250 km/h動(dòng)車組空壓機(jī)組設(shè)計(jì)
2019-12-16 03:56:24李化明焦東明崔任永李童生
城市軌道交通研究 2019年11期
李化明 焦東明 高 珊 崔任永 李童生
(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，063035，唐山∥第一作者，工程師)
空壓機(jī)組作為鐵路動(dòng)車組的關(guān)鍵部件之一，為制動(dòng)系統(tǒng)和用風(fēng)設(shè)備提供壓縮空氣，空壓機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇與動(dòng)車組的實(shí)際運(yùn)行工況有關(guān)。250 km/h城際動(dòng)車組因車下吊裝空間更加緊湊、用風(fēng)設(shè)備數(shù)量改變，同時(shí)考慮國(guó)產(chǎn)化率的要求，早期進(jìn)口的空壓機(jī)組不能直接應(yīng)用在該車型上，開(kāi)發(fā)新的結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠的空壓機(jī)組就顯得尤其重要。
1 空壓機(jī)組設(shè)計(jì)要求和參數(shù)確定
1.1 設(shè)計(jì)要求
根據(jù)城際動(dòng)車組的運(yùn)行環(huán)境確定空壓機(jī)組的主要設(shè)計(jì)條件如下：環(huán)境溫度,-25～﹢40 ℃;最大海拔高度,≤1 500 m;安裝方式,車底吊掛安裝;正常工作壓力,850～1 000 kPa;冷卻方式,風(fēng)冷;主回路電源,交流380 V/50 Hz;控制回路電源,直流110 V;最大起動(dòng)電流(峰值),≤133 A，+20 ℃;排氣含油量,≤6 mg/m3;整機(jī)噪聲(聲壓級(jí)),≤89 dB(A)。另外，在環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，壓縮空氣不經(jīng)過(guò)冷卻器的旁通裝置[1]，空壓機(jī)設(shè)有壓力及溫度保護(hù)裝置，具有記錄空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間的小時(shí)計(jì)數(shù)器，機(jī)組通過(guò)彈性安裝元件吊裝，以減小機(jī)體振動(dòng)。
1.2 空壓機(jī)排氣量的計(jì)算與機(jī)頭型號(hào)的選擇
空壓機(jī)排氣量是以所有設(shè)備的最大空氣消耗量和滿足制動(dòng)時(shí)的用風(fēng)量要求計(jì)算的。排氣量計(jì)算主要考慮制動(dòng)系統(tǒng)耗風(fēng)、空氣懸掛耗風(fēng)、廁所、泄漏、風(fēng)笛等設(shè)備耗風(fēng)。
1)總風(fēng)管和風(fēng)缸總?cè)莘e計(jì)算。
Vpipe=(Dm/2)2πrlLt/1 000+nrVr+V1
式中：
Vpipe——總風(fēng)管路和風(fēng)缸容積, L；
Dm——總風(fēng)管內(nèi)徑, mm；
rl——總風(fēng)管與車輛長(zhǎng)度比；
Lt——列車長(zhǎng)度, m；
nr——風(fēng)缸數(shù)量；
Vr——風(fēng)缸容積, L；
V1——估算的其他主要支管路和閥的容積, L。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
2)制動(dòng)系統(tǒng)耗風(fēng)量計(jì)算:制動(dòng)系統(tǒng)的耗風(fēng)量主要與制動(dòng)次數(shù)和單次制動(dòng)的耗風(fēng)量有關(guān)。
Vbrake={Ncyl[Vsvol(pcyl+p0)+VDvolpcyl]+
Vpvolpcyl}ηwspNb
式中：
Vbrake——制動(dòng)系統(tǒng)耗風(fēng)量, L；
Ncyl——制動(dòng)缸數(shù)量；
Vsvol——制動(dòng)缸容積, L；
pcyl——制動(dòng)壓力, kPa；
p0——吸氣壓力, kPa；
VDvol——制動(dòng)缸固定容積, L；
Vpvol——制動(dòng)管路和閥的容積, L；
ηwsp——制動(dòng)防滑激活系數(shù)；
Nb——制動(dòng)總次數(shù)。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
3)空氣懸掛耗風(fēng)量計(jì)算:空氣懸掛耗風(fēng)包括車輛每次?？空緯r(shí)，乘客上下車產(chǎn)生載荷變化引起的懸掛系統(tǒng)靜態(tài)耗風(fēng)量和在車輛行駛過(guò)程中車體晃動(dòng)產(chǎn)生的空氣懸掛動(dòng)態(tài)耗風(fēng)量。
Vas=(NasVasr+NsrVsr)(pcrush-ptare)λNstation+
NlevVlev(ttotal-NstationtD/60)
式中：
Vas——空簧耗風(fēng)量, L；
Nas——空簧數(shù)量；
Vasr——空簧容積, L；
Nsr——空簧氣室數(shù)量；
Vsr——空簧氣室容積, L；
pcrush——滿載時(shí)空簧壓力, kPa；
ptare——空載時(shí)空簧壓力, kPa；
λ——每站車重變化平均百分比；
Nstation——車站數(shù)量，不包括線路端部站點(diǎn)；
