中低速磁浮車輛供風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計研究

尹 根,高小波,楊錦灝

（中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001）

0 引言

中低速磁浮車輛基礎(chǔ)制動采用夾鉗與F軌摩擦配合的方式來獲得制動力，與普遍采用空氣制動系統(tǒng)的傳統(tǒng)城市軌道交通車輛相比，為獲得更高的制動壓力，中低速磁浮車輛采用全液壓制動系統(tǒng)。因此，中低速磁浮車輛對供風(fēng)系統(tǒng)的性能要求低于傳統(tǒng)的城市軌道交通車輛，如排氣量、供氣質(zhì)量等。雖然無須給制動系統(tǒng)供氣，但供風(fēng)系統(tǒng)仍需要給空簧、汽笛等用氣設(shè)備提供壓縮空氣。尤其為空簧提供充足的壓縮空氣，可有效保障車輛懸浮的穩(wěn)定性，提高乘客的舒適性。該文將逐一介紹中低速磁浮車輛的供風(fēng)系統(tǒng)組成、空氣壓縮機的型式及其排氣量與風(fēng)缸容積的計算方法。最后以某中低速磁浮項目為例，運用該方法對其供風(fēng)系統(tǒng)能力進行驗證。

1 供風(fēng)系統(tǒng)組成

中低速磁浮車輛供風(fēng)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，其主要由供風(fēng)單元、輔助氣控單元、總風(fēng)缸、空簧風(fēng)缸、懸掛系統(tǒng)組成。懸掛系統(tǒng)是主要用風(fēng)系統(tǒng)，其主要包含空簧和引導(dǎo)空簧充排氣的高度閥。

圖1 供風(fēng)系統(tǒng)氣路原理圖

1.1 供風(fēng)單元

供風(fēng)單元的功能是為整車用氣設(shè)備提供清潔、干燥的壓縮空氣，其主要由空氣壓縮機、干燥器、安全閥等部件組成。圖2所示為一種供風(fēng)單元的氣路原理示意圖。

圖2 供風(fēng)單元氣路原理示意圖

空氣經(jīng)空氣濾清器（A01.01）過濾后，被壓縮機組（A01.02）加壓至最大工作壓力，然后經(jīng)油濾器（A01.05）、單向閥（A02）后進入干燥器（A03），干燥后的壓縮空氣經(jīng)過壓力維持閥（A04）流入總風(fēng)管路。安全閥（A01.03和A06）用于避免壓縮空氣超過最大工作壓力，損壞氣路設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過安全閥的設(shè)置值，安全閥將開啟排風(fēng)，保證系統(tǒng)不過壓。

1.2 輔助氣控單元

輔助氣控單元的功能是為空簧提供壓縮空氣控制，確保壓縮空氣的壓力在設(shè)備正常使用范圍。同時，采集總風(fēng)、空簧的壓力信息傳送給電子制動控制單元或車輛控制單元，用于狀態(tài)監(jiān)控和制動力計算。

輔助控制裝置主要由單向閥、溢流閥、壓力開關(guān)、壓力傳感器等部件組成。圖3所示為輔助氣控單元的原理示意圖。

圖3 輔助氣控單元原理示意圖

壓縮空氣經(jīng)球閥（.01）、過濾器（.02）、單向閥（.07）和溢流閥（.08）后流入空簧。壓力開關(guān)（.03和0.4）和壓力傳感器（.05）用于總風(fēng)壓力監(jiān)控。壓力傳感器（.11和.13）用于空簧壓力的采集，以便計算車輛的載荷。

