機(jī)車(chē)用智能化風(fēng)源系統(tǒng)技術(shù)研究

劉治國(guó),楊青雨 王樹(shù)海 崔似宏

(中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司 技術(shù)中心研究院，山西 大同 037038)*

機(jī)車(chē)風(fēng)源系統(tǒng)的主要作用是為機(jī)車(chē)車(chē)輛提供清潔、干燥的壓縮空氣，由于壓縮空氣主要用于制動(dòng)系統(tǒng)、受電弓、撒砂、風(fēng)笛、空氣彈簧等安全設(shè)備，因此，機(jī)車(chē)風(fēng)源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要.

然而，每年入夏以后，我國(guó)南方的諸多機(jī)務(wù)段，如昆明、重慶、懷化等機(jī)務(wù)段均會(huì)出現(xiàn)風(fēng)源系統(tǒng)故障，常見(jiàn)的是空氣壓縮機(jī)機(jī)油乳化，降低空氣壓縮機(jī)機(jī)油的降溫、密封、潤(rùn)滑、降噪功能.此外，干燥器中裝用的干燥劑失效后，導(dǎo)致壓縮空氣濕度、含油量、顆粒度不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致空氣管路銹蝕、橡膠密封件失效、閥類(lèi)部件堵塞等問(wèn)題，也嚴(yán)重影響機(jī)車(chē)車(chē)輛空氣管路系統(tǒng)用風(fēng)安全及行車(chē)安全[1-2].

近年來(lái)，隨著機(jī)車(chē)牽引車(chē)輛數(shù)量的增多，供風(fēng)與用風(fēng)的矛盾越來(lái)越突出，出現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)的現(xiàn)象，這不僅影響了空氣壓縮機(jī)的壽命，也對(duì)機(jī)車(chē)的整體供風(fēng)能力造成了不良影響.因此，機(jī)車(chē)智能化風(fēng)源系統(tǒng)研究勢(shì)在必行，已成為下一代風(fēng)源系統(tǒng)的發(fā)展方向.目前，對(duì)于機(jī)車(chē)智能化風(fēng)源系統(tǒng)的研究還處于理論分析和試驗(yàn)仿真的階段，但隨著理論研究的深入和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，該研究成果已逐漸具備了裝車(chē)考核運(yùn)用的條件[3].

1 智能化風(fēng)源系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 智能化風(fēng)源系統(tǒng)組成

本文研究的機(jī)車(chē)智能化風(fēng)源系統(tǒng)包括：供風(fēng)設(shè)備、監(jiān)控主機(jī)和人機(jī)交互界面三大部分.其中，監(jiān)控主機(jī)是智能化風(fēng)源系統(tǒng)的核心部分，主要包括監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)分析處理單元、控制單元、電源轉(zhuǎn)換模塊、各種接口模塊；供風(fēng)設(shè)備是智能化風(fēng)源系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象，主要包括空氣壓縮機(jī)、微油過(guò)濾器、干燥器、總風(fēng)缸、連接管路等部件；人機(jī)交互界面包括顯示屏、按鍵和各種聲光報(bào)警提示設(shè)備，便于司乘人員和檢修維護(hù)人員操作維護(hù).

1.2 工作原理

圖1是智能化風(fēng)源系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系框圖.監(jiān)測(cè)單元負(fù)責(zé)采集空氣壓縮機(jī)、干燥器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和壓縮空氣濕度、含油量、固體顆粒度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理之后，一方面?zhèn)鬏數(shù)饺藱C(jī)交互界面，直觀反映空氣壓縮機(jī)、干燥器運(yùn)行狀態(tài)和壓縮空氣品質(zhì)；另一方面?zhèn)鬏數(shù)娇刂茊卧?，?qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行變頻智能控制、干燥器進(jìn)行干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制，通過(guò)供風(fēng)設(shè)備的自我調(diào)節(jié)，使工作狀態(tài)達(dá)到最優(yōu).同時(shí)，機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)能夠通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)掌握供風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和壓縮空氣品質(zhì)，并對(duì)供風(fēng)系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令.

