多流制寬軌客貨運機車高度集成化風源系統柜設計

楊青雨 馬中云 魯廷惠

（1．中車大同電力機車有限公司檢修事業部，山西 大同 037038；2．大同賽誠軌道交通設備有限責任公司二分公司，山西 大同 037038）

0 引言

當前，國內各型機車風源系統的總風缸、主壓縮機、主干燥器、微油過濾器、輔助壓縮機、輔助干燥器、升弓風缸等設備大多采用分散布置或局部集成布置，未能充分利用機械間垂直方向空間，整體占用空間較大，影響整車設備布置。

該文對ГОСТ軌道交通標準體系的研究，重點是從機車風源系統的要求、部件認證、設備布置、主要部件選型分析、主壓縮機通風散熱、柜體結構強度計算等方面對符合ГОСТ標準體系的多流制六軸寬軌客貨運電力機車高度集成化風源系統柜進行研究分析和方案設計。

1 機車風源系統的要求

1.1 標準ГОСТ 55364關于客、貨運機車風源系統的要求

該文研究了標準ГОСТ 55364《電力機車通用技術條件》關于風源系統的相關要求，分析整理了該標準中關于客、貨運機車風源系統要求的相關條款，具體內容如下。1） 電力機車氣動系統應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） 壓縮空氣干燥系統建議安裝在主風缸之前，帶有單室或雙室、自動轉換、無加熱、吸附劑再生。3） 環境溫度為零上時，壓縮機末端冷卻裝置出口處壓縮空氣溫度不應超過環境溫度15℃，壓縮機在環境溫度為零下時冷卻系統能自動斷開。4） 在電力機車上需安裝主風缸和有壓線路中壓縮空氣超壓保護裝置，當壓縮空氣壓力超過壓縮機規定工作壓力上限0.1MPa時，保護系統開始起作用。5） 氣動裝置應該選用防銹材料或者有相應涂層的材料。

1.2 標準СТП 09150.17.038關于客、貨運機車風源系統的要求

研究白俄羅斯技術文件СТП 09150.17.038《白俄羅斯鐵路機車車輛制動裝置使用條例》，并分析整理了該技術條例中關于客、貨運機車風源系統要求的條款，具體內容如下。1） 總風壓力范圍0.75MPa～0.90MPa，允許偏差值為±0.02MPa。2） 列車管在1分鐘的時間里，其壓降值應不超過0.02MPa，或者在2.5分鐘的時間里，其壓降值應不超過0.05MPa；總風管在0.8MPa壓力時，在2.5min的時間里，其壓降值應不超過0.02MPa，或者在6.5min的時間里，其壓降值應不超過0.05MPa。

2 機車風源系統部件認證

軌距1520mm，速度200km/h及以下的鐵路機車以及動車組等產品需要滿足認證標準TP TC 001 2011《鐵路機車車輛安全關稅同盟技術法規》的相關要求，該文根據此標準分析整理了關于寬軌客貨運機車風源系統需要認證的部件，鐵路機車車輛用的壓縮機、壓縮機電機（大于1千瓦）。

3 高度集成化風源系統柜設備布置

高度集成化風源系統柜集成了主壓縮機、主干燥器、微油過濾器、輔助壓縮機、輔助干燥器、升弓風缸等主要風源部件，為減小風源系統設備的縱向布置空間，2臺螺桿式主壓縮機（排風量2.4 m/min）采用上下垂直布置，2臺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，垂直布置于風源系統柜柜體側面，2臺微油過濾器布置于2臺干燥器旁邊，輔助壓縮機、輔助干燥器、升弓風缸布置于風源系統柜柜體上方，三維模型如圖1所示。上、中、下柜體之間通過緊固件聯接，方便安裝拆卸和檢修維護。

圖1 高度集成化風源系統柜三維模型

高度集成化風源系統柜壓縮空氣依次經過主主壓縮機、主干燥器、微油過濾器、總風缸（高度集成化風源系統柜中未集成總風缸部件）。當機車長時間停放且總風缸中無壓縮空氣時，輔助壓縮機優先啟動，產生壓縮空氣，經過輔助干燥器進入升弓風缸，機車受電弓升起，主壓縮機啟動，產生整車用壓縮空氣。

