羅飛平,王俊勇

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川成都610031)

大秦線擔(dān)當(dāng)2萬t重載組合列車牽引任務(wù)的HXD2機(jī)車是目前世界上功率最大的交流傳動電力機(jī)車,由法國阿爾斯通公司和北車大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司聯(lián)合設(shè)計制造。大秦線2萬 t組合列車采用分布式動力同步操作 LOCOT ROL控制技術(shù),由美國GE公司提供,制動系統(tǒng)采用法國某公司控制技術(shù)。機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)是向列車制動機(jī)、列車輔助用風(fēng)設(shè)備提供高質(zhì)量、潔凈、干燥、氣壓穩(wěn)定的壓縮空氣。

1 機(jī)車風(fēng)源及凈化系統(tǒng)工作原理

每節(jié)HXD2型機(jī)車的風(fēng)源系統(tǒng)由1臺GAR 22型螺桿式空氣壓縮機(jī)組、1臺雙塔空氣干燥器、1套WSDR25/PDR60自動除水、除油過濾裝置、1臺輔助壓縮機(jī)、1臺輔壓機(jī)干燥器、總風(fēng)缸、輔助風(fēng)缸和管路附件組成。

1.1 螺桿空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)單元主要由空氣壓縮機(jī)、驅(qū)動電機(jī)(三相交流)、電氣系統(tǒng)、彈性裝配結(jié)構(gòu)、監(jiān)控和安全設(shè)施和其他部件等構(gòu)成;此外,壓縮機(jī)也包括過濾、調(diào)節(jié)和監(jiān)控油和空氣循環(huán)系統(tǒng)的部件。壓縮機(jī)單元是一個獨立的模塊化裝置,通過彈性連接安裝到車上。

需要壓縮的空氣經(jīng)空氣過濾器過濾后輸送到壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。在壓縮機(jī)箱體內(nèi)部,當(dāng)壓縮空氣中的油被過濾后,壓縮完的空氣通過空氣冷卻器進(jìn)入空氣輸送管,同時用于密封、潤滑和分散壓縮而升溫的油通過一個油控制裝置返回壓縮機(jī)。隨著溫度和油控制裝置內(nèi)恒溫器位置的不同,通過油冷卻器的油量有所不同。每次電動壓縮機(jī)組關(guān)閉時,壓縮機(jī)內(nèi)的壓力通過卸壓閥降低(圖1)。

圖1 空氣壓縮機(jī)單元簡圖

首先通過空氣過濾器吸入空氣,并送至壓縮單元-螺桿壓縮機(jī)中。在螺桿壓縮機(jī)中,通過減少兩個轉(zhuǎn)子之間的剩余空間來壓縮空氣,此時將油泵到壓縮室中,起到降溫和潤滑的作用。壓縮空氣成為油氣混合壓縮體。高溫壓縮油氣混合體經(jīng)過逆止閥進(jìn)入油氣分離器。在油氣分離器中,大多數(shù)注入壓縮室的油與壓縮空氣分離,并通過回油管路進(jìn)行循環(huán)利用。當(dāng)油氣分離器中的壓力達(dá)到額定壓力(4×105Pa)時,最低壓力閥打開并允許高溫壓縮空氣進(jìn)入空氣冷卻器中。經(jīng)過空氣冷卻室冷卻后的壓縮空氣即可為車載設(shè)備所用。

1.2 空氣壓縮機(jī)控制電路

HXD2機(jī)車的螺桿空氣壓縮機(jī)采用星三角轉(zhuǎn)換控制技術(shù)。通過時間原則控制星形啟動和三角形啟動的轉(zhuǎn)換。采用星三角啟動,可以將啟動電流降至原來的1/1.732,可以減輕系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊。當(dāng)列車空載時,可以讓電機(jī)在星形接法下運行,此時,額定轉(zhuǎn)矩可以與負(fù)載匹配,這樣能使電動機(jī)的效率提高,并因之節(jié)約電力消耗。HXD2機(jī)車空壓機(jī)采用星三角轉(zhuǎn)換控制技術(shù)的主要特點就是能最大限度地節(jié)約能源?？諝鈮嚎s機(jī)控制電路主要由星三角轉(zhuǎn)換控制電路,加熱器控制電路和干燥器控制電路組成(圖2)。加熱控制信號針對機(jī)車運行環(huán)境在-29℃和5℃的情況。當(dāng)環(huán)境溫度小于對應(yīng)的值時,將啟動加熱模塊。加熱水和潤滑油可以讓壓縮機(jī)處于良好的潤滑狀態(tài),保證壓縮機(jī)的運行狀態(tài)和壽命。干燥器連接控制模塊實現(xiàn)干燥器的時序控制,保證干燥器正常地進(jìn)行干燥和再生動作。

