楊偉君，李邦國，范榮巍，胡 亮

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

壓縮空氣是動車組制動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)的主要工作介質(zhì)，風(fēng)源系統(tǒng)性能直接關(guān)系到各用風(fēng)系統(tǒng)的功能和壽命。8輛編組的CRH3動車組風(fēng)源系統(tǒng)由主風(fēng)源系統(tǒng)和輔助風(fēng)源系統(tǒng)組成。主風(fēng)源系統(tǒng)位于IC03車和IC06車的車下，每套主風(fēng)源系統(tǒng)主要包括以下組件：SL22－54型空壓機組、LTZ015.1－H型干燥器、KSA型冷凝水收集器、OEF 2型精密濾油器及相關(guān)輔助設(shè)備。單套主風(fēng)源系統(tǒng)的供風(fēng)量為1 300L／min，輔助風(fēng)源系統(tǒng)主要是總風(fēng)欠壓情況下為受電弓升弓控制提供壓縮空氣。

風(fēng)源系統(tǒng)的管理要體現(xiàn)整車設(shè)計的思想，應(yīng)該根據(jù)列車的狀態(tài)將風(fēng)源的控制分成幾種模式。

1 風(fēng)源系統(tǒng)功能

8輛編組CRH3動車組的主風(fēng)源系統(tǒng)包括兩套風(fēng)源系統(tǒng)，安裝在IC03車和IC06車的車下，負(fù)責(zé)為車輛的制動系統(tǒng)、空氣彈簧、升弓控制等裝置提供干燥清潔的壓縮空氣［1］。兩套風(fēng)源系統(tǒng)通過總風(fēng)缸對整個系統(tǒng)管路提供壓縮空氣，各個用風(fēng)單元都設(shè)計有專用風(fēng)缸，通過管路與總風(fēng)缸及風(fēng)源系統(tǒng)接通。

在系統(tǒng)設(shè)計階段，車輛壓縮空氣的消耗和供給經(jīng)過計算，能保證空壓機的工作效率在30%至100%之間，盡量減少了乳化的發(fā)生。

1.1 風(fēng)源系統(tǒng)組成及性能

風(fēng)源系統(tǒng)主要包括以下部分：SL22－54型空壓機組、LTZ015.1－H型干燥器、KSA型冷凝水收集器、OEF 2型精密濾油器。

1.2 主要性能指標(biāo)

風(fēng)源系統(tǒng)的主要指標(biāo)詳見表1。

表1 風(fēng)源系統(tǒng)的主要參數(shù)

2 空壓機組

2.1 空壓機組特點

（1）風(fēng)源系統(tǒng)空壓機組設(shè)計專用于軌道交通車輛的振動環(huán)境；

（2）螺桿式空壓機組旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，運動部件盡量減少；

（3）最大限度地減少了振動和氣流的脈動，噪音低。

（4）壓縮空氣的輸出平穩(wěn)幾乎零振動；

（5）空壓機組軸承油封壽命長，約12 000h；

（6）機體和油氣桶輕質(zhì)鋁合金鑄造，質(zhì)量輕；

（7）工作周期最高達(dá)100%，最小30%；

（8）聯(lián)軸節(jié)和軸承所承受的動載荷較低，磨損少。

2.2 空壓機組結(jié)構(gòu)說明（見圖1）

空壓機組主要由空氣壓縮機機頭、電機、框架、電氣控制等部分組成，還包括彈性裝置、保護裝置、空氣過濾、油過濾、油氣分離器等部件。

空壓機組包括空氣壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤滑油循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 空壓機組結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 空壓機組工作原理

空壓機組為單級壓縮，由車上壓力調(diào)節(jié)器控制，空壓機組為間歇工作模式。

空壓機組機頭采用雙螺桿壓縮模式［2］，轉(zhuǎn)子之間的氣體容量隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不斷變化，進氣端口打開時，吸入氣體。兩個端口均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動被轉(zhuǎn)子遮蔽，空氣被壓縮的同時還向排氣端口運動。轉(zhuǎn)子最終打開排氣口時，壓縮氣體在轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，在壓力達(dá)到最大時排入油氣桶（1.1.1）內(nèi)。