4 主要部件選型

4.1 主壓縮機選型

機車牽引能力是決定風源系統主壓縮機選型的關鍵因素，此外，還應綜合考慮設備布置的可行性、風源系統主要用風設備的容積與壓力范圍、客戶個性化需求等因素，通過計算壓縮空氣總消耗量，最終確定主壓縮機型號及排風量。

活塞式空氣壓縮機和螺桿式空氣壓縮機是機車上常用的兩種主壓縮機機型，這兩種空氣壓縮機都能滿足機車風源系統的基本要求，綜合對比分析如下。

第一，活塞式空氣壓縮機工作溫度較高，而且輸出的壓縮空氣中含油量大，加重干燥器的工作負擔，甚至會導致干燥器內的干燥劑失效，因此，裝用活塞式空氣壓縮機的機車通常需要在空氣壓縮機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，風源系統設置冷卻管路，以降低壓縮空氣溫度。而螺桿式空氣壓縮機內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，溫度僅高于環境溫度10℃～15℃，風源系統中不必另外設置油水分離裝置和冷卻裝置，壓縮空氣經空氣壓縮機輸出之后，可直接進入干燥器進行干燥，壓縮空氣品質較高，同時節省了設備布置空間。

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

第三，螺桿式空氣壓縮機整機價格較高，但故障率較低、檢修周期較長、油耗較低、易損易耗件較少、壽命較長，全壽命周期維護成本低。

由于螺桿式空氣壓縮機輸出壓縮空氣品質高、設備布置所需空間小、工作能耗低、全壽命周期維護成本低，因此在高度集成化風源系統柜上選用螺桿式空氣壓縮機。

多流制六軸寬軌客貨運電力機車牽引按《列車牽引計算規程》取4000t級52輛。

列車制動系統容積計算如下。

列車主管容積見式（1）。

式中：—機車列車主管長度，取30m；—車輛列車主管長度，取15m；1.004—Dg32鋼管的單位長度容積，L/m；—車輛數。

列車支管容積見式（2）。

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

車輛副風缸容積見式（3）。

式中：V—車輛副風缸容積，取100L（103制動機）。

機車與車輛分配閥容積見式（4）。

式中：、—機車、車輛分配閥容積（包括工作風缸等），取11L，取11L。

機車總風缸及聯管容積，總風缸容積取1224L，其聯管長度按30m，管路為Dg32鋼管，管路計算容積為30L。全部制動系統容積，=++++=6896L。

列車壓縮空氣消耗量如下。

管路系統的空氣漏泄量見式（5）。

式中：—機車總風系統及車輛副風缸漏泄量，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；—每小時全制動次數，取=5。

機車控制與輔助系統空氣消耗量見式（7）。

式中：Q—撒砂用風量，取60L/min；Q—風喇叭用風量，取25L/min；Q—控制系統的風動電器用風量，取10L/min；Q—輔助系統的其他器械用風量，取25L/min。

壓縮空氣總消耗量ΣQ見式（8）。

單臺空氣壓縮機排氣量見式（9）。

式中：為空氣壓縮機供風效率，取=0.80（螺桿式空氣壓縮機）。通過以上計算可以看出1臺排風量約為2.4m/min螺桿式空氣壓縮機為4000t級的列車供風基本能滿足要求。

4.2 主干燥器選型

經過主壓縮機壓縮的空氣中含有一定的水分，需要經過干燥裝置過濾，否則將對空氣管路系統中的儀表、儀器、設備造成損害，增加檢修、維修費用。由于標準ГОСТ 55364中要求選用帶有單室或雙室、自動轉換、無加熱、吸附劑再生干燥裝置，以下針對吸附式干燥器工作原理、工作特點、性能參數做簡單介紹，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，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工作，其內部設有兩室，一室處于工作狀態，進行壓縮空氣干燥；另一室處于再生狀態，進行水分脫附。兩室在電控器的控制下交替工作，確保壓縮空氣進入總風缸之前全部進行干燥。

