高速磁浮列車用風(fēng)源裝置研制與驗證

徐祥暉，許榮斌

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引言

高速磁浮作為一種新型尖端軌道交通技術(shù)，以其速度快、能耗低、安全性高、環(huán)境友好、可快起快停等優(yōu)勢已被越來越多國家所關(guān)注[1]。2021年7月20日，世界首套時速600公里高速磁浮交通系統(tǒng)在青島順利下線，標(biāo)志著我國掌握了高速磁浮成套技術(shù)和工程化能力。本文主要介紹了首列高速磁浮列車搭載的風(fēng)源裝置的研制及驗證情況。

2 技術(shù)指標(biāo)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

結(jié)合時速600公里高速磁浮列車的技術(shù)要求，制定風(fēng)源裝置的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，詳見表1。

表1 風(fēng)源裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.2 空間及接口

與傳統(tǒng)軌道交通車輛不同，高速磁浮列車風(fēng)源裝置集成在車輛夾層中(空間尺寸要求詳見圖1)，采用“抽屜式”安裝。狹小密閉空間的安裝形式，對風(fēng)源裝置的集成和熱管理提出了極大挑戰(zhàn)。

圖1 風(fēng)源裝置安裝范圍示意圖

3 技術(shù)方案及論證

3.1 氣路方案設(shè)計

風(fēng)源裝置的氣路原理如圖2所示，主要包括以下氣動過程：

空氣壓縮過程：電機啟動，通過彈性聯(lián)軸器直接驅(qū)動壓縮主機，壓縮主機吸入經(jīng)空氣過濾器過濾后的空氣進行壓縮，壓縮空氣經(jīng)單向閥后依次進入兩級冷卻器冷卻。排污電磁閥可在壓縮機停機后迅速泄壓，避免壓縮機再次啟動時帶載，同時配合壓縮主機出口單向閥可避免壓縮空氣倒流使壓縮機反轉(zhuǎn)。安全閥可避免壓縮機過壓運行。壓力開關(guān)可實現(xiàn)壓縮機的運行狀態(tài)與背壓監(jiān)控。

壓縮空氣干燥過程：壓縮空氣先后通過兩位三通閥進入干燥筒(AD1)，多數(shù)干燥壓縮空氣經(jīng)單向閥到達干燥器出口，少部分干燥的壓縮空氣作為再生氣源通過節(jié)流栓進入干燥筒(AD2)。當(dāng)干燥器內(nèi)置的計時器到達切換時間后，計時器控制電磁閥得電，切換通道，此時，AD1再生、AD2干燥，依次循環(huán)往復(fù)?？諝赓|(zhì)量可滿足ISO 8573-1：2010[3：3：0]要求。

3.2 電氣方案設(shè)計

風(fēng)源裝置的主要控制過程如下：

風(fēng)源裝置啟動控制：在總風(fēng)壓力低于800 kPa時，且風(fēng)源裝置未過載、未高溫的情況下，逆變器根據(jù)壓力開關(guān)的通斷，向風(fēng)源裝置電機輸出動力電，壓縮機工作，同時控制回路：

(1)風(fēng)扇1、風(fēng)扇2得電運行，對壓縮空氣進行冷卻；

(2)排污電磁閥得電關(guān)閉，防止壓縮氣體泄漏；

(3)雙塔干燥器控制電路板開始控制雙塔定時切換；

(4)計時器及計數(shù)器得電開始計時計數(shù)，記錄風(fēng)源裝置運行時間及啟停次數(shù)。

風(fēng)源裝置停機控制：當(dāng)總風(fēng)壓力達950 kPa時，逆變器根據(jù)壓力開關(guān)的通斷，停止動力電信號，壓縮機停機，同時控制回路失電(雙塔干燥器電路板長得電，以保持記憶功能)。

圖2 風(fēng)源裝置氣路原理圖

另外，風(fēng)源裝置還具有以下功能：

(1)高溫保護功能：機頭溫度開關(guān)實時監(jiān)控機頭溫度，當(dāng)機頭溫度過高時(超過88 ℃)，溫度開關(guān)斷開，壓縮機停止運行，并向車輛輸出開關(guān)量高溫報警信號；

(2)運行狀態(tài)監(jiān)控功能：車輛通過接收風(fēng)源裝置上壓力開關(guān)的開關(guān)量信號，結(jié)合風(fēng)源裝置啟動壓力開關(guān)狀態(tài)及風(fēng)源裝置啟動時間，綜合判斷風(fēng)源裝置的運行狀態(tài)；

(3)防凍結(jié)功能：雙塔干燥器加熱器、排污電磁閥加熱器各自通過溫度開關(guān)控制，在環(huán)境溫度低的情況下接通加熱，防止凍結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生；

