多流制寬軌客貨運(yùn)機(jī)車高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜設(shè)計(jì)

楊青雨 馬中云 魯廷惠

（1．中車大同電力機(jī)車有限公司檢修事業(yè)部，山西 大同 037038；2．大同賽誠(chéng)軌道交通設(shè)備有限責(zé)任公司二分公司，山西 大同 037038）

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)各型機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的總風(fēng)缸、主壓縮機(jī)、主干燥器、微油過濾器、輔助壓縮機(jī)、輔助干燥器、升弓風(fēng)缸等設(shè)備大多采用分散布置或局部集成布置，未能充分利用機(jī)械間垂直方向空間，整體占用空間較大，影響整車設(shè)備布置。

該文對(duì)ГОСТ軌道交通標(biāo)準(zhǔn)體系的研究，重點(diǎn)是從機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的要求、部件認(rèn)證、設(shè)備布置、主要部件選型分析、主壓縮機(jī)通風(fēng)散熱、柜體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算等方面對(duì)符合ГОСТ標(biāo)準(zhǔn)體系的多流制六軸寬軌客貨運(yùn)電力機(jī)車高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜進(jìn)行研究分析和方案設(shè)計(jì)。

1 機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的要求

1.1 標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 55364關(guān)于客、貨運(yùn)機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的要求

該文研究了標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 55364《電力機(jī)車通用技術(shù)條件》關(guān)于風(fēng)源系統(tǒng)的相關(guān)要求，分析整理了該標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于客、貨運(yùn)機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)要求的相關(guān)條款，具體內(nèi)容如下。1） 電力機(jī)車氣動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該配備壓縮空氣干燥裝置或者配備從壓縮空氣中分離、收集和去除冷凝水的裝置。2） 壓縮空氣干燥系統(tǒng)建議安裝在主風(fēng)缸之前，帶有單室或雙室、自動(dòng)轉(zhuǎn)換、無加熱、吸附劑再生。3） 環(huán)境溫度為零上時(shí)，壓縮機(jī)末端冷卻裝置出口處壓縮空氣溫度不應(yīng)超過環(huán)境溫度15℃，壓縮機(jī)在環(huán)境溫度為零下時(shí)冷卻系統(tǒng)能自動(dòng)斷開。4） 在電力機(jī)車上需安裝主風(fēng)缸和有壓線路中壓縮空氣超壓保護(hù)裝置，當(dāng)壓縮空氣壓力超過壓縮機(jī)規(guī)定工作壓力上限0.1MPa時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)開始起作用。5） 氣動(dòng)裝置應(yīng)該選用防銹材料或者有相應(yīng)涂層的材料。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)СТП 09150.17.038關(guān)于客、貨運(yùn)機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的要求

研究白俄羅斯技術(shù)文件СТП 09150.17.038《白俄羅斯鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)裝置使用條例》，并分析整理了該技術(shù)條例中關(guān)于客、貨運(yùn)機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)要求的條款，具體內(nèi)容如下。1） 總風(fēng)壓力范圍0.75MPa～0.90MPa，允許偏差值為±0.02MPa。2） 列車管在1分鐘的時(shí)間里，其壓降值應(yīng)不超過0.02MPa，或者在2.5分鐘的時(shí)間里，其壓降值應(yīng)不超過0.05MPa；總風(fēng)管在0.8MPa壓力時(shí)，在2.5min的時(shí)間里，其壓降值應(yīng)不超過0.02MPa，或者在6.5min的時(shí)間里，其壓降值應(yīng)不超過0.05MPa。

2 機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)部件認(rèn)證

軌距1520mm，速度200km/h及以下的鐵路機(jī)車以及動(dòng)車組等產(chǎn)品需要滿足認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)TP TC 001 2011《鐵路機(jī)車車輛安全關(guān)稅同盟技術(shù)法規(guī)》的相關(guān)要求，該文根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)分析整理了關(guān)于寬軌客貨運(yùn)機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)需要認(rèn)證的部件，鐵路機(jī)車車輛用的壓縮機(jī)、壓縮機(jī)電機(jī)（大于1千瓦）。

3 高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜設(shè)備布置

高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜集成了主壓縮機(jī)、主干燥器、微油過濾器、輔助壓縮機(jī)、輔助干燥器、升弓風(fēng)缸等主要風(fēng)源部件，為減小風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)備的縱向布置空間，2臺(tái)螺桿式主壓縮機(jī)（排風(fēng)量2.4 m/min）采用上下垂直布置，2臺(tái)吸附再生式主干燥器（額定空氣處理量2.7m/min）采用吊掛安裝方式，垂直布置于風(fēng)源系統(tǒng)柜柜體側(cè)面，2臺(tái)微油過濾器布置于2臺(tái)干燥器旁邊，輔助壓縮機(jī)、輔助干燥器、升弓風(fēng)缸布置于風(fēng)源系統(tǒng)柜柜體上方，三維模型如圖1所示。上、中、下柜體之間通過緊固件聯(lián)接，方便安裝拆卸和檢修維護(hù)。

