HXD2電力機車風(fēng)源及凈化系統(tǒng)*

羅飛平,王俊勇

(西南交通大學(xué) 機械工程學(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機車是目前世界上功率最大的交流傳動電力機車,由法國阿爾斯通公司和北車大同電力機車有限責(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)。機車風(fēng)源系統(tǒng)是向列車制動機、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 機車風(fēng)源及凈化系統(tǒng)工作原理

每節(jié)HXD2型機車的風(fēng)源系統(tǒng)由1臺GAR 22型螺桿式空氣壓縮機組、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、1臺輔壓機干燥器、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

空氣壓縮機單元主要由空氣壓縮機、驅(qū)動電機(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進(jìn)行壓縮。在壓縮機箱體內(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。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。每次電動壓縮機組關(guān)閉時,壓縮機內(nèi)的壓力通過卸壓閥降低(圖1)。

圖1 空氣壓縮機單元簡圖

首先通過空氣過濾器吸入空氣,并送至壓縮單元-螺桿壓縮機中。在螺桿壓縮機中,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 空氣壓縮機控制電路

HXD2機車的螺桿空氣壓縮機采用星三角轉(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,這樣能使電動機的效率提高,并因之節(jié)約電力消耗。HXD2機車空壓機采用星三角轉(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。空氣壓縮機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處于良好的潤滑狀態(tài),保證壓縮機的運行狀態(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 空氣壓縮機控制電路

1.3 空氣干燥裝置

HXD2電力機車采用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。總風(fēng)缸出口裝有2個壓力傳感器,壓力信號分別送入機車兩主微機MPU1和MPU2。當(dāng)壓力傳感器檢測總風(fēng)壓力低于750 kPa時,主微機控制壓縮機啟動,壓力高于900 kPa時,主微機控制壓縮機停止工作,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試驗方法》。壓縮機排氣量采用噴嘴法。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。功率在電機電源上測量,并測量電機轉(zhuǎn)速vcpr和穩(wěn)定狀態(tài)下的電流,壓縮機的總耗電量(電機、干燥器、電磁閥)。由實測電動機輸入功率按式(3)計算電動機輸出功率:

式中ηd為電動機的效率。由電動機輸出功率按式(4)計算壓縮機軸功率:

式中ηc為電動機與空氣壓縮機軸間的傳動效率。

(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)?？諝飧稍锲鞯脑偕D(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;電機轉(zhuǎn)速 2 930 r/min;供風(fēng)量2 400 dm3/min;壓縮機電機功率22 kW。

3 系統(tǒng)供風(fēng)能力的研究

HXD2電力機車風(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。影響機車風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)能力的主要因素有空氣壓縮機型式,空氣壓縮機排氣壓力和排氣量,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車設(shè)計任務(wù)書等。

本系統(tǒng)選擇的是螺桿壓縮機,能提高機車風(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 空氣壓縮機排氣量

機車空氣壓縮機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為機車列車管長度,單機取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:由于受機車車輛制動機本身性能(如機車中繼閥)的限制,機車空氣壓縮機排氣量達(dá)到一定數(shù)值后,不適合再通過提高機車空氣壓縮機排氣量來縮短列車初充氣的時間。

按照國外通行慣例,每臺機車采用兩臺相同的空氣壓縮機組,而單臺空氣壓縮機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?？紤]到大秦線機車的安全性,取QB,QC進(jìn)行校核,選擇空氣壓縮機的排氣量為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,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、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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