(4)濕度監(jiān)測功能：在雙塔干燥器與風(fēng)源裝置出氣口之間管路上設(shè)有濕度傳感器，可用于監(jiān)測雙塔干燥器的干燥性能，并實時反饋車輛。

風(fēng)源裝置還具有以下功能：

(1)高溫保護功能：機頭溫度開關(guān)實時監(jiān)控機頭溫度，當(dāng)機頭溫度過高時(超過88 ℃)，溫度開關(guān)斷開，壓縮機停止運行，并向車輛輸出開關(guān)量高溫報警信號；

(2)運行狀態(tài)監(jiān)控功能：車輛通過接收風(fēng)源裝置上壓力開關(guān)的開關(guān)量信號，結(jié)合風(fēng)源裝置啟動壓力開關(guān)狀態(tài)及風(fēng)源裝置啟動時間，綜合判斷風(fēng)源裝置的運行狀態(tài)；

(3)防凍結(jié)功能：雙塔干燥器加熱器、排污電磁閥加熱器各自通過溫度開關(guān)控制，在環(huán)境溫度低的情況下接通加熱，防止凍結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生；

(4)濕度監(jiān)測功能：在雙塔干燥器與風(fēng)源裝置出氣口之間管路上設(shè)有濕度傳感器，可用于監(jiān)測雙塔干燥器的干燥性能，并實時反饋車輛。

3.3 集成方案設(shè)計

風(fēng)源裝置采用集成式安裝結(jié)構(gòu)。空氣壓縮機、電機、冷卻器組件、雙塔干燥器、電氣控制箱等部件均集成于托盤式底板上，可與車輛安裝框架實現(xiàn)“抽屜式”推拉安裝。

風(fēng)源裝置外形接口及結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，集成方案關(guān)鍵技術(shù)包括：

緊湊集成設(shè)計：風(fēng)源裝置外形尺寸為800 mm×500 mm×297 mm，完全實現(xiàn)安裝空間要求。

減振隔振設(shè)計：

(1)空氣壓縮機與風(fēng)源裝置底板間采用組合式減振器聯(lián)接，可有效減振，防止振動傳遞到風(fēng)源裝置底板和車體安裝框架，提高乘客舒適度；

(2)前置冷卻器(與壓縮主機聯(lián)接)與次級冷卻器(與風(fēng)源裝置底板聯(lián)接)之間采用軟管連接，有效隔離振動部件與固定部件，防止振動傳遞。

散熱通道設(shè)計：風(fēng)源裝置采用了兩級獨立冷卻系統(tǒng)，冷卻器均采用鋁制翅片式緊湊型結(jié)構(gòu)。

(1)前置冷卻系統(tǒng)：冷卻空氣由電機與壓縮主機之間的離心風(fēng)扇吸入，經(jīng)風(fēng)道冷卻渦盤后吹向一級冷卻器對壓縮空氣進行初次冷卻，全通道回路除進出風(fēng)口外，均采用密閉設(shè)計，最終經(jīng)專用導(dǎo)流罩將散熱風(fēng)排向車體側(cè)下方，實現(xiàn)散熱風(fēng)的隔離，防止散熱風(fēng)進入車輛夾層，惡化風(fēng)源裝置的工作環(huán)境；

(2)次級冷卻系統(tǒng)：經(jīng)由前置冷卻器冷卻后的壓縮空氣進入次級冷卻器，通過冷卻器后端聯(lián)接的2個風(fēng)扇進行強制風(fēng)冷，能將其出口的壓縮空氣溫度冷卻到不高于周圍環(huán)境溫度15 ℃的狀態(tài)[2]。同時通過散熱能力計算校核，保證壓縮空氣進入次級冷卻器后才開始產(chǎn)生冷凝水，并通過次級冷卻器底部的排污電磁閥定時將冷凝水排出。

圖3 風(fēng)源裝置外形接口及結(jié)構(gòu)組成

4 關(guān)鍵部件攻關(guān)

風(fēng)源裝置主要包括以下關(guān)鍵部件(圖4)：

圖4 風(fēng)源裝置關(guān)鍵部件組成

(1)空氣壓縮單元——空氣壓縮機

采用全無油渦旋式壓縮主機(圖5)，由一對具有螺旋形的固定渦盤和旋轉(zhuǎn)渦盤相互嚙合，形成多個壓縮腔，按順序連續(xù)往復(fù)循環(huán)完成吸氣、壓縮、排氣等循環(huán)行程。通過不斷迭代優(yōu)化，滿足封閉環(huán)境溫度45 ℃下，轉(zhuǎn)速3500 r/min，排氣壓力1200 kPa的長期連續(xù)運行工況，達到了行業(yè)先進水平[3，4]。

