阿根廷布市电动车组风源系统设计及空压机管理

摘 要：介绍了阿根廷布宜诺斯艾利斯市萨缅托线和麦特线电动车组风源系统的选型依据，并对阿根廷布市萨缅托线和麦特线电动车组风源系统的设计方案及空压机的控制管理进行了详细的说明。

关键词：风源系统；空压机；乳化；空压机管理

引言

随着城市轨道交通车辆风源系统设计技术的日益成熟，在国内城市轨道交通车辆的风源系统应用上已有了众所熟悉的定型产品，如：Knorr公司的VV120系列、Nabtesco公司的HS系列、北京纵横机电有限公司的TSAG系列、Atlas公司的Gar系列等。目前，国际化铁路运输发展迅速，我国本着高速和重载车辆设计的重要方向，已经进入到国际化轨道发展的新领域。以下，以阿根廷布宜诺斯艾利斯市（以下简称为：布市）萨缅托线和麦特线电动车组选用的SL22系列风源系统设计为例，介绍出口阿根廷布市的中长编电动车组的风源系统设计方案。

1 萨缅托线与麦特线基本技术条件

1.1 基本线路情况

阿根廷布市萨缅托线与麦特线是布市铁路线网中重要的轨道交通干线，其定位为通勤线路，既服务于城市中心城区，同时服务于城市的近郊区。

1.2 阿根廷布市的环境条件

环境温度：+45℃（夏季），-25℃（冬季）

海拔：不超过1200m

空气中的污染物：酸雨、盐雾

相对湿度：最湿月平均最大相对湿度不大于90%，该月月平均温度不高于25℃

1.3 编组形式

萨缅托线采用9辆编组6M3T，麦特线采用6辆编组4M2T：

9辆/列为：+TC1-M1-M2-T3-M1-M2-M3-M4-TC2+

6辆/列为：+TC1-M1-M2-M3-M4-TC2+

其中：TC 车为带司机室的拖车；

M车为不带司机室的动车；T3 车为拖车。

1.5 噪声指标

噪声测试方法满足ISO 2151-2004。

对风源系统的要求：当空气压缩机工作时，距其1m处的连续噪音小于78dB（A）。

2 风源系统的选型

综合以上基本线路情况、环境条件、车重基本信息等设计输入元素，结合阿根廷布市萨缅托线与麦特线的站段较长、客源集聚量较大的特点，需选用排气量较大的空压机。因阿根廷布市的湿度较高，故风源系统应具备防止油乳化的设计结构。

阿根廷布市萨缅托线和麦特线电动车组采用Knorr公司的SL22-80型螺杆式空气压缩机及LTZ015.1H型双塔式干燥器组成的风源模块。其供电制式、净空气输出量、工作压力描述如下：

2.1 供电制式

SL22-80型螺杆式空气压缩机采用三相AC380V交流电动机驱动。

2.2 净空气输出量

2.2.1 空气用量需求

根据阿根廷布市萨缅托线和麦特线电动车组耗风量计算：

萨缅托线（9编组）净空气用量：

1041 l*bar/min；

麦特线（6编组）净空气用量：

905 l*bar/min。

2.2.2 供风能力分析

SL22-80型螺杆式空压机及LTZ015.1H型双塔式干燥器组成的风源模块，其供风能力如下：

单台SL22-80型螺杆式空压机空气输出量为：1350 l*bar/min；

单台LTZ015.1H型双塔式干燥器的再生率为：21%；

在1450 转/分钟时，单台风源模块干燥后的净空气输出量为：1060 l*bar/min；

双台风源模块总的净空气输出量为：2120 l*bar/min。

故可以满足阿根廷布市萨缅托线和麦特线电动车组的用风要求。

2.3 工作压力

总风管路正常的工作压力范围为750 kPa至900kPa。SL22-80型螺杆式空压机的供风压力可到达900kPa，总风缸前设有安全阀，当总风压力超过1050 kPa时安全阀将打开。

