫外燈和電離室構(gòu)成，技術(shù)原理見圖5.

圖5 光離子化探測器技術(shù)原理示意

待測壓縮空氣中的潤滑油分子吸收紫外燈發(fā)射的高于氣體分子電離能的光子，被電離成正、負(fù)離子，在外加電場的作用下離子偏移形成微弱電流.由于被測氣體濃度與光離子化電流呈線性關(guān)系，因此，通過檢測電流值可得知被檢測氣體的濃度，從而監(jiān)測壓縮空氣的含油量.

(3)固體顆粒度監(jiān)測

壓縮空氣固體顆粒度監(jiān)測采用激光粒子計數(shù)器，計數(shù)器的光源是LED激光管，光檢測器的主要元件是CCD電荷耦合元件，光檢測器和測量腔做成一體，固體顆粒通過CCD，CCD會檢測到光信號，生成一個電脈沖，經(jīng)過計算，得出壓縮空氣固體顆粒度，技術(shù)原理見圖6.

圖6 激光粒子計數(shù)器技術(shù)原理示意

2.4 供風(fēng)監(jiān)測

供風(fēng)監(jiān)測主要監(jiān)測機車向聯(lián)掛車輛所供壓力空氣的流量和壓力，具體方案是在機車與車輛聯(lián)接處加裝雙管供風(fēng)流量壓力變送器組件.在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對機車空氣壓縮機的智能變頻控制、維護保養(yǎng)提示，及對雙管供風(fēng)流量異常報警和風(fēng)量控制.

3 智能控制策略

3.1 空氣壓縮機變頻智能控制

3.1.1 空氣壓縮機智能控制要求[6]

根據(jù)機車車輛用風(fēng)要求，空氣壓縮機采用變頻智能控制方式供風(fēng).當(dāng)機車車輛需要用風(fēng)時，頻率由50Hz調(diào)整到100～120 Hz，保證機車用風(fēng)供給(如總風(fēng)壓力低于(680±20) kPa時，需要兩個壓縮機同時啟動時)；當(dāng)機車車輛用風(fēng)需求不大時，頻率降低到30～40 Hz，補充泄漏的風(fēng)量(如總風(fēng)壓力低于(750±20) kPa時，只需一個壓縮機啟動)；當(dāng)機車車輛無需供風(fēng)時，保持空氣壓縮機轉(zhuǎn)動，使空氣壓縮機潤滑油溫度保持在一定的溫度，保證冷卻過程中水分不析出.

3.1.2 變頻智能控制原理[7]

變頻器基于交-直-交電源變換原理,可根據(jù)控制對象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓.電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比,因此,用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空氣壓縮機電動機的電源電壓,可方便地改變空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速.空氣壓縮機采用變頻調(diào)速技術(shù)進行恒壓供氣控制時,系統(tǒng)原理框圖如圖7所示.

變頻調(diào)速系統(tǒng)將總風(fēng)缸壓力作為控制對象,壓力變送器將總風(fēng)缸的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器,與壓力給定值進行比較,并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算,產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率,調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速,從而使實際壓力始終維持在給定壓力.另外,采用該方案后,空氣壓縮機電動機從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實現(xiàn)軟啟動,避免了啟動時的大電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊.

正常情況下,空氣壓縮機在變頻器調(diào)速控制方式下工作.變頻器一旦出現(xiàn)故障,生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機停機,因此,系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能,這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時,可由工頻電源通過接觸器直接供電,使空氣壓縮機照常工作.

3.2 干燥器干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制

3.2.1 干燥器智能控制要求

目前，機車用干燥器具有定時轉(zhuǎn)換、時間累計和狀態(tài)記憶的功能，能夠初步滿足壓縮空氣的凈化要求.采用干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制方式后，干燥器兩塔在交替工作過程中，具有柔性轉(zhuǎn)換的特性，減少氣流對干燥劑的沖擊，避免粉末進入管路系統(tǒng).此外，增加空氣干燥器故障時可在車上切除的功能，以避免機破.

3.2.2 干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制原理

干燥器的工作，是由風(fēng)泵調(diào)壓器來控制的.風(fēng)泵調(diào)壓器是機車上將總風(fēng)缸壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娍匦盘柕难b置，當(dāng)總風(fēng)壓力低于某一設(shè)定值(750 kPa)時，調(diào)壓器發(fā)出通電信號；當(dāng)總風(fēng)壓力達至另一設(shè)定值(900 kPa)時，調(diào)壓器發(fā)出斷電信號.因此，裝置的各種功能與工作狀態(tài)，均與空氣莊縮機的工況相配合.干燥裝置電氣-機械控制系統(tǒng)的組成及控制關(guān)系如圖8所示.

圖8 電氣-機械控制系統(tǒng)圖示

電控器在接受風(fēng)泵調(diào)壓器的信號后，經(jīng)過邏輯處理，轉(zhuǎn)而輸出控制電空閥的電信號，并通過電空閥來操縱各機械閥(進氣閥、排氣閥)的動作.兩干燥塔根據(jù)其進氣和排氣閥所處的作用位，按一定的程序交替工作，形成以下幾種狀態(tài):

(1)停機狀態(tài)：排氣閥關(guān)，進氣閥隨機位;

(2)吸附狀態(tài)：排氣閥關(guān)，進氣閥開;

(3)再生狀態(tài)：排氣閥開，進氣閥關(guān);

(4)充氣狀態(tài)：排氣閥關(guān)，進氣閥關(guān).

4 結(jié)論

智能化風(fēng)源系統(tǒng)依托空氣壓縮機技術(shù)和干燥器技術(shù)，集成智能監(jiān)測功能、自我控制和調(diào)節(jié)功能，涉及運行管理與檢修維護，將實現(xiàn)空氣壓縮機和干燥器的智能運行維護，進一步提升機車車輛空氣管路用風(fēng)安全.目前，智能化風(fēng)源系統(tǒng)中的部分功能已經(jīng)在機車車輛上實現(xiàn)，但是，整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制及調(diào)節(jié)功能尚未實現(xiàn)，仍處于理論研究階段.因此，智能化風(fēng)源系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用仍將持續(xù)進行.