軌道交通制動系統(tǒng)用無油渦旋式空壓機控制方法研究

許榮斌，郭志剛，徐祥暉

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設備有限公司，江蘇南京 210000）

1 引言

目前，軌道交通制動系統(tǒng)用空壓機主要以有油為主，存在油泄漏、油乳化等風險，且需定期對潤滑油、油過濾器等部件進行維護保養(yǎng)。近年來，隨著用戶對制動系統(tǒng)高用風品質(zhì)及低維護成本的需求越來越高，無油空壓機以其無油環(huán)保的獨有優(yōu)勢，逐漸成為下一代軌道交通制動用空壓機的發(fā)展趨勢。

本文結(jié)合軌道交通制動系統(tǒng)用空壓機的運維經(jīng)驗，對無油渦旋式空氣壓縮機進行分析、研究，設計滿足軌道交通車輛實際運營溫度的無油渦旋式空壓機控制方法。

2 無油渦旋式空壓機結(jié)構

2.1 無油渦旋式空壓機組成

無油渦旋式空壓機主要由進氣過濾器、無油渦旋壓縮機（下述為機頭）、溫度開關、驅(qū)動電機、離心葉輪、風道、冷卻器、排水電磁閥等組成。以下闡述它的工作原理。

電機驅(qū)動機頭吸入經(jīng)進氣過濾器過濾后的空氣進行壓縮，并排出壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)冷卻器進行散熱。電機同時驅(qū)動離心葉輪抽送空氣，空氣經(jīng)風道流入機頭對壓縮部件進行強制風冷，經(jīng)機頭流出的空氣通過冷卻器進行強制風冷。冷卻器底部設有排水電磁閥，定時排出冷卻器底部冷凝水。機頭上設有溫度開關避免機頭運行時超過允許使用溫度。

2.2 溫度開關布置

考慮測點溫度代表性、結(jié)構強度及維護性，溫度開關布置于機頭靜渦盤低壓側(cè)，如圖1所示。

如圖2所示，在機頭運轉(zhuǎn)過程中，溫度開關測點溫度與機頭排氣溫度有較好的對應關系，圖1所示的測點位置溫度可代表機頭排氣溫度。

3 無油渦旋式空壓機控制方法

3.1 現(xiàn)有空壓機控制方法

圖1 溫度開關安裝位置

圖2 溫度開關測點溫度與機頭排氣溫度

現(xiàn)有空壓機控制方法如下：當機頭后端負載壓力低于設定值，機頭自動啟動；當壓力到達設定值，機頭停止工作。當溫度開關監(jiān)測點溫度超過允許使用溫度（溫度開關斷開溫度），機頭無法啟動；當溫度開關監(jiān)測點溫度下降至再次啟動溫度（溫度開關閉合溫度），機頭可再次啟動。

軌道交通制動系統(tǒng)為確保用風裕量，機頭排氣量大于制動系統(tǒng)實際耗風量。參考某項目制動系統(tǒng)用空壓機實際工作率（55%），通過調(diào)節(jié)負載壓力，使渦旋式空氣壓縮機在吸氣溫度約50 ℃下按上述工作率進行周期性運行。

如圖3所示，空壓機在周期性運行100 min過程中，機頭溫度開關處溫度T處于周期性穩(wěn)定狀態(tài)。

式中 Tmax——空壓機周期性運行過程中溫度開關處監(jiān)測的最高溫度

Tmin——空壓機周期性運行至穩(wěn)態(tài)后溫度開關處監(jiān)測的最低溫度

如圖4所示，無油渦旋式空壓機連續(xù)運行120 min后停止運行，機頭溫度開關處溫度在50 s內(nèi)由77.4 ℃上升至81 ℃。因機頭停機后，葉輪停止送風對渦盤進行散熱，在熱傳導的作用下，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，機頭溫度開關處溫度由81 ℃下降至72 ℃耗時556 s，溫降速率：V≈0.016 ℃/s。