3 风源系统方案介绍

萨缅托线（9编组）与麦特线（6编组）电动车组，采用相同的风源系统及空压机管理方案。每列电动车组均设置两套风源系统，空压机自带

干燥器。

3.1 优势说明

风源系统的设置及空压机的管理充分考虑了以下几点要素：

（1）提高同类产品的互换性。萨缅托线（9编组）与麦特线（6编组）电动车组头车底架上的风源系统所有设备部件均可完全实现互换。

（2）实现空压机管理的统一性。萨缅托线（9编组）与麦特线（6编组）电动车组的空压机组控制原则完全一致，管理方式统一。

（3）确保空压机组设置的合理性。作为电动车组制动系统的供风设备，空压机组至关重要，应确保其随时能够正常运行。

选择将空压机组设置在头车底架上，即充分考虑了列车中任意中间车辆在特定条件下作为关门车时，头车和尾车上的空压机组仍然能够正常地向列车的其他车辆进行供风。若将空压机组设置在列车任意中间车辆上，当该中间车辆在特定条件下必须作为关门车运行时，头车方向或尾车方向总会存在总风无法供过去的车辆，对于这种车辆的制动施加非常不可靠。

基于以上分析，故将空压机组设置在首尾Tc车上，以确保空压机组随时能正常运行。

3.2 风源系统组成

风源系统的气路原理图见图1所示：

以下为风源系统各组成部件的描述。

3.2.1 风源模块（A00）

风源模块是一个紧凑型自承式压缩空气设备和处理单元。主要包括：带三相交流电机的空气压缩机组、空气干燥设备、精细滤油器、电气装置，这些部件连接在一起，形成一个紧凑的悬挂装置，通过弹性元件与车体连接。

本项目空气压缩机组外形图见图2所示。

（1）空气压缩机系统原理介绍

①螺杆式空压机的运动原理。螺杆空气压缩机的螺杆组由两个互相啮合的螺旋形转子（或螺杆）组成，通常把节圆外具有凸齿的转子称为阳转子（或阳螺杆）；把节圆内具有凹齿的转子称为阴转子（或阴螺杆）。阴、阳转子具有非对称的啮合型面，平行安装在一个铸铁壳体内作回转运动，如图3所示。

螺杆空气压缩机主机的工作循环分为吸气、压缩、排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环（见图4）。

吸气过程（a）：

随着转子的旋转，转子齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积，这个齿间容积的扩大，在其内部形成一定的真空，而此齿间容积仅与吸气口连通，空气在压差的作用下流入其中。随着转子的旋转，齿间容积达到最大之后，齿间容积不再增加，齿间容积在此位置与吸气口断开，吸气过程结束。

压缩过程（b）（c）：随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减小。被密封在齿间容积的空气所占据的容积也随之减小，导致压力升高，从而实现对空气的压缩过程，压缩过程可一直持续到即将与排气孔口接通之前。同时，大量的油被喷入齿间容积中，与所压缩的空气混合，起到、密封、冷却和降低噪声的作用。

排气过程（d）：齿间容积与排气孔口连通后，即开始排气过程。随着齿间容积的不断缩小，具有排气压力的空气逐步通过排气孔口被排出，此过程一直持续到齿末端的型线完全啮合。此时齿间容积内的空气通过排气孔口被完全排出，封闭的齿间容积体积将变为零。随着转子的旋转重新开始新的工作循环。

②空气流动原理

空压机系统原理见图5。

空气通过进气口（A1）经滤清器（F）吸入压缩机，空气经过减压阀阀盘（1.4.3）及压缩弹簧（1.4.4）进入压缩机单元的机头，在阳转子（1.3a）和阴转子（1.3b）压缩过程中与油混合。在油气筒/油分离器（1.1.4）内部，压缩空气先通过冲击与油预分离然后进入油分离器滤芯。然后空气经过最低压力阀（1.1.2）、进入到冷却器 （1.8）及后处理设备输出干燥的压缩空气（A2）。

最低压力阀 （1.1.2）防止油气分离器内压力低于最小压力，防止压缩机停机时压缩空气倒流。

控油单元（1.2）将高温高压油输送到冷却器（1.8），输出的低温油在压力作用下使压缩机机头得到。

离心式风扇（1.6）在电机的联轴节的带动下高速旋转，吸入冷却空气（A4）供冷却器（1.8）散热用。

图5的标识说明如下：

（2）双塔型空气干燥器

LTZ015.1H双塔型吸附式空气干燥器能使压缩空气干燥到极低的湿度，由此可防止在压缩空气设备中由于压缩空气中的湿气引起腐蚀和冻结危险，而导致气动装置出现故障和过早磨损。

本项目双塔式空气干燥器外形图见图6。

压缩空气进入到双塔型空气干燥器中，压缩空气在一个干燥剂罐内进行干燥，同时在另一个干燥剂罐内回流的洁净总风对干燥剂进行再生处理。在干燥剂罐内的电子计时器控制两个罐的干燥及再生。只有在空气压缩机工作时，该计时器的控制周期才起作用，这样可以确保两个干燥塔可以均衡工作。空气干燥器去除压缩空气中的水份并使相对湿度≤35%。

