一種軌道車輛空調(diào)電子膨脹閥調(diào)節(jié)的試驗調(diào)試與計算方法

呂艷宗 王宏宇 韓 冰

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一種軌道車輛空調(diào)電子膨脹閥調(diào)節(jié)的試驗調(diào)試與計算方法

呂艷宗 王宏宇 韓 冰

（中車青島四方車輛研究所有限公司 青島 266000）

介紹了某型號軌道車輛空調(diào)電子膨脹閥調(diào)節(jié)的試驗調(diào)試過程，通過調(diào)節(jié)膨脹閥的開度以使壓縮機排氣溫度逼近到相應(yīng)目標(biāo)值。試驗中依次確定了閥的初始最短可調(diào)時間、調(diào)節(jié)時間間隔和調(diào)節(jié)步距。進而在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上總結(jié)了一種電子膨脹閥調(diào)節(jié)的計算方法，計算結(jié)果與空調(diào)機組的試驗數(shù)據(jù)較為吻合。通過該方法計算并控制電子膨脹閥的調(diào)節(jié)，使排氣溫度變化過程平滑連續(xù)，滿足排氣溫度的變化響應(yīng)和穩(wěn)定性要求，并為其它空調(diào)控制電子膨脹閥的調(diào)節(jié)提供了借鑒。

軌道車輛空調(diào)；電子膨脹閥；試驗調(diào)試；調(diào)節(jié)計算方法

0 引言

目前，軌道交通車輛應(yīng)用的空調(diào)設(shè)備以定速空調(diào)機組為主，少數(shù)采用變頻空調(diào)，系統(tǒng)中的節(jié)流裝置以毛細管為主，少數(shù)采用熱力膨脹閥。近幾年隨著變頻技術(shù)逐步應(yīng)用到軌道交通車輛空調(diào)，作為先進的節(jié)流裝置－電子膨脹閥的應(yīng)用也逐漸增多。但目前本領(lǐng)域電子膨脹閥的調(diào)節(jié)方法總體處于試驗摸索階段，適合軌道交通車輛空調(diào)簡潔、可靠的電子膨脹閥調(diào)節(jié)方法需要及時提煉總結(jié)。

受應(yīng)用環(huán)境及產(chǎn)品維護特點的要求，軌道車輛空調(diào)適合以較少的控制信號實現(xiàn)空調(diào)功能，而其它行業(yè)空調(diào)設(shè)備中常用的以過熱度控制電子膨脹閥調(diào)節(jié)的方法需要采集的溫度信號較多，在此應(yīng)盡量避免。

以一定控制策略下的壓縮機排氣溫度為目標(biāo)，對電子膨脹閥進行開度調(diào)節(jié)是軌道交通車輛空調(diào)較為適用的方法之一。本文主要論述了如何調(diào)整電子膨脹閥的開度，從而使壓縮機排氣溫度快速靠近目標(biāo)溫度，同時又不引起排氣溫度過度震蕩，并最終穩(wěn)定在目標(biāo)排氣溫度附近。

本文以某型號采用全程500步電子膨脹閥的空調(diào)機組為例，介紹電子膨脹閥的調(diào)節(jié)方法和調(diào)試過程。

在空調(diào)設(shè)計和試驗調(diào)試中，由于制冷和制熱模式下的目標(biāo)排氣溫度不同，電子膨脹閥的開度范圍也不相同，首先通過試驗調(diào)試確定各模式下電子膨脹閥的初始開度，見表1。

表1 電子膨脹閥的初始開度

1 確定初始最短可調(diào)時間

壓縮機剛啟動時，由于其排氣溫度存在一個由初始溫度上升然后到穩(wěn)定的過程（圖1）。根據(jù)這個特點，電子膨脹閥在壓縮機啟動后1時間內(nèi)應(yīng)保持初始開度，直至制冷系統(tǒng)建立起相對穩(wěn)定的狀態(tài)后再開始調(diào)節(jié)。經(jīng)過試驗確定本機以制冷時5分鐘、制熱時3分鐘為電子膨脹閥最短允許可調(diào)時間。

