CR200J動力集中動車組動力車空壓機高溫保護問題研究

于 博，樊立新，石鄒亮，丁繼軍，吳國棟，張 律

(1.中車大連機車車輛有限公司 機車開發部，遼寧 大連 116022； 2.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

CR200J型時速160 km動力集中動車組動力車(以下簡稱“動力車”)是為提升我國鐵路普速列車的舒適性，根據中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題《時速160 km動力集中動車組關鍵技術研究——動力車關鍵技術研究》的要求，由中車大連機車車輛有限公司研制的動力車型。該型動車組用于中國普速線路及客運專線旅客運輸，是我國“復興號”品牌戰略的主力車型之一[1]。

風源系統是動車組空氣管路系統的基礎，負責提供動力車、拖車的氣動器件以及制動控制系統所需的高質量、潔凈、干燥和穩定的壓縮空氣，主要包括空氣壓縮機、空氣干燥器、過濾器、總風缸、輔助壓縮機、輔助干燥器及閥類等。動力車設置2臺容積流量不小于1 600 L/min的螺桿式空氣壓縮機，默認設置為延時模式(連續工作)。自2020年2月24日起，多臺動力車發生空壓機高溫保護故障，影響動車組正常運用。

1 故障描述

CR200J型動車組自運用以來，動力車空壓機高溫保護故障多發生在春夏交替季，尤其是楊柳絮飄飛期。普查空壓機高溫保護故障車牽引風機機械間通風口濾網，均發現有明顯臟堵情況，故障統計情況見表1。據了解，個別路局動車組到段運用后從未進行過濾網清理，導致機械間出風口濾網臟堵情況較為明顯，清理濾網后，普遍反映運用效果有所改善[2]?？梢?，濾網臟堵可能導致空壓機高溫保護故障。

表1 各路局動力車空壓機異常高溫保護故障車檢查情況統計

圖1為FXD3-J0029號動力車機械間出風口濾網臟堵狀態。

圖1 FXD3-J0029號動力車機械間出風口濾網臟堵

2 原因分析

CR200J型動車組動力車空壓機異常高溫保護故障原因可能是空壓機周圍環境溫度過高、機械間供風量不足或通風散熱通路不暢[3]。

2.1 周圍環境溫度過高

CR200J型時速160 km動力集中動車組動力車機械間配置2臺空壓機，其布局現狀及熱空氣流動模擬如圖2所示。

圖2 空壓機布局現狀及熱空氣流動模擬

其中，空壓機1靠近機械間中間走廊及高壓柜，無獨立車外排風風道，冷卻空氣采用車內進氣、車內排氣方式流通；對面為牽引風機機械間出風口，周邊相對開闊，空氣流動性較好，且沒有冬夏季轉換模式，冷卻空氣變熱后全部排入機械間內，這些熱空氣向兩邊擴散，其中部分熱空氣流向空壓機2；空壓機2靠近機械間側墻及變流柜，具有獨立排風風道，冷卻空氣采用車內進氣方式流通，周邊相對封閉，空氣流動性較差，且具有冬夏季轉換模式，冷卻空氣變熱后可設置外排風或內排風兩種方式。

由上述分析可知，空壓機1冷卻空氣變熱后排入機械間內會造成局部溫度升高。動力車牽引通風系統旁通的一部分空氣為機械間內提供用風，這部分空氣不僅作為空壓機的壓縮空氣，還用于冷卻機油、降低機械間溫度，尤其是牽引風機2的機械間旁通口直接吹向空壓機1，有效地降低了空壓機1機油冷卻用空氣溫度，空壓機1得到較好的冷卻，從未出現高溫報警。而空壓機2由于安裝位置的原因，無法得到機械間冷卻空氣的有效對流，且空壓機1中冷卻機油后變熱的部分空氣吹向空壓機2，導致空壓機2周邊的環境溫度明顯高于空壓機1周邊的環境溫度，空壓機2進氣溫度較高，直接導致空壓機2出現高溫報警故障[4]。

2.2 機械間散熱供風量不足

2.2.1 動力車風源系統機械間耗風量、供風量理論計算

(1) 機械間耗風量計算：2臺空壓機同時工作，壓縮空氣均采用車內進氣方式，機油冷卻用壓縮空氣一臺采用車內進氣、車外排氣，另一臺采用車內進氣、車內排氣。單臺空壓機標稱壓縮空氣量為1.65(1±6%)m3/min；單臺空壓機散熱所需冷卻空氣量，SL16型空壓機(克諾爾)為24 m3/min，TSA1.6型空壓機(嘉祥)為22 m3/min。則空壓機耗風量最大值：1.82×2+24=27.64 m3/min=0.461 m3/s。

(2) 機械間供風量計算：機械間設2個出風口，在理想狀態下，每個出風口面積為0.26×0.11=0.028 6 m2。風機頻率為25 Hz時，出風口平均風速為8.8 m/s，供風量為8.8×0.028 6×2=0.503 m3/s；風機頻率為33 Hz時，出風口平均風速為12.7 m/s，供風量為12.7×0.028 6×2=0.726 m3/s； 風機頻率為50 Hz時，出風口平均風速為22 m/s，供風量為22×0.028 6×2=1.258 m3/s。