Nlev——高度閥數(shù)量；
Vlev——高度閥動(dòng)態(tài)耗風(fēng)量, L；
ttotal——列車運(yùn)行時(shí)間, s；
tD——列車進(jìn)站停車時(shí)間, min。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
4)其他設(shè)備耗風(fēng)量計(jì)算：其他設(shè)備耗風(fēng)主要包括廁所、撒砂、風(fēng)笛系統(tǒng)耗風(fēng)，計(jì)算主要考慮耗風(fēng)部件的數(shù)量、單個(gè)部件的耗風(fēng)量和使用次數(shù)、時(shí)間的要求。
V=NQtn
式中：
V——設(shè)備耗風(fēng)量, L；
N——運(yùn)行時(shí)使用部件的數(shù)量；
Q——單個(gè)部件耗風(fēng)量, L/min；
t——每次使用時(shí)間, min；
n——使用次數(shù)。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
5)泄漏量計(jì)算。
式中：
Vleak——泄漏量，L；
Vtotal——列車總耗風(fēng)量, L；
pdrop——泄漏壓降，kPa；
tleak——泄漏時(shí)間, min。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
6)列車耗風(fēng)量計(jì)算。
Vtotal=Vbrake+Vas+Vsand+Vhorn+Vtoilet+
Vdoor+Vleak
式中：
Vsand——撒砂耗風(fēng)量, L；
Vhorn——風(fēng)笛耗風(fēng)量, L；
Vtoilet——廁所耗風(fēng)量, L；
Vdoor——門(mén)耗風(fēng)量, L。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 列車耗風(fēng)量計(jì)算結(jié)果 L
考慮空壓機(jī)排氣量的輸出誤差、干燥器再生耗風(fēng)量和空壓機(jī)效率，理論計(jì)算的排氣量為：
式中：
Qtheory——理論排氣量, L/min；
α——空壓機(jī)排氣量的輸出誤差；
β——干燥器再生耗風(fēng)量；
γ——估算的空壓機(jī)效率。
因?qū)嶋H運(yùn)行工況更加惡劣，也為了方便選擇現(xiàn)有空壓機(jī)的機(jī)頭，對(duì)Qtheory進(jìn)行圓整，并留取余量，取空壓機(jī)排氣量Qc=1 600 L/min，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果選擇GHH-CE74EN2型號(hào)機(jī)頭。
1.3 電機(jī)功率的計(jì)算
電機(jī)功耗主要為驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇功耗和壓縮機(jī)功耗，所需電機(jī)總功率Ptotal計(jì)算公式為：
式中：
PL——冷卻風(fēng)扇功耗, kW；
P——壓縮機(jī)功耗, kW；
H——冷卻空氣壓頭, kPa；
ρL——冷卻空氣密度, kg/m3；
Cpa——空氣定壓比熱容, kJ/(kg·K)；
t2——冷卻空氣出口溫度, ℃；
t0——吸氣溫度, ℃；
ηL——風(fēng)扇的效率，取值范圍為0.35～0.65；
ηj——機(jī)械效率，取0.98；
K——電機(jī)的容量安全系數(shù)；
k——空氣的等熵指數(shù)，取1.4；
Qc——選定的空壓機(jī)排氣量，L/min；
η——絕熱效率；
pd——壓縮機(jī)排氣壓力, kPa。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，電機(jī)功率取17 kW，選用KNORR空-油冷卻器以及KTAL0900 葉輪。
1.4 管路參數(shù)選擇計(jì)算
油管內(nèi)徑計(jì)算如下式[1]:
式中：
d——管路內(nèi)徑, m；
Qv0——噴油量, m3/s；
v——液體流速，取4.5 m/s。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
壓縮空氣管路內(nèi)徑計(jì)算:
式中：
u——壓縮空氣流速，取12.5 m/s；
T、Tz——分別為自由空氣和壓縮空氣熱力學(xué)溫度, K。
管路壁厚計(jì)算[1]:
δ≥pds/2σb
式中：
p——工作壓力，取1.7 MPa，(制動(dòng)管路選用的管材為1Cr18Ni9Ti的無(wú)縫鋼管)；
s——安全系數(shù)，取6；
σb——屈服強(qiáng)度, MPa。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 管路參數(shù)選擇計(jì)算結(jié)果 mm
1.5 噴油量計(jì)算
在給定噴油溫度和排氣溫度后，螺桿壓縮機(jī)的噴油量可由下式計(jì)算：
式中：
Cair——潤(rùn)滑油定壓比熱容, kJ/(kg·K)；
ρa(bǔ)ir——標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣密度, kg/m3；
t3——排氣溫度, ℃；
ρoil——潤(rùn)滑油的密度, kg/m3；
t1——噴油溫度, ℃。
1.6 其他主要部件選型和參數(shù)確定
采用KTAA0700鑄鋁油氣筒，其法蘭孔安裝中徑和機(jī)頭法蘭孔安裝中徑相同，內(nèi)置油細(xì)分離器。