圖1 壓縮機啟動時排氣溫度的變化過程

2 確定調(diào)節(jié)時間間隔

所用電子膨脹閥的技術(shù)規(guī)格要求其調(diào)節(jié)速度應(yīng)處于30～90pps之間，結(jié)合空調(diào)機組制冷系統(tǒng)的特性本機采用了50pps。而壓縮機的排氣溫度相對于閥的調(diào)節(jié)速度則是一個慢速響應(yīng)對象，因此需要設(shè)置電子膨脹閥調(diào)節(jié)最短時間間隔，從而避免調(diào)整過快引起排氣溫度超調(diào)震蕩。

在試驗調(diào)試中分別以5步、10步為調(diào)整步距進行試驗驗證，同時監(jiān)測排氣溫度的變化響應(yīng)。經(jīng)過多次重復(fù)試驗統(tǒng)計，排氣溫度在調(diào)整膨脹閥開度100～150秒后達到新的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)試驗情況本機采用120秒為調(diào)節(jié)時間間隔。

3 確定調(diào)節(jié)步距

電子膨脹閥的調(diào)節(jié)步距過小造成系統(tǒng)響應(yīng)遲滯，過大則系統(tǒng)震蕩，甚至發(fā)散失控，因此選擇合適的調(diào)節(jié)步距非常關(guān)鍵。試驗首先對制冷模式下電子膨脹閥的調(diào)節(jié)步距進行調(diào)試，得到較為合適的調(diào)節(jié)步距見表2（Δ：實際排氣溫度與目標(biāo)排氣溫度的差值）。

表2 制冷模式基礎(chǔ)調(diào)節(jié)步距

由于電子膨脹閥在制熱模式下的初始開度較小，經(jīng)過試驗調(diào)試得到的調(diào)節(jié)步距也相對較小（表3）。

表3 制熱模式基礎(chǔ)調(diào)節(jié)步距

在以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)安全角度出發(fā)，當(dāng)壓縮機排氣溫度高于目標(biāo)排氣溫度時應(yīng)較快速的使排氣溫度下降以迅速減小系統(tǒng)負荷。因此在以上方法基礎(chǔ)上增加了對實際排氣溫度高于目標(biāo)排氣溫度時更快速調(diào)節(jié)的試驗驗證，確定了﹥_obj時的調(diào)節(jié)步距（：實際排氣溫度；_obj：目標(biāo)排氣溫度），見表4、表5。

表4 制冷模式快速調(diào)節(jié)步距

表5 制熱模式快速調(diào)節(jié)步距

綜合以上數(shù)據(jù)形成的電子膨脹閥調(diào)節(jié)步距如下表6、表7。

表6 制冷模式下調(diào)節(jié)步距

表7 制熱模式下調(diào)節(jié)步距

該型號空調(diào)機組的電子膨脹閥采用以上調(diào)節(jié)方法能夠使壓縮機排氣溫度的響應(yīng)震蕩在可控范圍之內(nèi)，同時能較快逼近目標(biāo)排氣溫度，基本滿足了空調(diào)機組的控制要求。

4 電子膨脹閥調(diào)節(jié)計算方法

4.1 計算公式

根據(jù)以上試驗調(diào)試形成的電子膨脹閥調(diào)節(jié)方法，總結(jié)形成了以下公式：

式中：V為電子膨脹閥調(diào)節(jié)步數(shù)；為計算系數(shù)；為快速調(diào)節(jié)系數(shù)（排氣溫度過高時）；V_std為額定工況電子膨脹閥初始開度；V_max為電子膨脹閥的最大開度；為壓縮機排氣溫度；TP為壓縮機目標(biāo)排氣溫度；Δ_max為用于計算的排氣溫度差值最大值；V_max為電子膨脹閥調(diào)節(jié)最大步數(shù)。

確定了計算公式后，還需要對相關(guān)參數(shù)和計算結(jié)果作出限制約束。以文中調(diào)試的空調(diào)機組為例：V_max取480、|-TP|最大取10℃、Δ_max為10℃、V_max為10步（表2的試驗數(shù)據(jù)-制冷模式基礎(chǔ)調(diào)節(jié)步距）；計算結(jié)果V需滿足：V_min﹤V﹤V_max。其中V_min的取值與選用的電子膨脹閥型號有關(guān)，其必須避免空調(diào)運行時調(diào)閥到完全關(guān)閉狀態(tài)。

利用公式計算時，若高于TP則計算出調(diào)節(jié)步數(shù)V為正，即需要增加電子膨脹閥的開度；反之，當(dāng)?shù)陀?i>TP時計算的調(diào)節(jié)步數(shù)為負，則需要減小電子膨脹閥的開度。

