許榮斌，郭志剛，徐祥暉

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇南京 210000）

1 引言

目前，軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)用空壓機(jī)主要以有油為主，存在油泄漏、油乳化等風(fēng)險(xiǎn)，且需定期對(duì)潤(rùn)滑油、油過(guò)濾器等部件進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。近年來(lái)，隨著用戶對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)高用風(fēng)品質(zhì)及低維護(hù)成本的需求越來(lái)越高，無(wú)油空壓機(jī)以其無(wú)油環(huán)保的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，逐漸成為下一代軌道交通制動(dòng)用空壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文結(jié)合軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)用空壓機(jī)的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，對(duì)無(wú)油渦旋式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行分析、研究，設(shè)計(jì)滿足軌道交通車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)溫度的無(wú)油渦旋式空壓機(jī)控制方法。

2 無(wú)油渦旋式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 無(wú)油渦旋式空壓機(jī)組成

無(wú)油渦旋式空壓機(jī)主要由進(jìn)氣過(guò)濾器、無(wú)油渦旋壓縮機(jī)（下述為機(jī)頭）、溫度開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離心葉輪、風(fēng)道、冷卻器、排水電磁閥等組成。以下闡述它的工作原理。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)頭吸入經(jīng)進(jìn)氣過(guò)濾器過(guò)濾后的空氣進(jìn)行壓縮，并排出壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)冷卻器進(jìn)行散熱。電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)離心葉輪抽送空氣，空氣經(jīng)風(fēng)道流入機(jī)頭對(duì)壓縮部件進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，經(jīng)機(jī)頭流出的空氣通過(guò)冷卻器進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。冷卻器底部設(shè)有排水電磁閥，定時(shí)排出冷卻器底部冷凝水。機(jī)頭上設(shè)有溫度開關(guān)避免機(jī)頭運(yùn)行時(shí)超過(guò)允許使用溫度。

2.2 溫度開關(guān)布置

考慮測(cè)點(diǎn)溫度代表性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及維護(hù)性，溫度開關(guān)布置于機(jī)頭靜渦盤低壓側(cè)，如圖1所示。

如圖2所示，在機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，溫度開關(guān)測(cè)點(diǎn)溫度與機(jī)頭排氣溫度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖1所示的測(cè)點(diǎn)位置溫度可代表機(jī)頭排氣溫度。

3 無(wú)油渦旋式空壓機(jī)控制方法

3.1 現(xiàn)有空壓機(jī)控制方法

圖1 溫度開關(guān)安裝位置

圖2 溫度開關(guān)測(cè)點(diǎn)溫度與機(jī)頭排氣溫度

現(xiàn)有空壓機(jī)控制方法如下：當(dāng)機(jī)頭后端負(fù)載壓力低于設(shè)定值，機(jī)頭自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)定值，機(jī)頭停止工作。當(dāng)溫度開關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度超過(guò)允許使用溫度（溫度開關(guān)斷開溫度），機(jī)頭無(wú)法啟動(dòng)；當(dāng)溫度開關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度下降至再次啟動(dòng)溫度（溫度開關(guān)閉合溫度），機(jī)頭可再次啟動(dòng)。

軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)為確保用風(fēng)裕量，機(jī)頭排氣量大于制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際耗風(fēng)量。參考某項(xiàng)目制動(dòng)系統(tǒng)用空壓機(jī)實(shí)際工作率（55%），通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載壓力，使渦旋式空氣壓縮機(jī)在吸氣溫度約50 ℃下按上述工作率進(jìn)行周期性運(yùn)行。

如圖3所示，空壓機(jī)在周期性運(yùn)行100 min過(guò)程中，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度T處于周期性穩(wěn)定狀態(tài)。

式中 Tmax——空壓機(jī)周期性運(yùn)行過(guò)程中溫度開關(guān)處監(jiān)測(cè)的最高溫度

Tmin——空壓機(jī)周期性運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)后溫度開關(guān)處監(jiān)測(cè)的最低溫度

如圖4所示，無(wú)油渦旋式空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)行120 min后停止運(yùn)行，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度在50 s內(nèi)由77.4 ℃上升至81 ℃。因機(jī)頭停機(jī)后，葉輪停止送風(fēng)對(duì)渦盤進(jìn)行散熱，在熱傳導(dǎo)的作用下，渦盤中心高溫區(qū)域熱量傳遞至低溫區(qū)域。在自然散熱條件下，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度由81 ℃下降至72 ℃耗時(shí)556 s，溫降速率：V≈0.016 ℃/s。