圖2 空氣壓縮機(jī)控制電路

1.3 空氣干燥裝置

HXD2電力機(jī)車采用CDR45-628型干燥器。由英國某公司生產(chǎn),其原理如下:

壓縮機(jī)啟動時,電控器得到電信號,使一個電空閥處于“得電供氣”狀態(tài),另一電空閥處于“失電狀態(tài)”,并以此操縱各自的進(jìn)、排氣動作。如圖3所示,A塔進(jìn)入再生狀態(tài),B塔進(jìn)入吸氣狀態(tài),來自空氣壓縮機(jī)的高溫、高濕度的壓縮空氣,經(jīng)冷卻和分離油水粒子后,由進(jìn)氣閥口B進(jìn)入B塔,當(dāng)空氣流通過B塔干燥劑床時,空氣中的水分子被干燥劑吸附而降低了相對濕度,成為干燥空氣,干燥空氣經(jīng)過B塔后分為兩路,其中一部分進(jìn)入總風(fēng)缸:另一小部分(15%)進(jìn)入A塔,在A塔內(nèi)膨脹為極干的低壓“再生空氣”。然后流經(jīng)干燥劑床時,將干燥劑吸附的水分子脫附,并攜帶水分子排到大氣。這樣,B塔在吸附的同時,還擔(dān)負(fù)著對A塔的再生。B塔的吸附與A塔的再生是同時進(jìn)行的。

圖3 空氣干燥器

1.4 WSDR25自動除水/PDR60自動除油/DDR60P除塵過濾器

WSDR25利用離心力從空氣中分離水。含有液態(tài)冷凝液的壓縮空氣在經(jīng)過葉輪后,其流向由垂直向下變?yōu)檠剡^濾器壁的圓周運動,這樣冷凝液在離心作用下被甩到側(cè)壁上,然后在重力作用下流到殼體底部,并最終排出;壓縮空氣則向上經(jīng)出口輸送出去。

干燥器除塵過濾器DDR60P與螺桿壓縮機(jī)除油過濾器PDR60結(jié)構(gòu)原理大致相同,除油過濾器PDR60壓縮空氣是由內(nèi)而外進(jìn)行過濾,除塵過濾器DDR60P壓縮空氣是由外而內(nèi)進(jìn)行過濾。主要通過3種形式去除壓縮空氣含有的雜質(zhì)顆粒和殘油,即直接攔截、撞擊分離和布朗運動。過濾器濾芯包含一個極深的玻璃纖維層。固體顆粒被直接攔截在過濾器纖維層中,穿過濾材間隙后的固體顆?；蛴偷斡捎趹T性撞擊纖維并附在其上。而非常細(xì)微的液滴會在此形成較大的液滴,它們被強制進(jìn)入外部的泡沫夾層,并在重力作用下成為黏性液體薄膜,流入下過濾器的碗形容器中。覆有PVC的專用泡沫夾層可以阻滯礦物油、合成油和使用過久的油通過(圖4)。

圖4 過濾器處理過程

1.5 壓縮空氣貯備

經(jīng)干燥過濾后的壓縮空氣儲存在氣動柜中的2個總風(fēng)缸內(nèi),每個總風(fēng)缸容量為500 dm3?？傦L(fēng)缸采用并聯(lián)方式連接?？傦L(fēng)缸出口裝有2個壓力傳感器,壓力信號分別送入機(jī)車兩主微機(jī)MPU1和MPU2。當(dāng)壓力傳感器檢測總風(fēng)壓力低于750 kPa時,主微機(jī)控制壓縮機(jī)啟動,壓力高于900 kPa時,主微機(jī)控制壓縮機(jī)停止工作,使總風(fēng)缸壓力保持在750～900 kPa正常工作范圍內(nèi)。

