鐵路客車空調(diào)機(jī)組制暖故障探討

趙儒家，于云龍，王篤勇，張林塞

（中車四方車輛有限公司，山東 青島266111）

1 引言

目前，鐵路客車使用的空調(diào)機(jī)組絕大部分為單冷+電加熱型的KLD 空調(diào)機(jī)組。夏季對(duì)客室進(jìn)行降溫時(shí)，啟用機(jī)組單級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行制冷；冬季對(duì)客室進(jìn)行升溫時(shí)，啟用機(jī)組空氣預(yù)熱器進(jìn)行加熱。由于制冷循環(huán)系統(tǒng)是空調(diào)機(jī)組的最主要部分，包含的制冷元器件較多，元器件之間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系也較為密切，行業(yè)中對(duì)制冷功能的故障研究較廣，而對(duì)空調(diào)機(jī)組的制熱功能故障涉及較少。雖然KLD 空調(diào)機(jī)組的制熱功能啟用的零部件較少，但對(duì)于鐵路客車，尤其是北方路局配屬的客車，全年供暖季也有5 個(gè)月之久，若制暖功能發(fā)生故障，對(duì)客車的乘坐舒適度影響也非常嚴(yán)重。下文將結(jié)合一起疑難實(shí)例，探討鐵路客車空調(diào)機(jī)組制暖故障的發(fā)生原因及解決思路。

2 實(shí)例闡述

2018 年1 月，某北方地區(qū)鐵路局配屬的軟座車通電后開(kāi)制暖模式時(shí)，無(wú)法啟動(dòng)空氣預(yù)熱器。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)故障原因是作為二級(jí)溫度保護(hù)的139℃熔斷絲熔斷，但作為一級(jí)溫度保護(hù)的70℃溫控器仍可正常通電，且控制系統(tǒng)中未記錄到70℃溫度開(kāi)關(guān)動(dòng)作。由于當(dāng)時(shí)列車出庫(kù)緊急，遂立即更換了139℃熔斷絲，保證列車出庫(kù)[1]。但當(dāng)列車返回后，又報(bào)出制暖故障，遂更換了整套空氣預(yù)熱器，以保證該車可繼續(xù)運(yùn)行。

之后，對(duì)首次故障進(jìn)行原因排查時(shí)，檢查了空氣預(yù)熱器各發(fā)熱管的電阻值均正常，排除了發(fā)熱管內(nèi)部故障；測(cè)量了通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流，也在正常范圍，排除了通風(fēng)機(jī)風(fēng)量不足導(dǎo)致的缺風(fēng)保護(hù)；核對(duì)了控制系統(tǒng)內(nèi)70℃溫度開(kāi)關(guān)的接線是否存在短接現(xiàn)象，致使70℃溫度開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)檢查不到，造成加熱管持續(xù)升溫，熔斷139℃熔斷絲，但檢查結(jié)果均一切正常，遂懷疑139℃熔斷絲存在質(zhì)量原因，導(dǎo)致在70℃以下時(shí)即發(fā)生熔斷。但經(jīng)過(guò)對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)，排除了該原因[2]。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，若空氣預(yù)熱器發(fā)生超溫現(xiàn)象，一定首先觸發(fā)70℃溫度開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控制系統(tǒng)再將空氣預(yù)熱器主電路斷開(kāi)，停止空氣預(yù)熱器工作，待溫度開(kāi)關(guān)處溫度下降至（50±10）℃時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)接通，系統(tǒng)再恢復(fù)空氣預(yù)熱器電源，繼續(xù)工作。只有當(dāng)70℃溫度開(kāi)關(guān)無(wú)法有效斷開(kāi)時(shí)，即一級(jí)溫度保護(hù)失效時(shí)，空氣預(yù)熱器持續(xù)超溫，才能熔斷139℃熔斷絲，觸發(fā)二級(jí)溫度保護(hù)。對(duì)原70℃溫度開(kāi)關(guān)模擬動(dòng)作試驗(yàn)，功能正常，那可以判斷，既然139℃熔斷絲已熔斷，70℃溫度開(kāi)關(guān)肯定也有動(dòng)作，但未被控制系統(tǒng)記錄，那應(yīng)該是控制系統(tǒng)失電后發(fā)生的動(dòng)作[3]。但在空調(diào)機(jī)組控制邏輯中，空氣預(yù)熱器停止工作后，通風(fēng)機(jī)會(huì)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1min，以降低空氣預(yù)熱器溫度，但在一般運(yùn)用過(guò)程中，經(jīng)常存在列車到站后直接斷電的情況，致使通風(fēng)機(jī)與空氣預(yù)熱器及控制系統(tǒng)同時(shí)失電，空氣預(yù)熱器余溫得不到有效散發(fā)，導(dǎo)致70℃及139℃雙重保護(hù)均動(dòng)作，但70℃溫度開(kāi)關(guān)可以降溫恢復(fù)，但139℃熔斷絲不可恢復(fù)，致使空調(diào)機(jī)組再啟機(jī)時(shí)，空氣預(yù)熱器無(wú)法工作。至于同列客車相同車型中其余空調(diào)可正常工作，唯獨(dú)該空調(diào)機(jī)組空氣預(yù)熱器發(fā)生故障的情況，原因是該空氣預(yù)熱器的發(fā)熱管環(huán)肋松脫，導(dǎo)致熱阻升高，發(fā)熱管管體內(nèi)部積累了大量熱量，在通風(fēng)機(jī)停止工作后，管內(nèi)殘存的熱量將139℃熔斷絲熔斷。