外置83 ℃ 溫控閥。油過(guò)濾器的噴油量根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定為18 L/min，儲(chǔ)備系數(shù)取2～3，選取型號(hào)為MANN micro-top W962，帶有單向截止功能，旁通閥開(kāi)啟壓力為25 kPa。
油細(xì)分離器選用馬勒C108738內(nèi)置油細(xì)分離器，用于濾除壓縮空氣中所含霧狀油氣；空氣濾清器使用帶有真空指示器的MANN鐵殼空氣濾清器。
進(jìn)氣閥選用KTAG0100(鋁制)，用于間歇工作的螺桿壓縮機(jī)。最小壓力閥采用MPV-25B型號(hào)，設(shè)計(jì)在油氣筒上方油細(xì)分離器出口處，開(kāi)啟壓力設(shè)計(jì)為600 kPa。
2 空壓機(jī)組設(shè)計(jì)
2.1 氣路原理設(shè)計(jì)
該空壓機(jī)組由壓縮機(jī)單元、空氣處理單元、安全閥、壓力開(kāi)關(guān)、塞門(mén)等組成，如圖1所示。
空氣通過(guò)空氣過(guò)濾器進(jìn)入到壓縮機(jī)，壓縮后的空氣經(jīng)過(guò)后冷卻器的冷卻進(jìn)入氣水分離器和油細(xì)分離器，壓縮空氣在前置過(guò)濾器和油過(guò)濾器初步除水除油后進(jìn)入含有干燥劑的雙塔干燥器。壓縮空氣中的水分被吸收，使出口處的氣體相對(duì)濕度不大于35%。干燥后的壓縮空氣通過(guò)主風(fēng)管上的定值為1 060 kPa的安全閥到達(dá)主風(fēng)缸。為防止過(guò)壓在壓縮機(jī)的機(jī)體上設(shè)有定值為1 400 kPa的安全閥，在氣路上設(shè)有1 150 kPa的安全閥。
2.2 空壓機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該空壓機(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將壓縮機(jī)、彈性支撐、空氣處理單元以及其他組件集成設(shè)計(jì)到吊架上。壓縮機(jī)和電機(jī)采用法蘭連接安裝，通過(guò)4個(gè)彈性支撐固定在吊架的上部。在油氣筒上設(shè)計(jì)有油過(guò)濾器及溫控單元，用于控制油路循環(huán)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)后蓋與蝸殼間為剛性連接，蝸殼內(nèi)的離心式風(fēng)扇固定于機(jī)頭的聯(lián)軸器上。蝸殼上設(shè)計(jì)有空油冷卻器，通過(guò)風(fēng)扇對(duì)壓縮空氣和潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻。一般冷卻器排風(fēng)方向有底部、側(cè)面和頂部3種[2]。因該動(dòng)車組車下設(shè)計(jì)有底板，因此將該空壓機(jī)的排風(fēng)口設(shè)計(jì)在下部，與底板配合連接。設(shè)計(jì)的空壓機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 氣路原理圖
圖2 空壓機(jī)組結(jié)構(gòu)圖
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
為了準(zhǔn)確檢測(cè)設(shè)計(jì)的空壓機(jī)組的充風(fēng)性能，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了空壓機(jī)組的充風(fēng)能力試驗(yàn)，如圖3所示。
由圖3可以看出，在充風(fēng)過(guò)程中，空壓機(jī)組內(nèi)部壓力迅速上升，當(dāng)壓力達(dá)到最小壓力閥設(shè)定的600 kPa時(shí)開(kāi)始緩慢下降，優(yōu)先建立空壓機(jī)組內(nèi)部的充風(fēng)壓力;之后最小壓力閥打開(kāi)開(kāi)始向下游充風(fēng)，此時(shí)壓力曲線開(kāi)始線性上升，直接充風(fēng)到設(shè)計(jì)的最高出口壓力1 150 kPa，時(shí)間為300 s;在機(jī)組停機(jī)后進(jìn)氣閥泄壓。風(fēng)缸壓力近似線性上升，充風(fēng)到1 000 kPa時(shí)的時(shí)間為282 s，之后壓力維持在設(shè)計(jì)的安全閥壓力值1 060 kPa。
圖3 空壓機(jī)組平均充風(fēng)曲線
4 結(jié)語(yǔ)
該空壓機(jī)組通過(guò)試驗(yàn)顯示充風(fēng)能力滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際裝車試驗(yàn)運(yùn)行中空壓機(jī)組運(yùn)行狀況良好。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)的空壓機(jī)組適合時(shí)速250 km/h城際動(dòng)車組的運(yùn)行要求，空壓機(jī)工作效率高，避免了潤(rùn)滑油的乳化，具有經(jīng)濟(jì)合理、簡(jiǎn)單易行、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該空壓機(jī)組的設(shè)計(jì)方法也可以指導(dǎo)后續(xù)車型空壓機(jī)組的選型設(shè)計(jì)。