圖1 高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜三維模型

高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜壓縮空氣依次經(jīng)過主主壓縮機(jī)、主干燥器、微油過濾器、總風(fēng)缸（高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜中未集成總風(fēng)缸部件）。當(dāng)機(jī)車長(zhǎng)時(shí)間停放且總風(fēng)缸中無壓縮空氣時(shí)，輔助壓縮機(jī)優(yōu)先啟動(dòng)，產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)過輔助干燥器進(jìn)入升弓風(fēng)缸，機(jī)車受電弓升起，主壓縮機(jī)啟動(dòng)，產(chǎn)生整車用壓縮空氣。

4 主要部件選型

4.1 主壓縮機(jī)選型

機(jī)車牽引能力是決定風(fēng)源系統(tǒng)主壓縮機(jī)選型的關(guān)鍵因素，此外，還應(yīng)綜合考慮設(shè)備布置的可行性、風(fēng)源系統(tǒng)主要用風(fēng)設(shè)備的容積與壓力范圍、客戶個(gè)性化需求等因素，通過計(jì)算壓縮空氣總消耗量，最終確定主壓縮機(jī)型號(hào)及排風(fēng)量。

活塞式空氣壓縮機(jī)和螺桿式空氣壓縮機(jī)是機(jī)車上常用的兩種主壓縮機(jī)機(jī)型，這兩種空氣壓縮機(jī)都能滿足機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的基本要求，綜合對(duì)比分析如下。

第一，活塞式空氣壓縮機(jī)工作溫度較高，而且輸出的壓縮空氣中含油量大，加重干燥器的工作負(fù)擔(dān)，甚至?xí)?dǎo)致干燥器內(nèi)的干燥劑失效，因此，裝用活塞式空氣壓縮機(jī)的機(jī)車通常需要在空氣壓縮機(jī)與干燥器之間增加油水分離裝置，以降低壓縮空氣中油的含量；同時(shí)，風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)置冷卻管路，以降低壓縮空氣溫度。而螺桿式空氣壓縮機(jī)內(nèi)部自帶油氣分離器及后冷卻器，輸出的壓縮空氣含油量低于5ppm，溫度僅高于環(huán)境溫度10℃～15℃，風(fēng)源系統(tǒng)中不必另外設(shè)置油水分離裝置和冷卻裝置，壓縮空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)輸出之后，可直接進(jìn)入干燥器進(jìn)行干燥，壓縮空氣品質(zhì)較高，同時(shí)節(jié)省了設(shè)備布置空間。

第二，機(jī)車上裝用的活塞式空氣壓縮機(jī)工作效率一般不超過20%，螺桿式空氣壓縮機(jī)工作效率一般不小于30%，滿足同樣的機(jī)車用風(fēng)需求，螺桿式空氣壓縮機(jī)排氣量更小，所用能耗更低。

第三，螺桿式空氣壓縮機(jī)整機(jī)價(jià)格較高，但故障率較低、檢修周期較長(zhǎng)、油耗較低、易損易耗件較少、壽命較長(zhǎng)，全壽命周期維護(hù)成本低。

由于螺桿式空氣壓縮機(jī)輸出壓縮空氣品質(zhì)高、設(shè)備布置所需空間小、工作能耗低、全壽命周期維護(hù)成本低，因此在高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜上選用螺桿式空氣壓縮機(jī)。

多流制六軸寬軌客貨運(yùn)電力機(jī)車牽引按《列車牽引計(jì)算規(guī)程》取4000t級(jí)52輛。

列車制動(dòng)系統(tǒng)容積計(jì)算如下。

列車主管容積見式（1）。

式中：—機(jī)車列車主管長(zhǎng)度，取30m；—車輛列車主管長(zhǎng)度，取15m；1.004—Dg32鋼管的單位長(zhǎng)度容積，L/m；—車輛數(shù)。