供風(fēng)裝置在周期性運(yùn)行過(guò)程中，溫度開關(guān)處溫度最高至77.1 ℃，即將觸發(fā)溫度開關(guān)動(dòng)作值80±2 ℃。若溫度開關(guān)被觸發(fā)斷開后，需待測(cè)點(diǎn)溫度下降至72 ℃才可再次閉合。當(dāng)溫度開關(guān)處于斷開階段，空壓機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)存在供風(fēng)不足風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 無(wú)油渦旋式空壓機(jī)控制方法

如圖5所示，空壓機(jī)按固定工作率進(jìn)行周期性運(yùn)行，空壓機(jī)運(yùn)行、負(fù)載壓力上升；空壓機(jī)停止、負(fù)載壓力下降。在空壓機(jī)運(yùn)行階段，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度逐漸下降；在空壓機(jī)停止階段，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度逐漸上升。

為降低制動(dòng)系統(tǒng)供風(fēng)不足的風(fēng)險(xiǎn)，避免機(jī)頭高溫工況下溫度開關(guān)被觸發(fā)，分別驗(yàn)證下述控制方法：機(jī)頭連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電；機(jī)頭、排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電，機(jī)頭延時(shí)10 s失電；機(jī)頭、排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電，機(jī)頭延時(shí)20 s失電。

圖3 無(wú)油渦旋式空氣壓縮機(jī)周期性運(yùn)行

3.2.1 機(jī)頭連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電

無(wú)油渦旋空壓機(jī)在負(fù)載到達(dá)指定壓力后，電磁閥失電打開，機(jī)頭連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述工況進(jìn)行試驗(yàn)，空壓機(jī)周期性啟停，待溫度開關(guān)處溫度周期性變化基本穩(wěn)定后，空壓機(jī)停止運(yùn)行，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度變化曲線如圖6所示。

3.2.2 機(jī)頭、排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電，機(jī)頭延時(shí)10 s 失電

圖4 無(wú)油渦旋式空壓機(jī)停機(jī)后溫度開關(guān)處溫度變化

圖5 無(wú)油渦旋式空壓機(jī)溫度開關(guān)溫度隨負(fù)載壓力變化

無(wú)油渦旋空壓機(jī)在負(fù)載到達(dá)指定壓力后，電磁閥失電打開，機(jī)頭延時(shí)10 s失電。根據(jù)上述工況進(jìn)行試驗(yàn)，空壓機(jī)周期性啟停，待溫度開關(guān)處溫度周期性變化基本穩(wěn)定后，空壓機(jī)停止運(yùn)行，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度變化曲線如圖7所示。

表1 機(jī)頭、排水電磁閥工作狀態(tài)

圖6 機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度變化

表2 機(jī)頭、排水電磁閥工作狀態(tài)

圖7 溫度開關(guān)處溫度變化

表3 機(jī)頭、排水電磁閥工作狀態(tài)

圖8 溫度開關(guān)處溫度變化

表4 不同渦旋壓縮機(jī)控制方法，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度

3.2.3 機(jī)頭、排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電，機(jī)頭延時(shí)20 s 失電

無(wú)油渦旋空壓機(jī)在負(fù)載到達(dá)指定壓力后，電磁閥失電打開，機(jī)頭延時(shí)20 s失電。根據(jù)上述工況進(jìn)行試驗(yàn)，空壓機(jī)周期性啟停，待溫度開關(guān)處溫度周期性變化基本穩(wěn)定后，空壓機(jī)停止運(yùn)行，機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度變化曲線如圖8所示。

從表4可以看出：在排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電，機(jī)頭連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或延時(shí)失電，均可降低溫度開關(guān)處溫度。在渦旋式空壓機(jī)周期性運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)頭連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可使有效降低溫度開關(guān)處溫度，但機(jī)頭失電后，溫度開關(guān)處溫升達(dá)3 ℃；機(jī)頭延時(shí)20 s失電，有效降低機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度，且機(jī)頭失電后，溫度開關(guān)處溫升僅0.9 ℃。

4 結(jié)論

（1） 無(wú)油渦旋壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)停機(jī)后，溫度開關(guān)處測(cè)點(diǎn)溫度在熱傳導(dǎo)作用下上升。

（2） 無(wú)油渦旋壓縮機(jī)周期性運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)頭、排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電，溫度開關(guān)處溫度最高至77.1 ℃，即將觸發(fā)溫度開關(guān)動(dòng)作值80±2 ℃。

（3） 無(wú)油渦旋壓縮機(jī)周期性運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)頭、排水電磁閥根據(jù)負(fù)載壓力得失電，機(jī)頭延時(shí)20 s失電，可有效降低機(jī)頭溫度開關(guān)處溫度（最高至74.7 ℃），且機(jī)頭失電后，溫度開關(guān)處溫升僅0.9 ℃。