圖1 智能化風(fēng)源系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系框圖

2 監(jiān)測(cè)對(duì)象與方案

2.1 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.1.1 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)最高壓力、系統(tǒng)最高溫度、空濾阻力、油濾阻力、油分阻力、冷卻能力直接影響壓縮機(jī)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行，因此，需要對(duì)上述六項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè).

2.1.2 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案

在空氣壓縮機(jī)適當(dāng)位置安裝壓力傳感器和溫度傳感器，監(jiān)測(cè)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯判斷，得到空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài).各傳感器布置方案及模擬指標(biāo)見(jiàn)表1，具體安裝位置見(jiàn)圖2.

表1 各傳感器布置方案及模擬指標(biāo)

1.空氣濾清器；2.冷卻器； 2.1.油冷卻器； 2.2.后冷卻器；3.進(jìn)氣閥； 4.壓力開(kāi)關(guān)； 6.安全閥； 7.壓力維持閥； 8.電磁閥；9.油細(xì)分離器 ；10.油氣筒； 10.1.隔板； 12.溫度開(kāi)關(guān)；13.放油閥； 14.溫控閥； 15.油過(guò)濾器 ；24.真空指示器；A1.空壓機(jī)空氣入口； A2.壓縮空氣出口； A4.冷卻空氣圖2 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案示意

2.2 干燥器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[4]

2.2.1 干燥器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

正常情況下，干燥器雙塔根據(jù)內(nèi)部控制邏輯交替工作，確保一塔處于干燥狀態(tài)，另一塔處于再生狀態(tài).干燥塔處于干燥階段時(shí),壓縮空氣進(jìn)氣口到排氣口之間壓力較高；干燥塔處于再生階段時(shí),由于再生節(jié)流閥的降壓作用,且該塔通過(guò)排氣閥與大氣連通,壓力較低.為防止單一干燥塔連續(xù)干燥而“淹死”失效，對(duì)干燥器雙塔的壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè).

2.2.2 干燥器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案

干燥器的狀態(tài)監(jiān)控是通過(guò)監(jiān)測(cè)干燥塔在不同階段(干燥階段和再生階段)交替轉(zhuǎn)換時(shí)的壓力變化,判斷干燥器是否正常工作.因此，給每個(gè)干燥塔配置1個(gè)壓力開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖3),設(shè)定壓力開(kāi)關(guān)的壓力值，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，判斷壓力開(kāi)關(guān)是否按照干燥器干燥再生轉(zhuǎn)換周期進(jìn)行動(dòng)作，從而確定干燥器運(yùn)行狀態(tài).

圖3 干燥器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案示意

2.3 壓縮空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)[5]

2.3.1 壓縮空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 8573要求，壓縮空氣品質(zhì)包括三方面內(nèi)容：露點(diǎn)、含油量、固體顆粒度，這三項(xiàng)指標(biāo)直接影響空氣管路系統(tǒng)用風(fēng)安全.其中任何一項(xiàng)指標(biāo)控制不當(dāng)，均有可能對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛行車(chē)安全造成隱患，為保證壓縮空氣品質(zhì)，對(duì)上述三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè).

2.3.2 壓縮空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)方案

壓縮空氣經(jīng)過(guò)微油過(guò)濾器和干燥器處理后，便決定了壓縮空氣的最終品質(zhì).因此，對(duì)于壓縮空氣露點(diǎn)(含濕量)、含油量、固體顆粒度的監(jiān)測(cè)，將相應(yīng)傳感器安裝于干燥器出口.

(1)含濕量監(jiān)測(cè)

壓縮空氣的露點(diǎn)探測(cè)包括兩部分：含水量探測(cè)和溫度探測(cè)，傳感器采用高分子電容式露點(diǎn)儀，其技術(shù)原理見(jiàn)圖4.

