陳運(yùn)來(lái)， 閆帥林， 王浩宇

(鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450061)

電動(dòng)空氣壓縮機(jī)(簡(jiǎn)稱電動(dòng)空壓機(jī))是電動(dòng)客車必不可少的關(guān)鍵零部件，其為整車氣制動(dòng)及氣動(dòng)部件提供壓縮氣源，保證氣動(dòng)部件功能正常、穩(wěn)定。目前電動(dòng)空壓機(jī)一直是電動(dòng)客車企業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，帶載啟動(dòng)性差、油乳化、空氣干燥性能差、電耗高及振動(dòng)大等問(wèn)題影響電動(dòng)客車的發(fā)展，安全、可靠、節(jié)能、低成本、低噪聲的電動(dòng)空壓機(jī)是當(dāng)前電動(dòng)客車發(fā)展關(guān)鍵所在。

1 電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)

電動(dòng)客車的制動(dòng)、門泵、駐車、空氣懸架、氣囊等都采用高壓氣源，高壓氣源由電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)提供。電動(dòng)空壓機(jī)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)空壓機(jī)、控制器(變頻器)、氣壓傳感器、電氣線路、儲(chǔ)氣罐、管路、分配閥、干燥器以及冷凝器等。電動(dòng)空壓機(jī)利用電動(dòng)客車動(dòng)力電源，將電能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能，為整車提供壓縮氣源，是整車壓縮空氣的氣壓產(chǎn)生源裝置，主要由打氣泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成?？刂破骺刂乞?qū)動(dòng)電機(jī)按照整車要求進(jìn)行打氣，將高壓壓縮空氣儲(chǔ)存到儲(chǔ)氣罐以供整車備用，使打氣泵的排氣量和用戶的用氣量保持供需平衡，避免卸載與壓差的功率損耗。

1.1 控制方式

電動(dòng)空壓機(jī)在客車上有2種控制方式：卸荷式和壓力開(kāi)關(guān)式。卸荷式控制方式是指當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時(shí)，空壓機(jī)不停止運(yùn)轉(zhuǎn)而通過(guò)打開(kāi)安全閥進(jìn)行不壓縮運(yùn)轉(zhuǎn)，這種空轉(zhuǎn)狀態(tài)稱為卸荷運(yùn)轉(zhuǎn)；壓力開(kāi)關(guān)式控制方式是指當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

考慮到需要節(jié)約電能延長(zhǎng)整車?yán)m(xù)駛里程的因素，基本采取壓力開(kāi)關(guān)式控制方式。其控制原理是：壓力開(kāi)關(guān)(或壓力傳感器)檢測(cè)儲(chǔ)氣罐氣壓，將壓力信號(hào)及時(shí)傳遞給對(duì)應(yīng)控制器以控制其啟停；同時(shí)控制器根據(jù)壓力開(kāi)關(guān)的壓力大小(壓力信號(hào))來(lái)控制變頻器的輸出頻率，當(dāng)壓力大時(shí)，載荷相對(duì)較大，減小頻率，打氣速度變慢，目的是提高電機(jī)的過(guò)載能力(降低轉(zhuǎn)速以提高扭矩)；當(dāng)壓力小時(shí)，載荷相對(duì)較小，增大頻率，打氣速度加快，目的是快速打氣以滿足整車需要。使整車氣壓相對(duì)恒定，確保以高壓氣體為執(zhí)行介質(zhì)的整車零部件可靠穩(wěn)定工作。

電動(dòng)空壓機(jī)通過(guò)變頻器來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定打氣泵轉(zhuǎn)速，這樣就組成了一個(gè)變頻閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣、多用多產(chǎn)、少用少產(chǎn)、不用即停，減少了無(wú)用功的能源損耗。

1.2 電動(dòng)空壓機(jī)與傳統(tǒng)空壓機(jī)的區(qū)別

目前電動(dòng)空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有三相異步、直流無(wú)刷、永磁同步等類型；打氣泵主要有螺桿、滑片、渦旋、活塞等常用類型。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車采用有油活塞式空氣壓縮機(jī)(打氣泵)，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有帶載啟動(dòng)能力強(qiáng)、干燥性能好、因發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱溫度高不產(chǎn)生油乳化現(xiàn)象等特點(diǎn)，靠發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油進(jìn)行統(tǒng)一集中潤(rùn)滑、冷卻，大多數(shù)采用卸荷式控制方式，能耗相對(duì)較高。