列車支管容積見式（2）。

式中：、—機(jī)車（取1.5m）、車輛（取1.5m）的列車支管長(zhǎng)度；0.573—Dg25鋼管的單位長(zhǎng)度容積，L/m。

車輛副風(fēng)缸容積見式（3）。

式中：V—車輛副風(fēng)缸容積，取100L（103制動(dòng)機(jī)）。

機(jī)車與車輛分配閥容積見式（4）。

式中：、—機(jī)車、車輛分配閥容積（包括工作風(fēng)缸等），取11L，取11L。

機(jī)車總風(fēng)缸及聯(lián)管容積，總風(fēng)缸容積取1224L，其聯(lián)管長(zhǎng)度按30m，管路為Dg32鋼管，管路計(jì)算容積為30L。全部制動(dòng)系統(tǒng)容積，=++++=6896L。

列車壓縮空氣消耗量如下。

管路系統(tǒng)的空氣漏泄量見式（5）。

式中：—機(jī)車總風(fēng)系統(tǒng)及車輛副風(fēng)缸漏泄量，取10kPa/min；—列車管系漏泄量，取20kPa/min；—大氣壓力，取100kPa。

常用制動(dòng)再充氣空氣最大消耗量見式（6）。

式中：—最大有效減壓量，按列車管定壓500kPa，取140kPa；—每小時(shí)全制動(dòng)次數(shù)，取=5。

機(jī)車控制與輔助系統(tǒng)空氣消耗量見式（7）。

式中：Q—撒砂用風(fēng)量，取60L/min；Q—風(fēng)喇叭用風(fēng)量，取25L/min；Q—控制系統(tǒng)的風(fēng)動(dòng)電器用風(fēng)量，取10L/min；Q—輔助系統(tǒng)的其他器械用風(fēng)量，取25L/min。

壓縮空氣總消耗量ΣQ見式（8）。

單臺(tái)空氣壓縮機(jī)排氣量見式（9）。

式中：為空氣壓縮機(jī)供風(fēng)效率，取=0.80（螺桿式空氣壓縮機(jī)）。通過以上計(jì)算可以看出1臺(tái)排風(fēng)量約為2.4m/min螺桿式空氣壓縮機(jī)為4000t級(jí)的列車供風(fēng)基本能滿足要求。

4.2 主干燥器選型

經(jīng)過主壓縮機(jī)壓縮的空氣中含有一定的水分，需要經(jīng)過干燥裝置過濾，否則將對(duì)空氣管路系統(tǒng)中的儀表、儀器、設(shè)備造成損害，增加檢修、維修費(fèi)用。由于標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 55364中要求選用帶有單室或雙室、自動(dòng)轉(zhuǎn)換、無加熱、吸附劑再生干燥裝置，以下針對(duì)吸附式干燥器工作原理、工作特點(diǎn)、性能參數(shù)做簡(jiǎn)單介紹，作為干燥器選型參考。

吸附式干燥器采用固體除濕法，干燥劑主要選用比表面積較大、具有大量孔隙的分子篩、鋁膠或硅膠，當(dāng)干燥劑表面水蒸氣的濃度低于壓縮空氣中水蒸氣的濃度時(shí)，壓縮空氣中的水分被干燥劑吸附。為保障吸附式干燥器連續(xù)工作，其內(nèi)部設(shè)有兩室，一室處于工作狀態(tài)，進(jìn)行壓縮空氣干燥；另一室處于再生狀態(tài)，進(jìn)行水分脫附。兩室在電控器的控制下交替工作，確保壓縮空氣進(jìn)入總風(fēng)缸之前全部進(jìn)行干燥。

多流制六軸寬軌客貨運(yùn)電力機(jī)車運(yùn)行環(huán)境溫度-40℃～+75℃，壓縮空氣最低溫度低于-20℃，因此，吸附式干燥器幾乎是唯一選擇。此外，吸附式干燥器運(yùn)用過程中能耗較低，無冷卻水裝置，可用性、可維修性好。

吸附式干燥器又可以細(xì)分為無熱再生式、電加熱再生式、（電熱）微加熱再生式以及（余熱）微加熱再生式4種。其中，無熱再生吸附式干燥器用于再生的壓縮空氣不須加熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是，無熱再生吸附式干燥器用于干燥劑脫附再生的壓縮空氣耗氣量較大，占進(jìn)氣量的15%，在選擇風(fēng)源系統(tǒng)主壓縮機(jī)時(shí)，須重點(diǎn)考慮其排風(fēng)量是否能夠滿足機(jī)車使用要求。

綜上所述，從備用冗余的角度考慮，高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜采用2臺(tái)排氣量為2.4m/min的螺桿式空氣壓縮機(jī)、2臺(tái)額定空氣處理量為2.7m/min的無加熱吸附再生式干燥器，以滿足4000t級(jí)列車供風(fēng)要求，提高機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