圖4 高分子電容式露點(diǎn)儀技術(shù)原理示意

當(dāng)空氣中含水量不同時(shí)，薄膜聚合物能夠吸收或釋放水蒸氣，聚合物的介電特性隨著傳感器周邊濕度的變化而變化，傳感器電容因之發(fā)生變化，然后電容的變化可以計(jì)算出流經(jīng)氣體水分的含量；當(dāng)PT100(溫度傳感器)在溫度變化時(shí)，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)算法，即可得到傳感器周?chē)臏囟葦?shù)據(jù)；在薄膜聚合物電容和溫度傳感器的作用下，露點(diǎn)溫度即可通過(guò)計(jì)算得出.

(2)含油量監(jiān)測(cè)

壓縮空氣含油量監(jiān)測(cè)采用PID(Photo lonization Detectors)光離子化探測(cè)器，探測(cè)器由真空紫外燈和電離室構(gòu)成，技術(shù)原理見(jiàn)圖5.

圖5 光離子化探測(cè)器技術(shù)原理示意

待測(cè)壓縮空氣中的潤(rùn)滑油分子吸收紫外燈發(fā)射的高于氣體分子電離能的光子，被電離成正、負(fù)離子，在外加電場(chǎng)的作用下離子偏移形成微弱電流.由于被測(cè)氣體濃度與光離子化電流呈線(xiàn)性關(guān)系，因此，通過(guò)檢測(cè)電流值可得知被檢測(cè)氣體的濃度，從而監(jiān)測(cè)壓縮空氣的含油量.

(3)固體顆粒度監(jiān)測(cè)

壓縮空氣固體顆粒度監(jiān)測(cè)采用激光粒子計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的光源是LED激光管，光檢測(cè)器的主要元件是CCD電荷耦合元件，光檢測(cè)器和測(cè)量腔做成一體，固體顆粒通過(guò)CCD，CCD會(huì)檢測(cè)到光信號(hào)，生成一個(gè)電脈沖，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出壓縮空氣固體顆粒度，技術(shù)原理見(jiàn)圖6.

圖6 激光粒子計(jì)數(shù)器技術(shù)原理示意

2.4 供風(fēng)監(jiān)測(cè)

供風(fēng)監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)向聯(lián)掛車(chē)輛所供壓力空氣的流量和壓力，具體方案是在機(jī)車(chē)與車(chē)輛聯(lián)接處加裝雙管供風(fēng)流量壓力變送器組件.在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)空氣壓縮機(jī)的智能變頻控制、維護(hù)保養(yǎng)提示，及對(duì)雙管供風(fēng)流量異常報(bào)警和風(fēng)量控制.

3 智能控制策略

3.1 空氣壓縮機(jī)變頻智能控制

3.1.1 空氣壓縮機(jī)智能控制要求[6]

根據(jù)機(jī)車(chē)車(chē)輛用風(fēng)要求，空氣壓縮機(jī)采用變頻智能控制方式供風(fēng).當(dāng)機(jī)車(chē)車(chē)輛需要用風(fēng)時(shí)，頻率由50Hz調(diào)整到100～120 Hz，保證機(jī)車(chē)用風(fēng)供給(如總風(fēng)壓力低于(680±20) kPa時(shí)，需要兩個(gè)壓縮機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí))；當(dāng)機(jī)車(chē)車(chē)輛用風(fēng)需求不大時(shí)，頻率降低到30～40 Hz，補(bǔ)充泄漏的風(fēng)量(如總風(fēng)壓力低于(750±20) kPa時(shí)，只需一個(gè)壓縮機(jī)啟動(dòng))；當(dāng)機(jī)車(chē)車(chē)輛無(wú)需供風(fēng)時(shí)，保持空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使空氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑油溫度保持在一定的溫度，保證冷卻過(guò)程中水分不析出.

3.1.2 變頻智能控制原理[7]

變頻器基于交-直-交電源變換原理,可根據(jù)控制對(duì)象的需要輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電壓.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比,因此,用變頻器輸出頻率可調(diào)的交流電壓作為空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的電源電壓,可方便地改變空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速.空氣壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí),系統(tǒng)原理框圖如圖7所示.