對于排氣溫度過高需要快速增大電子膨脹閥開度的情況，在公式中通過系數(shù)體現(xiàn)。當(dāng)實際排氣溫度低于目標(biāo)排氣溫度時取值為1；而排氣溫度高于目標(biāo)排氣溫度時取大于1的值，依據(jù)表6的試驗數(shù)據(jù)本機組的調(diào)節(jié)中為1.6。

4.2 系數(shù)a的確定方法

依據(jù)表6制冷模式的試驗數(shù)據(jù)可用圖2表示。

圖2 試驗調(diào)試的制冷模式電子膨脹閥的調(diào)節(jié)

圖3 公式計算制冷模式電子膨脹閥的調(diào)節(jié)

以圖2中的s點，系數(shù)為1的情況，制冷額定工況時電子膨脹閥的開度V_std為240步、V_max為480步、Δ_max為10℃、V_max為10步，代入公式：

當(dāng)壓縮機排氣溫度低于目標(biāo)排氣溫度10℃時調(diào)節(jié)的步數(shù)V應(yīng)為-10。進一步將數(shù)據(jù)代入公式：

計算出系數(shù)=2。

此時驗證壓縮機排氣溫度低于目標(biāo)排氣溫度6℃時，計算得到的調(diào)節(jié)步數(shù)：

符合試驗結(jié)果。

以圖2為基礎(chǔ)可描繪出利用公式計算電子膨脹閥調(diào)整時的趨勢（圖3）。

對制熱模式下電子膨脹閥的初始開度與制冷模式不在同一區(qū)域的情況，用此公式進行代入驗證。制熱額定工況時電子膨脹閥的初始開度V_std為120步、V_max為480步、Δ_max為10℃、V_max為10步。驗證壓縮機排氣溫度低于目標(biāo)排氣溫度10℃時計算得到的調(diào)節(jié)步數(shù)：

排氣溫度低于目標(biāo)排氣溫度6℃時，計算得到調(diào)節(jié)步數(shù)：

計算結(jié)果與試驗調(diào)試的結(jié)果較為接近且趨勢一致。

在公式計算中若出現(xiàn)制熱模式的計算結(jié)果與試驗調(diào)試數(shù)據(jù)相差太大的情況，則可以采用與制冷模式不同的計算系數(shù)來解決此問題。

以公式為基礎(chǔ)編制程序?qū)照{(diào)電子膨脹閥進行調(diào)節(jié)控制并進行試驗驗證，此方法消除了調(diào)整的臺階，使調(diào)整過程中排氣溫度的變化更加平滑。

5 總結(jié)

應(yīng)用文中總結(jié)的公式計算電子膨脹閥的開度調(diào)節(jié)，在空調(diào)機組上應(yīng)用并通過試驗驗證，系統(tǒng)響應(yīng)較快且震蕩較小，能使壓縮機排氣溫度較快穩(wěn)定在目標(biāo)排氣溫度附近，達到了較好的控制效果。同時也為其它軌道車輛空調(diào)的電子膨脹閥調(diào)節(jié)提供了借鑒。

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Test process and calculation method of electronic expansion valve adjustment for rail vehicle air conditioner

Lv yanzong Wang hongyu Han bing

( CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co., Ltd, Qingdao, 266000 )

This paper introduces the test process of the electronic expansion valve adjustment of a certain type of railway vehicle, and how to adjust the opening degree of the expansion valve to make the compressor exhaust temperature close to the corresponding target value.The initial adjustment time of the valve, adjusting time interval and adjusting step were determined in the experiment. Based on the experimental data, the calculation method of the electronic expansion valve adjustment is summarized. The calculation results are in good agreement with the test data of the air conditioner. By the method of calculation and control of electronic expansion valve, exhaust temperature changes more smoothly, to meet the change of exhaust temperature response and stability requirements, and provide a reference to control other air-conditioning electronic expansion valve.

rail vehicle air conditioner; electronic expansion valve; adjustment test; Adjustment calculation method

1671-6612（2017）05-496-04

TK321

A

2017-01-05

作者（通訊作者）簡介：呂艷宗（1980.2-），男，研究生，工程師，E-mail：cnr_lvyanzong@126.com