電動(dòng)客車采用的電動(dòng)空壓機(jī)由獨(dú)立電機(jī)及對(duì)應(yīng)控制器驅(qū)動(dòng)，其工況不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車的空氣壓縮機(jī)：工作環(huán)境溫度相對(duì)較低、間歇性啟動(dòng)?，F(xiàn)階段多數(shù)客車廠還采用傳統(tǒng)客車用的有油活塞式空氣壓縮機(jī)作為電動(dòng)空壓機(jī)的打氣泵頭，即采用有油活塞式電動(dòng)空壓機(jī)，其打氣泵頭和傳統(tǒng)客車基本相同，不同點(diǎn)有：驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源為電機(jī)；用單獨(dú)潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻，通過(guò)壓縮機(jī)內(nèi)部曲軸帶動(dòng)齒輪泵供給，在自身內(nèi)部獨(dú)立潤(rùn)滑和冷卻。這種有油活塞式電動(dòng)空壓機(jī)存在以下缺點(diǎn)：后期維護(hù)繁瑣、保養(yǎng)成本高、需要單獨(dú)定期更換潤(rùn)滑油；另外高壓壓縮空氣中含有一定油氣，影響氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能和壽命。

由于有油活塞式電動(dòng)空壓機(jī)存在上述固有缺點(diǎn)，后續(xù)逐漸會(huì)被無(wú)油活塞式電動(dòng)空壓機(jī)取代。無(wú)油活塞式電動(dòng)空壓機(jī)在使用過(guò)程中免維護(hù)，后續(xù)維護(hù)成本大大降低，現(xiàn)在很多廠家都在研究和測(cè)試，不久將會(huì)大批量應(yīng)用。

1.3 電動(dòng)空壓機(jī)特點(diǎn)

商用汽車上的壓縮機(jī)一般通稱容積式壓縮機(jī)。容積式壓縮機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)部件的位移，封閉空間發(fā)生變化，而使一定容積的氣體吸入和排出封閉空間，以提高靜壓力。它的種類很多，相關(guān)術(shù)語(yǔ)詳見(jiàn)容積式壓縮機(jī)術(shù)語(yǔ)總則[1]。電動(dòng)空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)滿足電動(dòng)汽車電機(jī)相關(guān)技術(shù)條件和性能要求[2]。目前電動(dòng)客車主要采用螺桿式、滑片式、渦旋式、活塞式等4類電動(dòng)空壓機(jī)。

1) 螺桿式電動(dòng)空壓機(jī)。螺桿式電動(dòng)空壓機(jī)用螺桿與氣缸形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的密閉空間并將空氣壓縮，其有雙螺桿與單螺桿2種。雙螺桿空壓機(jī)出現(xiàn)比單螺桿晚，其克服了單螺桿平衡性差、軸承易損的缺點(diǎn)，雙螺桿空壓機(jī)工作時(shí)2個(gè)螺桿間的縫隙由潤(rùn)滑油形成油密封，不產(chǎn)生相對(duì)摩擦，該機(jī)型長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)效率降低影響極?。浑p螺桿式空壓機(jī)更趨合理、先進(jìn)，因具有噪聲低、高效率等優(yōu)點(diǎn)，得以快速應(yīng)用。但該機(jī)型在使用過(guò)程中，因水與油長(zhǎng)期混合容易形成乳化現(xiàn)象,造成油品下降而影響軸承潤(rùn)滑，導(dǎo)致整機(jī)壽命短，最終影響了以高壓氣源為工作介質(zhì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能和壽命。因此需要定期更換冷卻油和三濾，維護(hù)成本稍高。

總體來(lái)說(shuō)，其價(jià)格貴，噪聲低，容積率高，比功率低，維護(hù)費(fèi)用高。

2) 滑片式電動(dòng)空壓機(jī)?；诫妱?dòng)空壓機(jī)也叫旋轉(zhuǎn)葉片式電動(dòng)空壓機(jī)，是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體壓縮?；諌簷C(jī)關(guān)鍵器件是獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)滑片，用滑片做擋板與氣缸形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的密閉空間并將之壓縮，轉(zhuǎn)子是唯一連續(xù)運(yùn)行的部件，其以極低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，因而壽命較長(zhǎng)。該機(jī)型在使用過(guò)程中，滑片與缸體直接接觸，長(zhǎng)期運(yùn)行后滑片會(huì)隨之產(chǎn)生磨損，但滑片也會(huì)隨轉(zhuǎn)動(dòng)甩出，可避免效率降低。但仍存在和螺桿式一樣的乳化問(wèn)題，需要定期更換冷卻油和三濾。