機頭的壓縮率由兩個轉(zhuǎn)子的齒形、端口的尺寸及陰陽轉(zhuǎn)子軸間距確定見圖2，圖3。

潤滑油注入空壓機轉(zhuǎn)子嚙合處及轉(zhuǎn)子與機頭殼體之間間隙，吸收并帶走壓縮空氣過程中產(chǎn)生的大部分熱量。

雙螺桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理避免了所有的往復(fù)運動部件，將振動減小到最低限度，具有運行載荷低、噪音低、運行安全平穩(wěn)和減少機械磨耗等特點。

空氣在進入空壓機機頭（1.3）前需要經(jīng)過空氣過濾器（F）的處理，真空指示器（U）用于指示空氣過濾器濾芯的堵塞程度。

空氣經(jīng)機頭（1.3）壓縮，進入油氣桶（1.1.1）后先碰到隔板（1.1.1.a），大顆粒的油滴碰到隔板后下流至油氣桶底部，經(jīng)過油細(xì)分離器（1.1.4）過濾掉部分潤滑油后進入冷卻器（1.8）。

圖2 陰陽轉(zhuǎn)子嚙合

圖3 機頭

低溫時，潤滑油通過油細(xì)分離器（1.1.4）、油過濾器（1.2.7）、溫控閥（1.2）、油管路返回空壓機機頭（1.3）。

高溫時，溫控閥（1.2）打開，使?jié)櫥土飨蚶鋮s器（1.8.a）和油管路返回空壓機機頭（1.3）。

冷卻空氣進氣外殼（1.9）與蝸殼（1.5）組成可以獨立支撐的結(jié)構(gòu)。離心式風(fēng)扇（1.6）將冷卻空氣（A4）從冷卻空氣進氣外殼（1.9）吸入，經(jīng)蝸殼和擴壓器導(dǎo)向，吹過集成冷卻器（1.8）的散熱翅片，冷卻壓縮空氣及潤滑油。

總風(fēng)壓力達(dá)到設(shè)定值，空壓機組斷電停機，卸荷閥工作，將油氣筒內(nèi)和機頭前部的壓縮空氣排至空氣過濾器端，在規(guī)定時間內(nèi)卸荷至一定壓力以下，進氣閥（1.4.3）關(guān)閉，最小壓力閥（1.37）關(guān)閉。

潤滑油達(dá)到83℃時，溫控閥中的恒溫閥閥芯（1.2.2）動作，通往冷卻器（1.8.a）的路徑被打開，潤滑油會被送入冷卻器冷卻。溫度開關(guān)（T1）監(jiān)測機組內(nèi)溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時，空壓機組斷電停機。

2.4 空壓機組其他性能參數(shù)（見圖4、圖5）

（1）空壓機組最大排氣壓力為1 200kPa，額定排氣壓力為1 000kPa；

（2）壓縮空氣排氣口溫度高于環(huán)境溫度10～15℃；

（3）初次注油量為6～7L；

（4）啟動頻率小于30次／h；

（5）潤滑油溫度為80℃時耗油量約為0.5～0.8 cc／h；

（6）根據(jù)ISO2151，SL22－54空壓機組（未包裝）的聲壓級測試結(jié)果如下：

ISO2151測試距離／m 1 80 聲壓級LP dB（A）4.6 71 聲壓級LP dB（A）技術(shù)參數(shù) 備注參考標(biāo)準(zhǔn)

（7）供風(fēng)能力說明：

圖4 轉(zhuǎn)速與供風(fēng)能力關(guān)系圖

（8）轉(zhuǎn)速在1 750r／min，排氣壓力為1 000kPa時，功率約為13.6kW；

（9）排氣量說明：轉(zhuǎn)速為1 750r／min時，空壓機組的排氣量約1 600L／min，干燥后最終排氣量為1 300 L／min。

圖5 轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系圖

3 空氣干燥器功能及組成

研究表明，系統(tǒng)中的壓縮空氣相對濕度小于35%的范圍內(nèi)，金屬在含有所謂的刺激性銹蝕物的空氣中也不會產(chǎn)生銹蝕，所以干燥和清潔的壓縮空氣對管路系統(tǒng)和制動系統(tǒng)非常重要。