2 機(jī)車風(fēng)源及凈化系統(tǒng)測試方法

溫度測試、露點溫度測試、濕度測試、壓力測試、固體顆粒等級測試、轉(zhuǎn)速測量分別采用溫度傳感器、露點溫度傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、塵埃粒子計數(shù)器、光電測速儀直接進(jìn)行測試讀取。功率測試依照GB 1032-68《中小型三相異步電機(jī)試驗方法》。壓縮機(jī)排氣量采用噴嘴法。聲音測量采用聲音強度計來記錄設(shè)備的聲功率。

(1)溫度測量參數(shù)。to為常溫,不受風(fēng)源干擾;ta為進(jìn)氣口溫度,距空氣過濾器前面最多5 cm進(jìn)行測量;th1為螺桿出口溫度;th2為注入螺桿副的油溫;tes為壓縮空氣在水分離器入口的溫度;tss為壓縮空氣在干燥器出口的溫度;tau為冷卻器前,設(shè)備吸入的空氣溫度;tru為風(fēng)扇罩出口前,設(shè)備吹出的空氣溫度。在低溫狀態(tài),需要對除水、除塵裝置進(jìn)行加熱,加熱板為PTC半導(dǎo)體材料,功率30 W,電壓 AC220 V,在0 ～5℃開始加熱,加熱10℃,然后保持恒溫。

(2)壓力測量參數(shù)。Po為大氣壓力,不受風(fēng)源干擾;Ph1為油分離器入口(PR(PRN2)CPR)的壓力;Ph2為螺桿注射口的油壓;Pes為干燥器進(jìn)氣口(PR(PRN)(EN)SR)的壓力;Pss為干燥器出氣口(PR(PRN)(SO)SR)的壓力。壓力下降值:Pes-Pss;Ph1-Pes。

(3)流量。在排氣管道上裝設(shè)噴嘴,測出噴嘴前后壓力差以求得空氣壓縮機(jī)的排氣量。①主管的選擇:本結(jié)構(gòu)中主管內(nèi)徑選用D=85 mm,D≥4d,其中d為噴嘴直徑,d=20 mm,其測量范圍按內(nèi)插法計算后為1.129～2.248 m3/min,可滿足要求。②噴嘴前的差壓、溫度測量點的位置根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),噴嘴前的差壓量點的位置距噴嘴的距離85 mm,溫度測量點255 mm,整個裝置的長度900 mm,噴嘴中心距地面高度520 mm,整流格板和導(dǎo)板的位置與加工尺寸按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。③流量測量的計算:在額定工作壓力下:

式中Q0為未計冷凝水的壓縮機(jī)容積流量,m3/s;C為噴嘴系數(shù),選取范圍0.973～0.991;TX 1為壓縮機(jī)1級吸氣溫度,K;Δp為噴嘴前后的壓差,Pa;T1為噴嘴前氣體溫度,K;Pb為試驗處的大氣壓力,Pa。④排氣壓力和排氣溫度的測量位置:排氣壓力檢測點接PR(PRN)(EN)SR接口處,排氣溫度、調(diào)壓器壓力的測量點接PR(PRN2)CPR接口處,法維萊安全閥壓力測量點接PR(PRN1)CPR接口處,安全閥壓力(11.5×105Pa)測量點接PR(PRN3)CPR接口處。⑤當(dāng)壓縮機(jī)試驗時轉(zhuǎn)速與規(guī)定轉(zhuǎn)速不同時,按式(2)修正:

(4)功率測量。功率在電機(jī)電源上測量,并測量電機(jī)轉(zhuǎn)速vcpr和穩(wěn)定狀態(tài)下的電流,壓縮機(jī)的總耗電量(電機(jī)、干燥器、電磁閥)。由實測電動機(jī)輸入功率按式(3)計算電動機(jī)輸出功率:

式中ηd為電動機(jī)的效率。由電動機(jī)輸出功率按式(4)計算壓縮機(jī)軸功率:

式中ηc為電動機(jī)與空氣壓縮機(jī)軸間的傳動效率。

(5)露點溫度的測量。露點溫度Tr采用基于電容的傳感器在設(shè)備出氣口進(jìn)行測量,壓力露點≤-40℃。

(6)噪聲測量。根據(jù)PN8NTC2.2標(biāo)準(zhǔn)測量聲音強度(1 m處的聲壓級≤85 dbA)。

(7)固體顆粒等級。根據(jù)ISO 8573《壓縮空氣系列標(biāo)準(zhǔn)》。干燥后的壓縮空氣塵埃顆粒尺寸≤1 μ m、濃度≤5 mg/m3,干燥后的壓縮空氣含油率≤3 mg/m3。

(8)干燥器再生轉(zhuǎn)換方式與時間等參數(shù)。空氣干燥器的再生轉(zhuǎn)換過程與時間參數(shù)是連接在專用試驗臺上的空氣干燥器正常工作的條件下,通過觀察電控箱及試驗臺上的指示器和計時器而獲得。如圖5所示,A塔為再生排氣90 s(0～90)階段:測試VE-SR(C1)(NO)常開電磁閥處于失電90 s狀態(tài),從而使壓縮空氣A塔進(jìn)氣閥關(guān)閉,此時,A塔排氣VE(PU)C1-SR(NC)常閉電磁閥得電,保證A塔出氣分配閥打開,使A塔再生空氣排大氣;這期間,B塔為吸附進(jìn)氣90 s(0～90)階段:測試VE-SR(C2)(NO)常開電磁閥處于得電120 s狀態(tài),使壓縮空氣B塔進(jìn)氣閥打開,保證壓縮空氣進(jìn)入B塔進(jìn)行吸附作用,此時,排氣VE(PU)C2-SR(NC)常閉電磁閥失電,保證B塔出氣分配閥關(guān)閉,則壓縮空氣不能從B塔排出。90 s后,A塔轉(zhuǎn)換為30 s(90～120)保壓狀態(tài),排氣VE(PU)C1-SR(NC)常閉電磁閥失電,保證A塔出氣分配閥關(guān)閉,則再生空氣不能從A塔排出;而B塔仍為吸附進(jìn)氣(保壓)30 s(90～120)狀態(tài)。這樣就完成了一個120 s的吸附、再生轉(zhuǎn)換的循環(huán)周期,并進(jìn)入下一個循環(huán)。

A塔轉(zhuǎn)換為吸附進(jìn)氣90 s(120～210)階段:測試VE-SR(C1)(NO)常開電磁閥處于得電120 s狀態(tài),使壓縮空氣A塔進(jìn)氣閥打開,保證壓縮空氣進(jìn)入A塔進(jìn)行吸附作用,此時,排氣VE(PU)C1-SR(NC)常閉電磁閥失電,保證A塔出氣分配閥關(guān)閉,則壓縮空氣不能從A塔排出;這期間,B塔為再生排氣90 s(120～210)階段:測試VE-SR(C2)(NO)常開電磁閥處于失電90 s狀態(tài),從而使壓縮空氣B塔進(jìn)氣閥關(guān)閉,此時,B塔排氣VE(PU)C2-SR(NC)常閉電磁閥得電,保證B塔出氣分配閥打開,使B塔再生空氣排大氣;210 s后,B塔轉(zhuǎn)換為30 s(210～240)保壓狀態(tài),排氣VE(PU)C2-SR(NC)常閉電磁閥失電,保證B塔出氣分配閥關(guān)閉,則再生空氣不能從B塔排出;而A塔仍為吸附進(jìn)氣(保壓)30 s(210～240)狀態(tài)。這樣又完成了一個吸附、再生轉(zhuǎn)換的循環(huán)周期(圖5)。