供風裝置在周期性運行過程中，溫度開關處溫度最高至77.1 ℃，即將觸發(fā)溫度開關動作值80±2 ℃。若溫度開關被觸發(fā)斷開后，需待測點溫度下降至72 ℃才可再次閉合。當溫度開關處于斷開階段，空壓機無法啟動，制動系統(tǒng)存在供風不足風險。

3.2 無油渦旋式空壓機控制方法

如圖5所示，空壓機按固定工作率進行周期性運行，空壓機運行、負載壓力上升；空壓機停止、負載壓力下降。在空壓機運行階段，機頭溫度開關處溫度逐漸下降；在空壓機停止階段，機頭溫度開關處溫度逐漸上升。

為降低制動系統(tǒng)供風不足的風險，避免機頭高溫工況下溫度開關被觸發(fā)，分別驗證下述控制方法：機頭連續(xù)運轉(zhuǎn)，排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電；機頭、排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電，機頭延時10 s失電；機頭、排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電，機頭延時20 s失電。

圖3 無油渦旋式空氣壓縮機周期性運行

3.2.1 機頭連續(xù)運轉(zhuǎn)，排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電

無油渦旋空壓機在負載到達指定壓力后，電磁閥失電打開，機頭連續(xù)運轉(zhuǎn)。根據(jù)上述工況進行試驗，空壓機周期性啟停，待溫度開關處溫度周期性變化基本穩(wěn)定后，空壓機停止運行，機頭溫度開關處溫度變化曲線如圖6所示。

3.2.2 機頭、排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電，機頭延時10 s 失電

圖4 無油渦旋式空壓機停機后溫度開關處溫度變化

圖5 無油渦旋式空壓機溫度開關溫度隨負載壓力變化

無油渦旋空壓機在負載到達指定壓力后，電磁閥失電打開，機頭延時10 s失電。根據(jù)上述工況進行試驗，空壓機周期性啟停，待溫度開關處溫度周期性變化基本穩(wěn)定后，空壓機停止運行，機頭溫度開關處溫度變化曲線如圖7所示。

表1 機頭、排水電磁閥工作狀態(tài)

圖6 機頭溫度開關處溫度變化

表2 機頭、排水電磁閥工作狀態(tài)

圖7 溫度開關處溫度變化

表3 機頭、排水電磁閥工作狀態(tài)

圖8 溫度開關處溫度變化

表4 不同渦旋壓縮機控制方法，機頭溫度開關處溫度

3.2.3 機頭、排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電，機頭延時20 s 失電

無油渦旋空壓機在負載到達指定壓力后，電磁閥失電打開，機頭延時20 s失電。根據(jù)上述工況進行試驗，空壓機周期性啟停，待溫度開關處溫度周期性變化基本穩(wěn)定后，空壓機停止運行，機頭溫度開關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)負載壓力得失電，機頭連續(xù)運轉(zhuǎn)或延時失電，均可降低溫度開關處溫度。在渦旋式空壓機周期性運行過程中，機頭連續(xù)運轉(zhuǎn)可使有效降低溫度開關處溫度，但機頭失電后，溫度開關處溫升達3 ℃；機頭延時20 s失電，有效降低機頭溫度開關處溫度，且機頭失電后，溫度開關處溫升僅0.9 ℃。

4 結(jié)論

（1） 無油渦旋壓縮機運轉(zhuǎn)停機后，溫度開關處測點溫度在熱傳導作用下上升。

（2） 無油渦旋壓縮機周期性運轉(zhuǎn)過程中，機頭、排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電，溫度開關處溫度最高至77.1 ℃，即將觸發(fā)溫度開關動作值80±2 ℃。

（3） 無油渦旋壓縮機周期性運轉(zhuǎn)過程中，機頭、排水電磁閥根據(jù)負載壓力得失電，機頭延時20 s失電，可有效降低機頭溫度開關處溫度（最高至74.7 ℃），且機頭失電后，溫度開關處溫升僅0.9 ℃。