LTZ015.1－H型干燥器為無熱再生吸附式干燥器，使用鋁的硅酸鹽顆粒作為工作介質(zhì)。空氣干燥器從空壓機組輸出的壓縮空氣中吸收水和部分油，能保證干燥后的壓縮空氣相對濕度小于35%。它主要由以下部分組成：

（1）內(nèi)置油分離器（19.11）和干燥塔（19a，19b）；

（2）單向止回閥（24）、電磁閥（43）及排水閥（44）；

（3）干燥器控制電路板。

3.1 工作原理［3］

雙塔式干燥器采用一塔干燥、一塔再生、雙塔切換、循環(huán)往復(fù)的工作模式實現(xiàn)壓縮空氣的連續(xù)供給。

空壓機組輸出的壓縮空氣經(jīng)過精密濾油器，到達(dá)雙塔干燥器，雙塔干燥器集成的油過濾器吸收壓縮空氣中的油分，再流經(jīng)含有吸附劑的干燥塔，空氣中的大部分水分被吸附，到干燥器出口時，氣體的相對濕度已經(jīng)小于35%。少許干燥空氣被反吹，通過節(jié)流閥（50）膨脹，干燥的空氣將飽和的吸附劑中吸附的水分帶走，實現(xiàn)吸附劑再生。

雙塔干燥器結(jié)構(gòu)見圖6，工作過程如下：

圖6 雙塔干燥器結(jié)構(gòu)原理圖

圖中塔（19a）處于干燥階段，塔（19b）處于再生階段。

電磁閥（43）勵磁，閥座（V3）打開，干燥后的壓縮空氣從排氣口（P2）輸出，一氣路支路從打開的閥座（V2）和（V3）流至活塞閥（34），克服其彈簧彈力分別推動左、右活塞到達(dá)下面和上面的位置，打開閥座（V5）和（V8）。

壓縮空氣經(jīng)空壓機組冷卻器冷卻后由入口（P1）進入，閥座（V5）打開，先通過油分離器（19.11）內(nèi)填充的拉希格環(huán)，再自下而上流過干燥塔（19a），經(jīng)吸附劑（19.7）干燥，由中央管道向下，再經(jīng)單向閥（24）和旁通閥（71）從出口（P2）輸出。

吸附劑飽和時，電磁閥（43）失電對工作狀態(tài)進行切換。此時，閥座（V3）關(guān)閉，閥座（V4）打開?；钊y（34）的左、右活塞由彈簧力推動，分別到達(dá)上面和下面的位置，閥口（V5）和（V8）關(guān)閉，閥口（V6）和（V7）開啟。此時，氣流在塔（19b）中被干燥，塔（19a）中的吸附劑再生。

干燥器需要一定的壓力才能實現(xiàn)動作，旁通閥（71）確?？焖俳⑵鹦枰膲毫Γ挥谐龃藟毫?，壓縮空氣才輸出。在此壓力下，預(yù)控活塞閥（55）打開，雙活塞閥（34）位置切換。兩個單向閥（24）可防止壓縮空氣回流。單個工作循環(huán)見圖7。

圖7 單個工作循環(huán)的簡圖

當(dāng)空壓機組關(guān)閉或空載時，定時器記錄干燥器的運行狀態(tài)，并在再次運行時恢復(fù)計數(shù)，從而確保吸附劑不會由于運行循環(huán)中止等任何變動而出現(xiàn)過飽和。

圖8為壓力露點、環(huán)境溫度和相對濕度之間的關(guān)系。一定環(huán)境溫度下的相對濕度對應(yīng)的露點值。

3.2 干燥器技術(shù)特點

空氣干燥器LTZ015的技術(shù)特點：

（1）工作溫度－40℃～＋50℃；（2）輕質(zhì)鋁合金結(jié)構(gòu)；（3）干燥采用吸附式再生原理；（4）氣動部件優(yōu)良的耐低溫性；（5）干燥器內(nèi)部耐腐蝕設(shè)計。

