于 博，樊立新，石鄒亮，丁繼軍，吳國棟，張 律

(1.中車大連機(jī)車車輛有限公司 機(jī)車開發(fā)部，遼寧 大連 116022； 2.中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

CR200J型時(shí)速160 km動力集中動車組動力車(以下簡稱“動力車”)是為提升我國鐵路普速列車的舒適性，根據(jù)中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題《時(shí)速160 km動力集中動車組關(guān)鍵技術(shù)研究——?jiǎng)恿囮P(guān)鍵技術(shù)研究》的要求，由中車大連機(jī)車車輛有限公司研制的動力車型。該型動車組用于中國普速線路及客運(yùn)專線旅客運(yùn)輸，是我國“復(fù)興號”品牌戰(zhàn)略的主力車型之一[1]。

風(fēng)源系統(tǒng)是動車組空氣管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)提供動力車、拖車的氣動器件以及制動控制系統(tǒng)所需的高質(zhì)量、潔凈、干燥和穩(wěn)定的壓縮空氣，主要包括空氣壓縮機(jī)、空氣干燥器、過濾器、總風(fēng)缸、輔助壓縮機(jī)、輔助干燥器及閥類等。動力車設(shè)置2臺容積流量不小于1 600 L/min的螺桿式空氣壓縮機(jī)，默認(rèn)設(shè)置為延時(shí)模式(連續(xù)工作)。自2020年2月24日起，多臺動力車發(fā)生空壓機(jī)高溫保護(hù)故障，影響動車組正常運(yùn)用。

1 故障描述

CR200J型動車組自運(yùn)用以來，動力車空壓機(jī)高溫保護(hù)故障多發(fā)生在春夏交替季，尤其是楊柳絮飄飛期。普查空壓機(jī)高溫保護(hù)故障車牽引風(fēng)機(jī)機(jī)械間通風(fēng)口濾網(wǎng)，均發(fā)現(xiàn)有明顯臟堵情況，故障統(tǒng)計(jì)情況見表1。據(jù)了解，個(gè)別路局動車組到段運(yùn)用后從未進(jìn)行過濾網(wǎng)清理，導(dǎo)致機(jī)械間出風(fēng)口濾網(wǎng)臟堵情況較為明顯，清理濾網(wǎng)后，普遍反映運(yùn)用效果有所改善[2]?？梢姡瑸V網(wǎng)臟堵可能導(dǎo)致空壓機(jī)高溫保護(hù)故障。

表1 各路局動力車空壓機(jī)異常高溫保護(hù)故障車檢查情況統(tǒng)計(jì)

圖1為FXD3-J0029號動力車機(jī)械間出風(fēng)口濾網(wǎng)臟堵狀態(tài)。

圖1 FXD3-J0029號動力車機(jī)械間出風(fēng)口濾網(wǎng)臟堵

2 原因分析

CR200J型動車組動力車空壓機(jī)異常高溫保護(hù)故障原因可能是空壓機(jī)周圍環(huán)境溫度過高、機(jī)械間供風(fēng)量不足或通風(fēng)散熱通路不暢[3]。

2.1 周圍環(huán)境溫度過高

CR200J型時(shí)速160 km動力集中動車組動力車機(jī)械間配置2臺空壓機(jī)，其布局現(xiàn)狀及熱空氣流動模擬如圖2所示。

圖2 空壓機(jī)布局現(xiàn)狀及熱空氣流動模擬

其中，空壓機(jī)1靠近機(jī)械間中間走廊及高壓柜，無獨(dú)立車外排風(fēng)風(fēng)道，冷卻空氣采用車內(nèi)進(jìn)氣、車內(nèi)排氣方式流通；對面為牽引風(fēng)機(jī)機(jī)械間出風(fēng)口，周邊相對開闊，空氣流動性較好，且沒有冬夏季轉(zhuǎn)換模式，冷卻空氣變熱后全部排入機(jī)械間內(nèi)，這些熱空氣向兩邊擴(kuò)散，其中部分熱空氣流向空壓機(jī)2；空壓機(jī)2靠近機(jī)械間側(cè)墻及變流柜，具有獨(dú)立排風(fēng)風(fēng)道，冷卻空氣采用車內(nèi)進(jìn)氣方式流通，周邊相對封閉，空氣流動性較差，且具有冬夏季轉(zhuǎn)換模式，冷卻空氣變熱后可設(shè)置外排風(fēng)或內(nèi)排風(fēng)兩種方式。