總體來(lái)說(shuō)，其價(jià)格貴，旋轉(zhuǎn)后動(dòng)態(tài)平衡好，噪聲低，容積率高，比功率低，維護(hù)費(fèi)用高。

3) 渦旋式電動(dòng)空壓機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)由動(dòng)、靜渦盤相互咬合而成，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封要求高(核心部件靜盤和動(dòng)盤間隙小導(dǎo)致密封難度大)，因溫度變化產(chǎn)生的微小形變，導(dǎo)致極易產(chǎn)生摩擦，因此對(duì)加工精度要求較高，不易制造。該機(jī)型工作時(shí)渦旋輪全面受壓，同時(shí)又偏心旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承負(fù)載大，主要局限于小型無(wú)油式壓縮機(jī)上使用。在使用過(guò)程中核心部件一旦損壞則無(wú)法維修，需整體更換。該機(jī)為新機(jī)型，尚在試驗(yàn)階段，未大批量推廣。

總體來(lái)說(shuō)，其維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，振動(dòng)小、噪聲低，容積率高，制造成本較高，不易密封，可靠性低。

4) 活塞式電動(dòng)空壓機(jī)。活塞式電動(dòng)空壓機(jī)依靠活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使氣體增壓和輸送氣體，活塞做往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)形成打氣。其技術(shù)性能要求滿足《微型往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)[3]，其適應(yīng)性強(qiáng)，排氣范圍較廣。最初因結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，很快得到應(yīng)用。但在車輛運(yùn)行油面顛簸時(shí)易潤(rùn)滑失效，過(guò)熱后易出現(xiàn)拉缸問(wèn)題。新產(chǎn)品通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)解決了以上劣勢(shì)：采用雙缸直列式，減小了整體體積和重量；由機(jī)油泵從油底殼泵油并噴射至曲軸箱，進(jìn)行強(qiáng)制油潤(rùn)滑；通過(guò)機(jī)油泵與油底殼及中冷器間形成油循環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)泵頭強(qiáng)制散熱；端蓋上增加油壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)油泵工作狀態(tài)并進(jìn)行提前預(yù)警。在日常使用時(shí)，需定期對(duì)摩擦部件進(jìn)行維護(hù)，更換機(jī)油、油濾、空濾。不再需要更換油氣分離器，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。

總體來(lái)說(shuō)，其比功率高，成本低，噪聲大，容積率最低，維護(hù)費(fèi)用低。

2 在電動(dòng)客車上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 應(yīng)用情況

滑片式和螺桿式，因油乳化問(wèn)題嚴(yán)重，如果采用延時(shí)停機(jī)讓干燥器卸荷排出潤(rùn)滑油中水分，會(huì)改善乳化現(xiàn)象，但增加了整車電耗，間接降低了效率。綜合考慮到成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單且費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，充氣速度快等優(yōu)點(diǎn)，活塞式電動(dòng)空壓機(jī)仍被廣泛推廣?，F(xiàn)階段主要是有油活塞式應(yīng)用較多，后續(xù)無(wú)油活塞式電動(dòng)空壓機(jī)是各大主機(jī)廠的主要選型產(chǎn)品。無(wú)油式活塞自身潤(rùn)滑依靠免維護(hù)的潤(rùn)滑脂，冷卻靠風(fēng)冷，采用風(fēng)冷的無(wú)油式活塞維護(hù)成本低，且維護(hù)簡(jiǎn)單方便，受到大多數(shù)用戶的青睞。螺桿式、滑片式也有一定應(yīng)用，渦輪式現(xiàn)處于研究階段。