2 空氣壓縮機型式

按潤滑方式，空氣壓縮機分為有油壓縮機和無油壓縮機兩種類型。目前，有油壓縮機和無油壓縮機均被中低速磁浮車輛使用，如長沙磁浮機場線采用有油壓縮機、鳳凰磁浮列車采用無油壓縮機。相對于有油壓縮機，無油壓縮機首先工作過程中不使用潤滑油。因此，無須配置濾油器，也無須定期更換潤滑油，降低維護成本，減少廢油對環(huán)境的污染。其次，有油壓縮機為防止?jié)櫥腿榛髩嚎s機的工作率不低于30%。而無油壓縮機不存在乳化問題，其工作率可為0%~100%，能更好地滿足中低速磁浮車輛靈活的運行安排要求，延長壓縮機的使用壽命。最后，無油壓縮機采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，振動小，能更好地適應(yīng)中低速磁浮車輛設(shè)備多、安裝空間有限的特點。此外，雖然無油壓縮機初始投資成本較高，但由于能耗低、無油、備品備件數(shù)量少等特點，其全壽命周期成本比有油壓縮機低。因此，中低速磁浮車輛更推薦使用無油壓縮機，用于中低速磁浮車輛的無油壓縮機主要有渦旋式和活塞式兩種。與活塞式相比，渦旋式壓縮機為第三代壓縮機產(chǎn)品[1]。首先，由于無進氣閥等易損件，組成渦旋式壓縮機的零部件少于活塞式壓縮機，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高的特點。其次，驅(qū)動動渦盤運動的偏心軸可以高速旋轉(zhuǎn)，但動渦盤與主軸等運動部件的力矩變化小，平衡性高，振動小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。同時，壓縮機的壓縮腔為多室壓縮機構(gòu)，吸排氣過程幾乎連續(xù)進行，因此，渦旋式壓縮機的噪聲低于活塞式壓縮機。最后，渦旋式壓縮機無余隙容積，相鄰腔室內(nèi)的壓力差近似連續(xù)變化。同時，動、靜渦盤端面接觸部的密封條依靠軸向背壓被壓緊，實現(xiàn)良好的密封效果，幾乎不存在內(nèi)泄漏，使壓縮機能夠保持高容積效率運行，具有能耗小、效率高及延長使用壽命的優(yōu)點[2]。但由于加工工藝復(fù)雜，密封要求高，導(dǎo)致渦旋式壓縮機的成本高于活塞式壓縮機。

3 空氣消耗量計算

中低速磁浮車輛空氣壓縮機供風(fēng)能力的確定需要綜合考慮空簧、汽笛等用氣設(shè)備的耗氣量、管路的泄漏量及風(fēng)缸容積大小的影響。

3.1 空簧

空簧的耗氣主要分為靜態(tài)耗氣和動態(tài)耗氣，其耗氣行為通過高度閥充排氣完成。靜態(tài)耗氣是指車輛停車后，由于乘客上下車導(dǎo)致高度閥充排氣而產(chǎn)生的耗氣。而動態(tài)耗氣是指車輛運行過程中，由于車輛擺動導(dǎo)致高度閥充排氣而產(chǎn)生的耗氣。