由此可見，風機頻率為25 Hz時，在機械間出風口沒有臟堵的情況下，理論上可滿足機械間用風需求；但當出風口有效面積減小10%時，機械間供風量將不能滿足散熱量需求。

2.2.2 機械間供風散熱試驗

現場測試數據表明，相同工作頻率下，空壓機2進氣口溫度與空壓機1最高溫差在5～8 ℃，空壓機2的機油平衡溫度較空壓機1普遍高約5 ℃。這是由于空壓機1臨近走廊，對面是牽引風機的機械間旁通出風口，而空壓機2臨近側墻，又處于變流柜、側墻和網側柜之間的半封閉空間內，與牽引風機的旁通出風口之間還有復軌器等部件遮擋，導致空壓機2附近的空氣流動性較差，通過空氣對流進行熱交換比較困難。

對上述原因初步分析后，挑選了配屬成都局的動力車進行了相關實車試驗，主要測試不同工況下的空壓機油溫，試驗工況和現場情況如表2、圖3所示，測試結果如圖4所示。

表2 試驗工況

圖3 試驗現場

圖4中深藍色曲線為空壓機2機油溫度曲線，綠色為空壓機1機油溫度曲線。由油溫曲線可以看出，在牽引風機頻率為25 Hz時，空壓機2的油溫一直高于空壓機1的油溫；當牽引風機頻率調至50 Hz時，溫差迅速縮小，且空壓機2油溫下降明顯；將牽引風機頻率調至25 Hz、出風口不堵時，空壓機2油溫上升，2臺空壓機油溫均變大；調至50 Hz、出風口臟堵情況下，機械間通風量上升，油溫再次下降；調至50 Hz、出風口不堵時，油溫迅速下降。可以看出，在此過程中機械間通風量對空壓機散熱影響較大。

圖4 各工況下測試的油溫曲線

綜上可知，牽引風機頻率在25 Hz時，若在楊柳絮季節和高風沙地區旁通濾網清理不及時，進入機械間的風量低，則不能滿足空壓機散熱所需風量，使空壓機周邊空氣溫度升高，加劇了空壓機出現異常高溫保護的情況。

2.3 通風散熱通路不暢

經現場試驗發現，在空壓機的線路、氣溫等外界因素均未改變的情況下，對空壓機濾芯進行清理后，空壓機未再出現異常高溫保護現象，因此可推斷出風口濾網臟堵影響了空壓機的散熱。

在機械間進風口濾網堵塞情況下，通風系統對機械間的供風不足，不能有效提供冷卻用風量需求，使得空壓機周邊的環境溫度不能有效降低。當機械間進風量減少，空壓機周邊空氣流動性變差，加上空壓機2離通風機出風口較遠，導致空壓機工作時其周邊溫度持續升高。

3 優化整改措施

(1) 優化空壓機安裝布局，減小機械間外部環境溫度影響[5]。

后續研發的CR200J型動車組(鼓形車體)將空壓機1改為車外排氣，以降低機械間溫度；調整空壓機2的安裝位置，調換驅動電機與壓縮機位置，使空壓機2的橫向安裝尺寸與空壓機1相同。

空壓機安裝方向調整后，空壓機2的壓縮機、吸氣口更接近于中央走廊，處于較為開闊的區域，使壓縮機部分遠離了高溫區域。而且調整后2個壓縮機位置更靠近牽引風機機械間出風口，空氣流動性較好。空壓機1的安裝位置與原方案相似，冷卻風道如圖5所示。由于降低了空壓機2的安裝高度，空壓機與側墻之間可以設置更多的部件安裝與檢修空間。

圖5 空壓機安裝優化方案

(2) 調整牽引風機工作頻率，增加空壓機供風量。

機械間進風量與牽引風機工作頻率有著直接關系，原直車體動力車風機頻率值設定為25 Hz、33 Hz和50 Hz，現鼓形車體動力車風機頻率值設定為25 Hz、33 Hz、40 Hz和50Hz，風機頻率完全根據牽引電機溫度、變流器水溫和變壓器油溫綜合控制。為了有效降低牽引電機溫度、變流器水溫和變壓器油溫，優化了牽引風機頻率，使牽引風機運行在33 Hz、40 Hz、50 Hz。

(3) 優化機械間進出風口濾網的維護方案，升級風口過濾器，保證通風口維護方便。優化后的風口過濾器(圖6)快裝、便攜、易清理，同時也可保證過濾精度。

圖6 風口濾網優化方案

4 結論

本文從空壓機布局、牽引風機工作頻率和風口濾網維護3個方面制定的優化整改方案，全面解決了空壓機異常高溫保護的問題，有效提高了空壓機在各種工作環境下的可用性。