5 空氣壓縮機(jī)通風(fēng)散熱解決方案

5.1 空氣壓縮機(jī)通風(fēng)散熱方案

高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜兩臺(tái)壓縮機(jī)上下垂直布置，雖然節(jié)省了空間，但是也給壓縮機(jī)散熱帶來了較大影響。為保障兩臺(tái)壓縮機(jī)正常工作，滿足壓縮機(jī)潤(rùn)滑油溫度和出口處壓縮空氣溫度的限定要求，該文對(duì)壓縮機(jī)外部冷卻通風(fēng)道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，三維模型如圖2所示。

圖2 冷卻通風(fēng)道三維模型

高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)壓縮機(jī)采用獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)，具有可控的兩個(gè)散熱通道，冬季時(shí)將壓縮機(jī)的散熱風(fēng)排向車內(nèi)，夏季時(shí)排向車外，既有利于壓縮機(jī)的通風(fēng)散熱，又能調(diào)節(jié)機(jī)械間的溫度。冷卻通風(fēng)道需要具備導(dǎo)引空氣流向的功能，同時(shí)確保滿足散熱所需的空氣流量及流速要求。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量減少風(fēng)道中的壓力損失，如果沿程壓力損失和局部壓力損失控制不好，將會(huì)降低風(fēng)量，并且增大噪聲。

夏季時(shí)，將冬季出風(fēng)口封堵，通過下部出風(fēng)口將熱風(fēng)排到機(jī)械間外部，避免機(jī)械間內(nèi)部溫度過高；冬季時(shí)，將冬季出風(fēng)口打開，熱風(fēng)直接吹入機(jī)械間，調(diào)節(jié)機(jī)械間溫度。

5.2 風(fēng)道材料的選擇

風(fēng)道材料通常要求質(zhì)量輕、有足夠的強(qiáng)度和剛度、抗腐蝕、耐高溫、壽命長(zhǎng)?？紤]到空氣壓縮機(jī)之后的散熱風(fēng)道布置于走廊一側(cè)，為防止溫度過高燙傷車上人員，采用內(nèi)外兩層金屬殼中間夾隔熱材料的隔熱風(fēng)道?？諝鈮嚎s機(jī)之前的冷卻空氣通道采用薄鋼板，便于風(fēng)道各部分之間的焊接拼裝，保證風(fēng)道密閉性。

6 柜體強(qiáng)度計(jì)算分析

6.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563-2018《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》，模擬柜體的6種沖擊載荷工況，見表1。

表1 沖擊載荷工況

在沖擊載荷工況下，風(fēng)源系統(tǒng)柜骨架各處的von-Mises應(yīng)力均應(yīng)小于材料S355J2G4的屈服強(qiáng)度σ=355MPa。

經(jīng)過靜強(qiáng)度仿真計(jì)算，在各沖擊載荷工況下，高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜柜體最大等效應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度355MPa，靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563-2018的要求。

6.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1-2010 《鐵路應(yīng)用—鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車和客車》，模擬柜體的8種疲勞載荷工況，見表2。

表2 疲勞載荷工況

在疲勞載荷工況下，骨架焊縫各處平均應(yīng)力及最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力均應(yīng)在其對(duì)應(yīng)的Goodman疲勞極限界限圖內(nèi)。

其中、確定步驟如下。1） 確定焊縫上每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同載荷工況作用下的主應(yīng)力值和方向。2） 取所有載荷工況作用下骨架焊縫應(yīng)力最大的第1主應(yīng)力方向?yàn)榛緫?yīng)力方向，其值為最大主應(yīng)力。3） 將所有載荷工況作用下的主應(yīng)力投影到已確定的最大主應(yīng)力方向上，其投影值最小的應(yīng)力值確定為最小主應(yīng)力。4） 由最大和最小應(yīng)力值計(jì)算平均應(yīng)力，見式（10）。

表2所列各工況的仿真計(jì)算結(jié)果疊加后，將所有焊縫的平均應(yīng)力和最大、最小主應(yīng)力分別輸入Goodman疲勞極限界限圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 焊縫疲勞極限圖

在各疲勞載荷工況下，高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜柜體各焊縫的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均位于Goodman疲勞極限界限圖內(nèi)，疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1-2010的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

高度集成化風(fēng)源系統(tǒng)柜集成了除總風(fēng)缸以外的全部風(fēng)源系統(tǒng)部件，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及壓縮機(jī)在狹小空間內(nèi)的通風(fēng)散熱要求。與中白2型貨運(yùn)電力機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)備布置相比，節(jié)省縱向尺寸500mm左右，能夠有效緩解設(shè)備布置空間緊張的問題，尤其對(duì)六軸機(jī)車機(jī)械間設(shè)備布置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，高度集成化設(shè)計(jì)提升了機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)水平。