（1）空簧的靜態(tài)耗氣量QAS,s_veh：

式中，kAS——經(jīng)驗值，負(fù)載變化引起的耗氣因數(shù)；

Ns——每分鐘列車經(jīng)過的站點數(shù)；

nAs——每節(jié)車的空簧數(shù)量；

Vs,i——每節(jié)車空簧的容積（含附件氣室及管路）；

pmax——最大載荷時的空簧平均壓力；

pmin——空載時的空簧平均壓力；

P0——大氣壓力。

（2）空簧的動態(tài)耗氣量QAS,s_veh：

式中，nLV——每節(jié)車高度閥數(shù)量；

qd——單個高度閥的排氣量；

tdyn——站間平均運行時間；

ts——站間平均耗時（含站停時間）。

3.2 汽笛

汽笛每次鳴響的耗氣量QHO_veh：

式中，kHO——估算系數(shù)，汽笛的工作率；

Ns——每分鐘列車經(jīng)過的站點數(shù)；

qHO——汽笛每分鐘的耗氣量；

tHO——單次鳴笛持續(xù)的時間；

nHO——同時工作的汽笛數(shù)量。

3.3 管路泄漏量

管路的泄漏量QLeak_veh：

式中，qLeak——系統(tǒng)每分鐘的泄漏量；

Vp,i——每節(jié)車總風(fēng)管路的容積；

VR,i——每節(jié)車所有風(fēng)缸的容積。

4 供風(fēng)能力計算

列車普遍配有兩臺空氣壓縮機，初充風(fēng)要求兩臺壓縮機同時工作時，可以在規(guī)定時間內(nèi)，將總風(fēng)管壓力由0升至最大工作壓力。而當(dāng)一臺壓縮機故障時，單臺壓縮機的供氣也能滿足整車的用氣需求，即在規(guī)定時間內(nèi)將總風(fēng)管壓力由最小工作壓力升至最大工作壓力。

（1）兩臺壓縮機同時工作的供風(fēng)能力計算：

式中，tCharge——空壓機充氣時間；

VR_veh——整車風(fēng)缸容積；

Vp_veh——整車總風(fēng)管容積；

VAS_veh——整車空簧的容積（含附件氣室及管路）；

pmax——正常情況下，系統(tǒng)工作壓力的最大值；

PAS_min——空載時空簧對應(yīng)的平均壓力；

Pstart——開始充氣時的總風(fēng)壓力；

ncomp——整車空氣壓縮機的數(shù)量；

Qcomp——單臺壓縮機的凈排氣量。

（2）單臺壓縮機同時工作的供風(fēng)能力計算：

式中，tCharge——空壓機充氣時間；

VR_veh——整車風(fēng)缸容積；

Vp_veh——整車總風(fēng)管容積；

pmax——正常情況下，系統(tǒng)工作壓力的最大值；

pmin——正常情況下，系統(tǒng)工作壓力的最小值；

Qcomp——單臺壓縮機的凈排氣量。

5 風(fēng)缸容量需求計算

中低速磁浮車輛僅配置總風(fēng)缸和空簧風(fēng)缸，總風(fēng)缸主要用于給所有用氣設(shè)備提供緊急情況下的供氣。空簧風(fēng)缸主要用于給空簧供氣。當(dāng)整車壓縮機均故障時，所有風(fēng)缸存儲的壓縮空氣應(yīng)至少保證車輛運行至下一站，保障乘客的安全。

（1）總風(fēng)缸的容積VMR_veh：

式中，VMR_veh——整車總風(fēng)缸容積；

ts_max——站間最長耗時。

（2）所有風(fēng)缸容積VR_veh：

采用上式計算過程中，應(yīng)考慮最惡劣的工況，如載荷變化由空載向最大載荷變化。此外，上式計算的結(jié)果為所需的最小容積，實際設(shè)計選型時，可以根據(jù)設(shè)備安裝空間等增大風(fēng)缸的容積，更好地滿足用風(fēng)需求。

6 實例驗證與結(jié)論

某中低速磁浮項目采用三節(jié)編組，其供風(fēng)系統(tǒng)的配置及參數(shù)如表1所示。

表1 供風(fēng)系統(tǒng)配置

車輛站間平均運行時間tdyn為4.95min，平均耗時ts為5.45 min，每分鐘列車經(jīng)過的站點數(shù)Ns為0.18。車輛空載時，空簧的工作壓力為4.0 bar，最大載荷時，空簧的工作壓力為5.3 bar。車輛正常運行的最低總風(fēng)壓力為7 bar，最大總風(fēng)壓力為9 bar。該項目要求供風(fēng)系統(tǒng)初充風(fēng)時間不超過15 min。

根據(jù)以上公式和參數(shù)計算得到整車總風(fēng)缸的容積VMR_veh應(yīng)不小于102.42 L，所有風(fēng)缸的容積應(yīng)不小于402 L。而磁浮車輛配置的總風(fēng)缸總?cè)莘e為135 L，所有風(fēng)缸容積為405 L，因此，風(fēng)缸儲風(fēng)容量滿足整車的用風(fēng)要求。

列車的初充風(fēng)（由0升至9 bar）的時間tCharge為10.57 min，因此，壓縮機的供風(fēng)能力滿足初充風(fēng)時間不超過15 min的要求。