只要在保壓30 s階段,自動除油/除水常得電電磁閥VE(PU)FI-DH(NO)與VE(PU)FI-CPR(NO)均失電2 s(110～112 s,230～232 s),從而保證除油/除水過濾器內(nèi)的油、水自動排出。VE(PU)FI-DH(NO)與VE(PU)FI-CPR(NO)電磁閥功率為12 W,電壓為DC24V。

圖5 空氣處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)循環(huán)

試驗測試5種工況:常溫20℃工況;冷卻器50%阻塞工況;40℃工況;-25℃工況;慢熱工況。各種工況都必須滿足大秦線制動空氣質(zhì)量要求。比如在冷卻器50%阻塞工況,每120 s,過濾器(WSDR和PDR)需進(jìn)行自動排油、排水,這個過程(2 s)將使流量降至1 920 dm3/min以下,但是這不能影響壓縮機(jī)性能,并能獲得滿足要求的壓力空氣。

通過試驗并修正可以得出AGTU參數(shù):功率22 kW;壓縮空氣出口溫度,高于環(huán)境溫度10℃～15℃;最高壓力1 080 kPa;壓縮機(jī)出口壓力900 kPa;最低工作壓力400 kPa;溫度范圍-40℃/+50℃;經(jīng)干燥后的壓縮空氣質(zhì)量:(含水)壓力露點≤-40℃,含塵≤1 μ m/濃度5 mg/m3,含油≤3 mg/m3;電機(jī)轉(zhuǎn)速 2 930 r/min;供風(fēng)量2 400 dm3/min;壓縮機(jī)電機(jī)功率22 kW。

3 系統(tǒng)供風(fēng)能力的研究

HXD2電力機(jī)車風(fēng)源及凈化系統(tǒng)的供風(fēng)能力能否滿足要求,需要進(jìn)行分析計算。影響機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)能力的主要因素有空氣壓縮機(jī)型式,空氣壓縮機(jī)排氣壓力和排氣量,總風(fēng)缸容積與壓力范圍。還需要考慮空氣干燥器再生耗氣率、總體布置的可行性以及機(jī)車設(shè)計任務(wù)書等。

本系統(tǒng)選擇的是螺桿壓縮機(jī),能提高機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的可靠性,保證列車的安全運行。

3.1 總風(fēng)缸使用壓力

總風(fēng)缸與列車管壓力差為ΔP。當(dāng)在同樣的壓力差下,列車管壓力越高,其緩解與再充氣時間增加;當(dāng)列車管壓力一定時,壓力差越大,其緩解與再充氣時間就越短;當(dāng)壓力差大于200 kPa后,緩解時間加速并不顯著。HXD2機(jī)車有貨車位也有客車位。對于列車管壓力為600 kPa時,總風(fēng)缸壓力取值750～900 kPa較為合適;對于列車管壓力為500 kPa時,總風(fēng)缸壓力取值750～900 kPa就更能滿足緩解與充氣要求(對于加速充氣ΔP取300 kPa更理想)。

選擇螺桿空氣壓縮機(jī)時因為有超負(fù)荷運用的限制,其額定排氣壓力選擇1 080 kPa比較合適,法維萊安全閥的限制壓力為1 080 kPa,可以滿足要求。

3.2 空氣壓縮機(jī)排氣量

機(jī)車空氣壓縮機(jī)排氣量取決于制動時空氣實際消耗量、管路系統(tǒng)的空氣泄漏量、機(jī)車控制與輔助裝置及其他用風(fēng)量,還與列車充氣緩解時間、總風(fēng)缸的容積大小有關(guān)。

(1)列車制動系統(tǒng)容積

根據(jù)《大秦線2萬t重載組合列車制動計算分析》,可知列車編組數(shù)量n為53。

式中L1j為機(jī)車列車管長度,單機(jī)取30 m,雙節(jié)重聯(lián)取60 m;L1i為車輛列車主管長度,取15 m;1.004為公稱通徑為Dg32管徑的單位長度容積,dm3/m。