圖5 無油渦旋式壓縮主機

(2)驅(qū)動單元——電機

供風(fēng)裝置采用全鋁殼高效三相異步電機，為通用型全封閉同軸風(fēng)扇冷卻形式，電機整體防護等級為IP55，適用于連續(xù)工作制(S1)、符合IEC 60034 3級能效標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了輕量化與高能效。

(3)壓縮空氣后處理單元——雙塔干燥器

風(fēng)源裝置后處理采用雙塔干燥裝置。干燥器以4A分子篩作為干燥劑，采用變壓吸附及無熱再生原理，雙塔設(shè)計為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，一塔對壓縮濕空氣“吸附”干燥時，另一塔同時對吸附劑活性“再生”，保證了高壓濕空氣的干燥過程能夠連續(xù)進行，壓力露點降在連續(xù)運行3000 h后仍大于70 ℃td。

(4)控制單元——電氣控制箱

電氣控制箱主要由箱體、箱蓋、電氣控制模塊等組成，實現(xiàn)了電氣部件的控制與接線歸集，并統(tǒng)一由電連接器實現(xiàn)對外電氣連接，安裝及維護便捷。

5 仿真分析與計算

5.1 強度仿真分析

風(fēng)源裝置底板在實際運行中，長期經(jīng)受振動、沖擊載荷，其疲勞壽命至關(guān)重要。為此，通過有限元仿真分析，獲得關(guān)鍵零部件的強度、疲勞壽命特性，以確保結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。經(jīng)有限元法進行瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析及隨機振動疲勞分析，各沖擊工況下，安裝框架最大Mises應(yīng)力值小于材料屈服強度，滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求(圖6)；各隨機振動工況下，結(jié)構(gòu)無損傷，應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料疲勞強度，滿足疲勞強度要求(圖7)。

圖6 沖擊載荷最大應(yīng)力分布云圖

圖7 隨機振動應(yīng)力云圖

5.2 隔振計算

風(fēng)源裝置采用組合式減振器，振動傳遞率曲線如圖8所示，當(dāng)電機工作轉(zhuǎn)速為3500 r/min時，隔振效率可達73%[5]，隔振效果明顯。此外，按IEC 61373中1類B級標(biāo)準(zhǔn)對沖擊工況下的響應(yīng)位移進行了計算分析，其中垂向響應(yīng)位移為1.7 mm，沿車輛前進方向橫向響應(yīng)位移為1.7 mm，沿車輛前進方向縱向響應(yīng)位移為2.9 mm，均在可控范圍內(nèi)。

圖8 振動傳遞率曲線

6 試驗驗證

6.1 型式試驗驗證

通過型式試驗驗證，風(fēng)源裝置的供風(fēng)性能、電氣功能及重量符合設(shè)計要求，并順利通過了機械振動烈度、高低溫試驗、沖擊振動試驗、防護等級試驗、電磁兼容試驗、噪聲測試(圖9)、壓縮空氣質(zhì)量測試、頻繁啟動穩(wěn)定性試驗及500 h耐久試驗等，均滿足設(shè)計要求。

圖9 沖擊響應(yīng)曲線

6.2 模擬實際工況的熱管理耐久試驗驗證

通過模擬車輛夾層結(jié)構(gòu)，將風(fēng)源裝置安裝在定制的封閉箱體內(nèi)，并在環(huán)境溫度45 ℃環(huán)境下進行了高溫耐久測試，各關(guān)鍵測點溫度如圖10所示，均在溫度限值范圍內(nèi)。此外，驗證了高溫環(huán)境下的風(fēng)源裝置出口壓縮空氣的壓力露點，測試結(jié)果如圖11所示，壓力露點降超過70 ℃td，壓縮空氣后處理單元性能穩(wěn)定。同時通過在高溫環(huán)境下的頻繁啟停試驗(啟停次數(shù)超過20萬次)，風(fēng)源裝置整機功能正常，其中三相電壓、電流監(jiān)測如圖12所示，該試驗表明風(fēng)源裝置可完全適應(yīng)高速磁浮車輛的特殊工況要求。

圖10 風(fēng)源裝置各關(guān)鍵測點溫度

圖11 風(fēng)源裝置出口壓縮空氣的壓力露點

圖12 風(fēng)源裝置頻繁啟停情況(三相電壓、電流監(jiān)測)

7 結(jié)語

目前，該風(fēng)源裝置已隨首列時速600公里高速磁浮列車下線，實現(xiàn)了工程化應(yīng)用，性能良好，技術(shù)先進，具有廣闊的市場前景。