多流制六軸寬軌客貨運電力機車運行環境溫度-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，結構簡單。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，占進氣量的15%，在選擇風源系統主壓縮機時，須重點考慮其排風量是否能夠滿足機車使用要求。

綜上所述，從備用冗余的角度考慮，高度集成化風源系統柜采用2臺排氣量為2.4m/min的螺桿式空氣壓縮機、2臺額定空氣處理量為2.7m/min的無加熱吸附再生式干燥器，以滿足4000t級列車供風要求，提高機車風源系統的穩定可靠性。

5 空氣壓縮機通風散熱解決方案

5.1 空氣壓縮機通風散熱方案

高度集成化風源系統柜兩臺壓縮機上下垂直布置，雖然節省了空間，但是也給壓縮機散熱帶來了較大影響。為保障兩臺壓縮機正常工作，滿足壓縮機潤滑油溫度和出口處壓縮空氣溫度的限定要求，該文對壓縮機外部冷卻通風道進行了設計，三維模型如圖2所示。

圖2 冷卻通風道三維模型

高度集成化風源系統壓縮機采用獨立風道設計，具有可控的兩個散熱通道，冬季時將壓縮機的散熱風排向車內，夏季時排向車外，既有利于壓縮機的通風散熱，又能調節機械間的溫度。冷卻通風道需要具備導引空氣流向的功能，同時確保滿足散熱所需的空氣流量及流速要求。同時，應當盡量減少風道中的壓力損失，如果沿程壓力損失和局部壓力損失控制不好，將會降低風量，并且增大噪聲。

夏季時，將冬季出風口封堵，通過下部出風口將熱風排到機械間外部，避免機械間內部溫度過高；冬季時，將冬季出風口打開，熱風直接吹入機械間，調節機械間溫度。

5.2 風道材料的選擇

風道材料通常要求質量輕、有足夠的強度和剛度、抗腐蝕、耐高溫、壽命長。考慮到空氣壓縮機之后的散熱風道布置于走廊一側，為防止溫度過高燙傷車上人員，采用內外兩層金屬殼中間夾隔熱材料的隔熱風道。空氣壓縮機之前的冷卻空氣通道采用薄鋼板，便于風道各部分之間的焊接拼裝，保證風道密閉性。

6 柜體強度計算分析

6.1 靜強度計算

根據標準GB/T 21563-2018《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》，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，風源系統柜骨架各處的von-Mises應力均應小于材料S355J2G4的屈服強度σ=355MPa。

經過靜強度仿真計算，在各沖擊載荷工況下，高度集成化風源系統柜柜體最大等效應力值均小于材料的屈服強度355MPa，靜強度計算結果滿足標準GB/T 21563-2018的要求。

6.2 疲勞強度計算

根據標準EN 12663-1-2010 《鐵路應用—鐵道車輛車體結構要求 第1部分：機車和客車》，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力及最大主應力、最小主應力均應在其對應的Goodman疲勞極限界限圖內。

其中、確定步驟如下。1） 確定焊縫上每個節點在不同載荷工況作用下的主應力值和方向。2） 取所有載荷工況作用下骨架焊縫應力最大的第1主應力方向為基本應力方向，其值為最大主應力。3） 將所有載荷工況作用下的主應力投影到已確定的最大主應力方向上，其投影值最小的應力值確定為最小主應力。4） 由最大和最小應力值計算平均應力，見式（10）。

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

圖3 焊縫疲勞極限圖

在各疲勞載荷工況下，高度集成化風源系統柜柜體各焊縫的最大主應力和最小主應力均位于Goodman疲勞極限界限圖內，疲勞強度計算結果滿足標準EN 12663-1-2010的要求。

7 結語

高度集成化風源系統柜集成了除總風缸以外的全部風源系統部件，滿足結構強度要求及壓縮機在狹小空間內的通風散熱要求。與中白2型貨運電力機車風源系統設備布置相比，節省縱向尺寸500mm左右，能夠有效緩解設備布置空間緊張的問題，尤其對六軸機車機械間設備布置具有重要的現實意義。同時，高度集成化設計提升了機車風源系統模塊化設計水平。