式中 L2j,L2i分別為機(jī)車(取3 m)、車輛(取1.5 m)的列車支管長度;0.573為公稱通徑為Dg25管徑的單位長度容積,dm3/m。

式中Vf為車輛副風(fēng)缸容積,大秦線牽引車輛為C80和C80B,副風(fēng)缸容積分別為40和50 dm3,這里取最大值50 dm3。

式中V4j,V4i為機(jī)車、車輛分配閥容積(包括工作風(fēng)缸等),V4j取 22 dm3,V4i取 11 dm3。

總風(fēng)缸2 000 dm3,其連接管60 m長度,公稱通徑Dg32,管路計算為60 dm3。

⑥全部制動系統(tǒng)容積V

通過計算可以得到表1。

表1 列車制動系統(tǒng)容積 dm3

(2)列車壓縮空氣消耗量

①管路系統(tǒng)的空氣泄露量

式中A1為機(jī)車總風(fēng)缸系統(tǒng)及車輛副風(fēng)缸泄漏量,取10 kPa/min;A2為列車管系泄漏量,取10 kPa/min;P0為大氣壓力,取100 kPa;

②常用制動再充氣空氣最大消耗量

式中N為每小時全制動次數(shù),取5;Rmax為最大有效減壓量,按列車管定壓600 kPa,取170 kPa。

③機(jī)車控制與輔助系統(tǒng)空氣消耗量

式中Qs為撒沙用風(fēng)量,取120 dm3/m;Ql為風(fēng)喇叭用風(fēng)量,單機(jī)與雙節(jié)重聯(lián),均取25 dm3/m;Qd為控制系統(tǒng)的風(fēng)動電器用風(fēng)量,取15 dm3/m;Qq為輔助系統(tǒng)的其他器械用風(fēng)量,取25 dm3/m。

④列車壓縮空氣消耗量QA=Q1+Q2+Q3

通過計算可以得到表2。

表2 列車壓縮空氣消耗量 dm3/m

(3)列車充氣緩解空氣消耗量

①初充風(fēng)空氣消耗量

式中P1為列車管定壓,按600 kPa取值;t1為列車初充氣時間,取15.5 min(7 000 t級)。

②緊急制動后再充氣空氣消耗量

式中Rmax為緊急制動時,副風(fēng)缸壓力下降值與最大有效減壓量相同,按列車管定壓600 kPa,取170 kPa;t3為緊急制動后的再充氣時間,取6.6 min(7 000 t級)。

(4)空氣壓縮機(jī)的排氣量

通過西南交通大學(xué)制動研究實驗室的定置試驗臺得到結(jié)論:由于受機(jī)車車輛制動機(jī)本身性能(如機(jī)車中繼閥)的限制,機(jī)車空氣壓縮機(jī)排氣量達(dá)到一定數(shù)值后,不適合再通過提高機(jī)車空氣壓縮機(jī)排氣量來縮短列車初充氣的時間。

按照國外通行慣例,每臺機(jī)車采用兩臺相同的空氣壓縮機(jī)組,而單臺空氣壓縮機(jī)的排氣量按照牽引列車運行時的壓縮空氣總消耗量QA來選取:Q=QA/ψ=1 388/0.8=1 735 dm3/min。考慮到大秦線機(jī)車的安全性,取QB,QC進(jìn)行校核,選擇空氣壓縮機(jī)的排氣量為2 400 dm3/min,該風(fēng)源系統(tǒng)能滿足要求。

4 結(jié)束語

介紹了 WSDR25除水過濾器/PDR60除油過濾器/DDR60P除塵過濾器的工作原理。并且介紹了國際領(lǐng)先技術(shù)的鐵路螺桿壓縮機(jī),它采用的星三角轉(zhuǎn)換啟動控制技術(shù),首次用于國內(nèi)鐵路運輸。該風(fēng)源系統(tǒng)在HXD2上運行可靠穩(wěn)定,具有保養(yǎng)時間少、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、低噪聲、低振動、占空比少、防腐蝕等優(yōu)點。通過試驗和計算表明,能穩(wěn)定持續(xù)地向列車制動機(jī)、列車輔助用風(fēng)設(shè)備提供所需高質(zhì)量、潔凈、干燥、氣壓穩(wěn)定的壓縮空氣。

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