由上述分析可知，空壓機(jī)1冷卻空氣變熱后排入機(jī)械間內(nèi)會造成局部溫度升高。動力車牽引通風(fēng)系統(tǒng)旁通的一部分空氣為機(jī)械間內(nèi)提供用風(fēng)，這部分空氣不僅作為空壓機(jī)的壓縮空氣，還用于冷卻機(jī)油、降低機(jī)械間溫度，尤其是牽引風(fēng)機(jī)2的機(jī)械間旁通口直接吹向空壓機(jī)1，有效地降低了空壓機(jī)1機(jī)油冷卻用空氣溫度，空壓機(jī)1得到較好的冷卻，從未出現(xiàn)高溫報(bào)警。而空壓機(jī)2由于安裝位置的原因，無法得到機(jī)械間冷卻空氣的有效對流，且空壓機(jī)1中冷卻機(jī)油后變熱的部分空氣吹向空壓機(jī)2，導(dǎo)致空壓機(jī)2周邊的環(huán)境溫度明顯高于空壓機(jī)1周邊的環(huán)境溫度，空壓機(jī)2進(jìn)氣溫度較高，直接導(dǎo)致空壓機(jī)2出現(xiàn)高溫報(bào)警故障[4]。

2.2 機(jī)械間散熱供風(fēng)量不足

2.2.1 動力車風(fēng)源系統(tǒng)機(jī)械間耗風(fēng)量、供風(fēng)量理論計(jì)算

(1) 機(jī)械間耗風(fēng)量計(jì)算：2臺空壓機(jī)同時(shí)工作，壓縮空氣均采用車內(nèi)進(jìn)氣方式，機(jī)油冷卻用壓縮空氣一臺采用車內(nèi)進(jìn)氣、車外排氣，另一臺采用車內(nèi)進(jìn)氣、車內(nèi)排氣。單臺空壓機(jī)標(biāo)稱壓縮空氣量為1.65(1±6%)m3/min；單臺空壓機(jī)散熱所需冷卻空氣量，SL16型空壓機(jī)(克諾爾)為24 m3/min，TSA1.6型空壓機(jī)(嘉祥)為22 m3/min。則空壓機(jī)耗風(fēng)量最大值：1.82×2+24=27.64 m3/min=0.461 m3/s。

(2) 機(jī)械間供風(fēng)量計(jì)算：機(jī)械間設(shè)2個(gè)出風(fēng)口，在理想狀態(tài)下，每個(gè)出風(fēng)口面積為0.26×0.11=0.028 6 m2。風(fēng)機(jī)頻率為25 Hz時(shí)，出風(fēng)口平均風(fēng)速為8.8 m/s，供風(fēng)量為8.8×0.028 6×2=0.503 m3/s；風(fēng)機(jī)頻率為33 Hz時(shí)，出風(fēng)口平均風(fēng)速為12.7 m/s，供風(fēng)量為12.7×0.028 6×2=0.726 m3/s； 風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz時(shí)，出風(fēng)口平均風(fēng)速為22 m/s，供風(fēng)量為22×0.028 6×2=1.258 m3/s。

由此可見，風(fēng)機(jī)頻率為25 Hz時(shí)，在機(jī)械間出風(fēng)口沒有臟堵的情況下，理論上可滿足機(jī)械間用風(fēng)需求；但當(dāng)出風(fēng)口有效面積減小10%時(shí)，機(jī)械間供風(fēng)量將不能滿足散熱量需求。

2.2.2 機(jī)械間供風(fēng)散熱試驗(yàn)

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，相同工作頻率下，空壓機(jī)2進(jìn)氣口溫度與空壓機(jī)1最高溫差在5～8 ℃，空壓機(jī)2的機(jī)油平衡溫度較空壓機(jī)1普遍高約5 ℃。這是由于空壓機(jī)1臨近走廊，對面是牽引風(fēng)機(jī)的機(jī)械間旁通出風(fēng)口，而空壓機(jī)2臨近側(cè)墻，又處于變流柜、側(cè)墻和網(wǎng)側(cè)柜之間的半封閉空間內(nèi)，與牽引風(fēng)機(jī)的旁通出風(fēng)口之間還有復(fù)軌器等部件遮擋，導(dǎo)致空壓機(jī)2附近的空氣流動性較差，通過空氣對流進(jìn)行熱交換比較困難。

對上述原因初步分析后，挑選了配屬成都局的動力車進(jìn)行了相關(guān)實(shí)車試驗(yàn)，主要測試不同工況下的空壓機(jī)油溫，試驗(yàn)工況和現(xiàn)場情況如表2、圖3所示，測試結(jié)果如圖4所示。

表2 試驗(yàn)工況

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場

圖4中深藍(lán)色曲線為空壓機(jī)2機(jī)油溫度曲線，綠色為空壓機(jī)1機(jī)油溫度曲線。由油溫曲線可以看出，在牽引風(fēng)機(jī)頻率為25 Hz時(shí)，空壓機(jī)2的油溫一直高于空壓機(jī)1的油溫；當(dāng)牽引風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至50 Hz時(shí)，溫差迅速縮小，且空壓機(jī)2油溫下降明顯；將牽引風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至25 Hz、出風(fēng)口不堵時(shí)，空壓機(jī)2油溫上升，2臺空壓機(jī)油溫均變大；調(diào)至50 Hz、出風(fēng)口臟堵情況下，機(jī)械間通風(fēng)量上升，油溫再次下降；調(diào)至50 Hz、出風(fēng)口不堵時(shí)，油溫迅速下降?？梢钥闯?，在此過程中機(jī)械間通風(fēng)量對空壓機(jī)散熱影響較大。