2.2 應(yīng)用存在問(wèn)題

1) 螺桿式電動(dòng)空壓機(jī)(一般指雙螺桿)：價(jià)格高，維護(hù)成本高。

2) 滑片式電動(dòng)空壓機(jī)：乳化問(wèn)題嚴(yán)重，維護(hù)成本高。

3) 渦旋式電動(dòng)空壓機(jī)：可靠性差，密封要求高，對(duì)加工精度要求高，成本高，故障率高，尚未批量應(yīng)用。

4) 活塞式電動(dòng)空壓機(jī)：價(jià)格便宜，比功率高，維護(hù)費(fèi)用低，在當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用，尤其是無(wú)油活塞式得以推廣。

目前使用的3類主流電動(dòng)空壓機(jī)指標(biāo)比較?？煽啃裕郝輻U<滑片<活塞；成本：螺桿>滑片>活塞；維護(hù)費(fèi)用：螺桿>滑片>活塞；效率：螺桿≈滑片>活塞；噪聲：螺桿<滑片<活塞。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

不論哪種類型的電動(dòng)空壓機(jī)，電動(dòng)客車要快速發(fā)展，對(duì)其都提出了新要求：安全，可靠，低成本，低噪聲，高效率，低耗能，后期維護(hù)簡(jiǎn)單。目前在短時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)客車考慮到制造成本和后期維護(hù)成本，以無(wú)油活塞為主，在一些對(duì)噪聲要求較高的車輛上滑片和雙螺桿有一定發(fā)展。隨著制造水平的提高，渦旋式電動(dòng)空壓機(jī)有相當(dāng)大的推廣優(yōu)勢(shì)，安全、可靠、高效節(jié)能、低噪聲、低成本的電動(dòng)空壓機(jī)為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

1) 安全性要求。符合電動(dòng)汽車操作安全和故障防護(hù)要求[4]，采用的電機(jī)滿足電動(dòng)汽車安全技術(shù)要求，做到人員觸電防護(hù)要求，其所用絕緣材料的阻燃性能符合水平燃燒HB級(jí)，垂直燃燒V-0級(jí)[5]，無(wú)安全隱患。除了高壓安全要求外，應(yīng)具備最基本的機(jī)械防護(hù)裝置，滿足《容積式空氣壓縮機(jī)安全要求》[6]防護(hù)要求。

2) 可靠性要求。滿足機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[7]，即制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和裝置應(yīng)講究耐用，不能因振動(dòng)或沖擊遭受損壞。 其次電機(jī)和控制器等電氣設(shè)計(jì)滿足電磁兼容以及環(huán)境要求[8]。

3) 節(jié)能要求。能效等級(jí)、能效限定值、目標(biāo)能效限定值等參數(shù)滿足《容積式壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》[9]的基本要求。經(jīng)過(guò)匹配優(yōu)化后各項(xiàng)性能指標(biāo)要高于汽車用空氣壓縮機(jī)性能要求[10]。在選型或開(kāi)發(fā)出合適產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)電機(jī)選型及動(dòng)力匹配進(jìn)行優(yōu)化，降低成本、降低能耗、提升性能，才能在節(jié)能方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。例如比功率、額定排氣壓力、公稱容積流量、排氣含油量等都應(yīng)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4) 噪聲要求。電動(dòng)空壓機(jī)按照汽車所用空氣壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法測(cè)試，滿足臺(tái)架對(duì)噪聲的基本要求，在實(shí)車上要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[11-12]。安靜舒適的電動(dòng)空壓機(jī)具有競(jìng)爭(zhēng)力。

5) 成本要求。成本包括電動(dòng)空壓機(jī)制造成本和后期維護(hù)成本，充分考慮電動(dòng)空壓機(jī)在整車上的LCC做到最低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)當(dāng)前電動(dòng)客車所應(yīng)用的各類電動(dòng)空氣壓縮機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用和發(fā)展做了簡(jiǎn)單的概述。結(jié)合當(dāng)前主要幾類電動(dòng)空壓機(jī)的應(yīng)用情況和存在的問(wèn)題，論述了發(fā)展趨勢(shì)。隨著空氣壓縮機(jī)技術(shù)水平和制造水平的發(fā)展，以及電機(jī)控制技術(shù)水平的提高，電動(dòng)空壓機(jī)成本會(huì)逐漸降低，安全、可靠、低成本、高效節(jié)能、輕量化、低噪聲的電動(dòng)空氣壓縮機(jī)則將陸續(xù)出現(xiàn)，滿足電動(dòng)客車不斷升級(jí)的高端需求。