4 精密濾油器

精密濾油器位于空壓機組下游、干燥器上游，作用是過濾壓縮空氣中的油分和少量顆粒。

圖8 壓力露點、環(huán)境溫度和相對濕度之間的關(guān)系

4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

精密濾油器主要由殼體、中心螺桿和精密濾油器濾芯等部件組成（見圖9和圖10）。

殼體為高硬度鋁制殼體，質(zhì)量輕。最大工作壓力可達(dá)1 600kPa，殼體內(nèi)表面涂抹合成樹脂涂料起防腐蝕保護作用。

圖9 精密濾油器

圖10 精密濾油器濾芯

濾油器的濾芯固定在中心螺桿上，并用端蓋密封，旋出封口螺母可檢查精密濾油器、除油。濾芯的內(nèi)外圈都有鋼制護套，為玻璃纖維層和PVC泡沫層提供支撐，即使在大的氣流及壓力波動下都不會變形失效。

精密濾油器可清除直徑在1μm以上的懸浮顆粒狀油霧和固體顆粒。出口含油量不超過1×10－7（20℃、700kPa）。濾芯內(nèi)圈有一個玻璃纖維層阻滯固體顆粒促使細(xì)微的油霧形成較大液滴，隨流動氣體進入泡沫層，形成黏性液狀薄膜，重力作用下進入殼體下部的集液區(qū)。

5 空壓機的管理

5.1 管理原則

（1）每套空壓機組工作時間盡量保證一致；

（2）每套空壓機組盡量少的啟動次數(shù)；

（3）空壓機組每次啟動時運行時間盡可能延長；

（4）空壓機組管理需要的輸入信息：

①MRP總風(fēng)壓力值；② 所有空壓機組可用；

其他要遵循以下原則：

（1）風(fēng)源系統(tǒng)保證總風(fēng)壓力維持在850kPa～1 000 kPa之間；

（2）兩臺機組都需要上電工作時，應(yīng)依次啟動，防止損壞電源；

（3）TBM應(yīng)確定優(yōu)先工作的空壓機組，若該機組不可用，應(yīng)確定另一臺優(yōu)先工作的機組；

（4）司機可通過TD－HMI界面切除空壓機組；

（5）列車運行中，當(dāng)MRP總風(fēng)壓力值低于700kPa時，空壓機組應(yīng)全部啟動運行以減少打風(fēng)時間；

（6）單個總風(fēng)壓力傳感器失效時，不影響空壓機組控制管理；

（7）如果總風(fēng)平均壓力小于850kPa，TBM應(yīng)控制優(yōu)先的空壓機組啟動工作；

（8）如果總風(fēng)平均壓力小于830kPa，TBM控制第二個空壓機組啟動工作；

（9）對于長編組而言，如果總風(fēng)平均壓力小于800 kPa，TBM控制所有空壓機組啟動工作。

5.2 本地空壓機控制

空壓機和干燥器由IC03／IC06車的BCU3.1控制，其工作模式包括：

（1）正常工作模式

TBM負(fù)責(zé)空壓機管理，它向全列的BCU發(fā)送控制指令，BCU3.1根據(jù)MVB傳來的控制指令具體控制本車的空壓機啟動。

（2）備用模式

每個BCU3.1無法收到SBM發(fā)來的有效的控制信息而且總風(fēng)壓力小于780kPa時，BCU3.1控制本車空壓機啟動運行。此時，空壓機的控制處于備用模式。

（3）緊急運行模式

列車進入緊急運行模式后，硬線信號TL＿EDR＿C＿On和CCU發(fā)出的MVB總線信號通知頭車的TBM和SBM列車進入緊急運行模式。此時，TBM和SBM將MVB總線中控制空壓機組啟停的指令置為無效。由于沒有TBM發(fā)來的有效的MVB指令，BCU3.1進入備用模式。

（4）測試模式

TBM通過MVB總線發(fā)出“disable all compressors in the train consist（禁用所有空壓機）”以單獨測試每一臺空壓機組，TBM通過SBM發(fā)送“testing compressors（空壓機測試）”指令，本段的BCU3.1進入測試模式并激活本車的空壓機組。

（5）控制測試模式

調(diào)試人員使用維護終端激活空壓機。

以上5種模式的優(yōu)先級如下：

①緊急運行模式；②備用模式；③測試模式；④正常工作模式；⑤控制測試模式。

6 結(jié)束語

運用表明CRH3動車組風(fēng)源系統(tǒng)的性能能夠滿足運用要求，其控制模式結(jié)合整車針對性地進行了設(shè)計，模式合理，功能完善。