圖4 各工況下測試的油溫曲線

綜上可知，牽引風(fēng)機(jī)頻率在25 Hz時(shí)，若在楊柳絮季節(jié)和高風(fēng)沙地區(qū)旁通濾網(wǎng)清理不及時(shí)，進(jìn)入機(jī)械間的風(fēng)量低，則不能滿足空壓機(jī)散熱所需風(fēng)量，使空壓機(jī)周邊空氣溫度升高，加劇了空壓機(jī)出現(xiàn)異常高溫保護(hù)的情況。

2.3 通風(fēng)散熱通路不暢

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在空壓機(jī)的線路、氣溫等外界因素均未改變的情況下，對空壓機(jī)濾芯進(jìn)行清理后，空壓機(jī)未再出現(xiàn)異常高溫保護(hù)現(xiàn)象，因此可推斷出風(fēng)口濾網(wǎng)臟堵影響了空壓機(jī)的散熱。

在機(jī)械間進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)堵塞情況下，通風(fēng)系統(tǒng)對機(jī)械間的供風(fēng)不足，不能有效提供冷卻用風(fēng)量需求，使得空壓機(jī)周邊的環(huán)境溫度不能有效降低。當(dāng)機(jī)械間進(jìn)風(fēng)量減少，空壓機(jī)周邊空氣流動性變差，加上空壓機(jī)2離通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口較遠(yuǎn)，導(dǎo)致空壓機(jī)工作時(shí)其周邊溫度持續(xù)升高。

3 優(yōu)化整改措施

(1) 優(yōu)化空壓機(jī)安裝布局，減小機(jī)械間外部環(huán)境溫度影響[5]。

后續(xù)研發(fā)的CR200J型動車組(鼓形車體)將空壓機(jī)1改為車外排氣，以降低機(jī)械間溫度；調(diào)整空壓機(jī)2的安裝位置，調(diào)換驅(qū)動電機(jī)與壓縮機(jī)位置，使空壓機(jī)2的橫向安裝尺寸與空壓機(jī)1相同。

空壓機(jī)安裝方向調(diào)整后，空壓機(jī)2的壓縮機(jī)、吸氣口更接近于中央走廊，處于較為開闊的區(qū)域，使壓縮機(jī)部分遠(yuǎn)離了高溫區(qū)域。而且調(diào)整后2個(gè)壓縮機(jī)位置更靠近牽引風(fēng)機(jī)機(jī)械間出風(fēng)口，空氣流動性較好?？諌簷C(jī)1的安裝位置與原方案相似，冷卻風(fēng)道如圖5所示。由于降低了空壓機(jī)2的安裝高度，空壓機(jī)與側(cè)墻之間可以設(shè)置更多的部件安裝與檢修空間。

圖5 空壓機(jī)安裝優(yōu)化方案

(2) 調(diào)整牽引風(fēng)機(jī)工作頻率，增加空壓機(jī)供風(fēng)量。

機(jī)械間進(jìn)風(fēng)量與牽引風(fēng)機(jī)工作頻率有著直接關(guān)系，原直車體動力車風(fēng)機(jī)頻率值設(shè)定為25 Hz、33 Hz和50 Hz，現(xiàn)鼓形車體動力車風(fēng)機(jī)頻率值設(shè)定為25 Hz、33 Hz、40 Hz和50Hz，風(fēng)機(jī)頻率完全根據(jù)牽引電機(jī)溫度、變流器水溫和變壓器油溫綜合控制。為了有效降低牽引電機(jī)溫度、變流器水溫和變壓器油溫，優(yōu)化了牽引風(fēng)機(jī)頻率，使?fàn)恳L(fēng)機(jī)運(yùn)行在33 Hz、40 Hz、50 Hz。

(3) 優(yōu)化機(jī)械間進(jìn)出風(fēng)口濾網(wǎng)的維護(hù)方案，升級風(fēng)口過濾器，保證通風(fēng)口維護(hù)方便。優(yōu)化后的風(fēng)口過濾器(圖6)快裝、便攜、易清理，同時(shí)也可保證過濾精度。

圖6 風(fēng)口濾網(wǎng)優(yōu)化方案

4 結(jié)論

本文從空壓機(jī)布局、牽引風(fēng)機(jī)工作頻率和風(fēng)口濾網(wǎng)維護(hù)3個(gè)方面制定的優(yōu)化整改方案，全面解決了空壓機(jī)異常高溫保護(hù)的問題，有效提高了空壓機(jī)在各種工作環(huán)境下的可用性。