3.2.2 防乳化设计结构

见图1。为防止空压机油乳化，风源系统特设置了电磁阀（A13）、消音器（A14）。通过延长空压机组的运行时间来提高空压机的工作率。

关于A13的管理，在阿根廷布市萨缅托线和麦特线项目中，定义了最小工作时间（MWT），设定值为5min。当空压机工作时，EBCU将通过压力传感器（A10）检测总风压力是否达到检测压力（CP）值，CP值设定为8.8bar。如果总风压力达到CP值并且空压机工作时间超过了MWT，那么电磁阀（A13）不会动作。如果总风压力达到CP值而空压机工作时间没有达到MWT，A13将得电强制排风，使空压机的工作时间延长，达到MWT。同时，还定义了最大不工作时间（MNT），设定值为12min。如果空压机停止工作超过12min，A13将得电强制排风。当总风压力降低到8.0bar时，主空压机将会启动，A13同时失电。检测MWT、MNT和CP的逻辑均可以在软件中定义。

3.2.3 其他部件

安全阀（A11）保护空气系统因外部升温产生过高压力，设定值为10.5bar。

干燥后的压缩空气被贮存在总风缸（A06）内，其下部配有一个排水塞门。

通过测试装置（A08），可以利用外部压缩空气来检查压力开关（A09）的设置值。

空气压缩机组由制动控制单元通过压力传感器（A10）进行监控。适当的空压机管理将会优化空压机的运行。压力开关（A09）输出的电信号同时也控制主电机的接触器。

3.3 空压机管理

3.3.1 网络正常下的空压机管理

当网络正常时，由BCU控制管理主副空压机进行单双日启动，日期信号及允许启动空压机的信号由TCMS通过MVB发送给头车的BCU。此种方式也是为了提高空压机工作率，降低油乳化的可能。

头车的压力传感器（A10）检测到总风压力，并通MVB网络发送给头车的BCU。

当总风压力低于800kPa时，只启动列车中的主空压机，当总风压力达到900kPa以上时，主空压机停止运行。

当总风压力持续降至750kPa时，列车中的副空压机也启动，当总风压力达到900kPa以上时，两台空压机停止运行。

3.3.2 紧急运行下的空压机管理

当网络故障时，列车处于紧急运行模式下，或当BCU无法正常启动空压机时，空压机的应急启动便依靠于压力开关（A09）的控制。

当总风压力低于700kPa时，压力开关（A09）自动闭合空压机的启动电路，使两台空压机应急启动。

空压机应急启动后，当总风压力达到900kPa以上时，压力开关（A09）自动断开空压机的控制电路，两台空压机停止运行。

3.3.3 强迫泵风

当按下强泵开关时，如果空压机的保护电路允许启动，强泵电源可直接加电到启动控制继电器上，并由启动控制继电器接通空压机组的控制接触器电源，使空压机启动。

当空压机出口压力大于270kPa或油温高于120℃时，保护电路不允强行启动空压机。

3.3.4 空压机保护

当油温高于110℃时，空压机输出油温过热信号给TCMS，但允许空压机启动和正常运行。

当油温高于120℃时，空压机组的保护电路自动断开空压机的控制电路，并通过保护继电器的自闭电路保持禁止运行状态。

当空压机出口压力大于270kPa（2.7bar），压力保护电路会自动断开启动电路，但已启动的空压机仍能正常动行。

4 结束语

以上是以阿根廷布市萨缅托线和麦特线项目的风源系统设计为例，说明空压机的选型及系统控制的设计的原则。

经过国内外多条城际轨道车辆项目的实际运营，空压机乳化问题、空压机的控制管理，已然成为了风源系统设计的核心。风源系统作为车辆的关键系统之一，其型式的选择和管理的方式需要更深入的结合项目的特定条件及运用需求来提升设计。未来城市轨道车辆风源系统的技术发展方向，将更着重于提高空压机工作率，提升空气质量，降低维护成本等方面。而解决乳化问题、合理提升工作率、冗余性控制管理，目前仍处于多元化的研究阶段。

参考文献

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第一作者简介：崔红光（1979-），女，吉林省吉林市人，大学本科，西南交通大学，研究领域：城市轨道交通车辆制动与风源系统设计。