變頻調(diào)速系統(tǒng)將總風(fēng)缸壓力作為控制對(duì)象,壓力變送器將總風(fēng)缸的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器,與壓力給定值進(jìn)行比較,并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算,產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的輸出電壓和逆變頻率,調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力.另外,采用該方案后,空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)從靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可由變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)時(shí)的大電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊.

正常情況下,空氣壓縮機(jī)在變頻器調(diào)速控制方式下工作.變頻器一旦出現(xiàn)故障,生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī),因此,系統(tǒng)設(shè)置了工頻與變頻切換功能,這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),可由工頻電源通過(guò)接觸器直接供電,使空氣壓縮機(jī)照常工作.

3.2 干燥器干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制

3.2.1 干燥器智能控制要求

目前，機(jī)車(chē)用干燥器具有定時(shí)轉(zhuǎn)換、時(shí)間累計(jì)和狀態(tài)記憶的功能，能夠初步滿(mǎn)足壓縮空氣的凈化要求.采用干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制方式后，干燥器兩塔在交替工作過(guò)程中，具有柔性轉(zhuǎn)換的特性，減少氣流對(duì)干燥劑的沖擊，避免粉末進(jìn)入管路系統(tǒng).此外，增加空氣干燥器故障時(shí)可在車(chē)上切除的功能，以避免機(jī)破.

3.2.2 干燥再生智能轉(zhuǎn)換控制原理

干燥器的工作，是由風(fēng)泵調(diào)壓器來(lái)控制的.風(fēng)泵調(diào)壓器是機(jī)車(chē)上將總風(fēng)缸壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娍匦盘?hào)的裝置，當(dāng)總風(fēng)壓力低于某一設(shè)定值(750 kPa)時(shí)，調(diào)壓器發(fā)出通電信號(hào)；當(dāng)總風(fēng)壓力達(dá)至另一設(shè)定值(900 kPa)時(shí)，調(diào)壓器發(fā)出斷電信號(hào).因此，裝置的各種功能與工作狀態(tài)，均與空氣莊縮機(jī)的工況相配合.干燥裝置電氣-機(jī)械控制系統(tǒng)的組成及控制關(guān)系如圖8所示.

圖8 電氣-機(jī)械控制系統(tǒng)圖示

電控器在接受風(fēng)泵調(diào)壓器的信號(hào)后，經(jīng)過(guò)邏輯處理，轉(zhuǎn)而輸出控制電空閥的電信號(hào)，并通過(guò)電空閥來(lái)操縱各機(jī)械閥(進(jìn)氣閥、排氣閥)的動(dòng)作.兩干燥塔根據(jù)其進(jìn)氣和排氣閥所處的作用位，按一定的程序交替工作，形成以下幾種狀態(tài):

(1)停機(jī)狀態(tài)：排氣閥關(guān)，進(jìn)氣閥隨機(jī)位;

(2)吸附狀態(tài)：排氣閥關(guān)，進(jìn)氣閥開(kāi);

(3)再生狀態(tài)：排氣閥開(kāi)，進(jìn)氣閥關(guān);

(4)充氣狀態(tài)：排氣閥關(guān)，進(jìn)氣閥關(guān).

4 結(jié)論

智能化風(fēng)源系統(tǒng)依托空氣壓縮機(jī)技術(shù)和干燥器技術(shù)，集成智能監(jiān)測(cè)功能、自我控制和調(diào)節(jié)功能，涉及運(yùn)行管理與檢修維護(hù)，將實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)和干燥器的智能運(yùn)行維護(hù)，進(jìn)一步提升機(jī)車(chē)車(chē)輛空氣管路用風(fēng)安全.目前，智能化風(fēng)源系統(tǒng)中的部分功能已經(jīng)在機(jī)車(chē)車(chē)輛上實(shí)現(xiàn)，但是，整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制及調(diào)節(jié)功能尚未實(shí)現(xiàn)，仍處于理論研究階段.因此，智能化風(fēng)源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍將持續(xù)進(jìn)行.