3 肋片松動(dòng)對(duì)發(fā)熱管散熱的影響理論分析

空氣預(yù)熱器的作用是通電后，自身溫度升高，再與流動(dòng)空氣進(jìn)行對(duì)流傳熱，以提高送入客室的溫度。根據(jù)對(duì)流傳熱速率方程式：

式中，Φ 為傳熱量，W；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W（/m2·K）；A為傳熱面積，m2；Δt為溫差，K。

影響對(duì)流傳熱量的主要因素為溫差、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及換熱面積。在上述案例中的空氣預(yù)熱器工作環(huán)境中，表面上看，發(fā)熱管與氣流之間的溫差、發(fā)熱管的換熱面積與其余正常的空氣預(yù)熱器均無(wú)不同，而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素中，肋片材質(zhì)、表面粗糙度等也無(wú)不一致，但由于發(fā)熱管的環(huán)肋與發(fā)熱管體并不是一體的，而是通過(guò)預(yù)緊力相接觸。這兩個(gè)名義上互相接觸的固體表面，實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，在未接觸的界面之間的間隙中由于充滿了空氣，熱量將以導(dǎo)熱的方式穿過(guò)這種氣隙層。這種情況與兩固體表面真正完全接觸相比，增加了附加的傳遞阻力，稱為接觸熱阻。接觸熱阻主要受相接觸的金屬表面的粗糙度、接觸表面的壓力、溫度和金屬材料等因素的影響。案例中的空氣預(yù)熱器，正是由于肋片端部與發(fā)熱管連接固定的焊點(diǎn)斷裂，造成肋片與發(fā)熱管之間預(yù)緊力下降，接觸熱阻增大[4]。

文獻(xiàn)中計(jì)算了接觸熱阻對(duì)換熱量的影響，一般環(huán)肋片應(yīng)以較大預(yù)緊力安裝在肋管上，保證接觸熱阻小于1×10-（4m·2K）/W，當(dāng)肋片預(yù)緊力消失后，如果接觸熱阻增大到1×10-（3m2·K）/W，可使肋片的散熱量下降44.8%～75.1%,影響非常明顯。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更加準(zhǔn)確地驗(yàn)證肋片松動(dòng)對(duì)發(fā)熱管散熱的影響效果，繼而造成余熱將139℃熔斷絲熔化的故障，將發(fā)生故障的預(yù)熱器模擬運(yùn)行，并保持通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，30min 后，同時(shí)斷開(kāi)預(yù)熱器及通風(fēng)機(jī)電源，分別測(cè)量70℃溫度開(kāi)關(guān)和空氣預(yù)熱器主回路通斷情況，并測(cè)量139℃熔斷絲處的實(shí)時(shí)溫度。試驗(yàn)結(jié)果為斷開(kāi)65s 時(shí)，70℃溫度開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，135s 時(shí)，139℃熔斷絲附近溫度達(dá)到142℃，空預(yù)器主回路也斷開(kāi)。該試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了前述推斷[5]。

5 結(jié)論

由理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，空氣預(yù)熱器肋片與發(fā)熱管之間預(yù)緊力不足，接觸電阻會(huì)急劇加大，造成換熱效率下降嚴(yán)重，發(fā)熱管內(nèi)積存大量余熱，當(dāng)空調(diào)停機(jī)后，散發(fā)的余熱得不到有效排除，繼而將139℃熔斷絲熔斷，造成空調(diào)機(jī)組制暖故障。

本文通過(guò)對(duì)上述疑難實(shí)例的解決過(guò)程，基本上排查了一遍影響空調(diào)制暖功能的所有因素，包含空氣預(yù)熱器的通風(fēng)環(huán)境、控制系統(tǒng)、器件質(zhì)量等，并結(jié)合控制原理和傳熱理論分析，得出翅片松動(dòng)導(dǎo)致接觸熱阻大的這一根本原因。此套解決方案可為行業(yè)同仁在鐵路客車空調(diào)機(jī)組制暖故障的解決過(guò)程中提供一定借鑒作用。