首都機場線風源裝置國產化研制

秦東賓 ,吳學瑞 ,焦建龍 ,郭宗斌

(1.中車制動系統有限公司 技術研發中心,山東 青島 266031;2.耐力股份有限公司 軌道交通事業部,河北 石家莊 051130)

首都機場線是北京首次采用直線電機車輛制式,為4編組L型地鐵車輛,自2008年投入運營至今已接近12年時間[1-2]。車輛風源裝置相關零部件均為進口產品,價格較為昂貴,產品的日常維護、檢修以及更換成本同樣很高。同時,在產品運營過程中,發現存在潤滑油乳化、空壓機加油口機殼螺紋損壞、風源控制信號不完善等問題。為解決上述問題,有必要對原車風源裝置進行國產化替代研制,既可以促進自主知識產權風源裝置的發展,又可以規避相關問題、降低后期維護成本。

1 國產化設計

首都機場線車輛現采用滑片式空壓機,國產化方案需采用同種型式。國產化風源裝置需具備與原車進口產品相同的功能及技術性能,并在此基礎上進行相關技術升級;部件接口與原車產品一致,原車改動最小化。因此國產化風源裝置的研制以原車風源裝置接口尺寸為設計輸入,保證與原車產品互換;其中部分部件因技術落后已被淘汰,無法實現整機互換,則保證對原車改動最小化。

國產化風源裝置由四大主要部件構成:即框架、空壓機總成、空氣處理系統和電控箱總成(圖1)。

圖1 首都機場線國產化風源裝置

風源裝置框架主要用于連接支撐風源裝置上各零部件,其由具有高性能的低合金高強度鋼組成,充分保證了其強度和可靠性的要求。4個安裝點位通過橡膠減振器連接于車體上,有效降低與車體之間的振動沖擊。

空壓機總成由滑片式空壓機、油冷卻器、離心風扇、聯軸器、三相交流電機等組成一個整體。由聯軸器將滑片式空壓機和電機連接起來,中間安裝風扇和冷卻器,風扇給冷卻器提供冷卻風,該設計使設備更加緊湊,節約空間。

空氣處理系統包含氣冷卻器、WS級過濾器、AA級過濾器、吸附式干燥器、壓力維持閥、壓力開關等。工作循環是由經過氣冷卻器冷卻后的壓縮空氣進入過濾器,再經吸附式干燥器處理,最后輸出干燥清潔的壓縮空氣供車輛使用。

電控箱總成主要由電控箱體、接觸器、熱繼電器、中間繼電器、時間繼電器、計時器、計數器、接線端子、電連接器等組成。集中管控各電器件的動作,通過電連接器將車輛的動力電引入風源裝置,并由控制連接器引入車輛控制電并給車輛反饋運行狀態信號。

2 技術創新點

首都機場線風源裝置國產化研制在兼顧原車輛用風源裝置的同時,在以下方面進行了技術性創新。

2.1 滑片式空壓機國產化

滑片式空壓機也叫旋轉葉片式壓縮機,屬于回轉式壓縮機的一種,其主要由轉子、定子、滑片等構成,通過轉動葉片來實現氣體壓縮。其中轉子上開有縱向的滑槽,滑片在其中自由滑動;定子為一個氣缸,轉子在定子中偏心放置,如圖2所示[3]。當轉子旋轉時,滑片在離心力的作用下甩出并與定子通過潤滑油膜緊密接觸,相鄰兩個滑片與定子內壁間形成一個封閉的空氣腔——壓縮腔。轉子轉動時,壓縮腔的體積隨著滑片滑出量的大小而變化。在吸氣過程中,外部空氣經空氣過濾器被吸入壓縮腔,并與噴入主機內的潤滑油混合。在壓縮過程中,壓縮腔的體積逐漸縮小,壓力逐漸升高。進入機械分離腔和油分芯,潤滑油經過冷卻和過濾后又進入另外一次循環,而壓縮空氣經過冷卻和凈化后排出機外。

圖2 滑片式空壓機示意圖

滑片式空壓機具有啟動性能好、運行平穩、效率高、噪聲和振動較低等優點[4],但也存在有油空壓機的潤滑油乳化問題。

該滑片式空壓機由國內供應商自主設計開發,具有完全的知識產權,內部各項關鍵零部件均由國內加工制造,實現完全地國產化。產品供貨周期相較于進口產品明顯降低,同時售后服務和技術支持更加及時、便捷。

2.2 原車空壓機潤滑油乳化問題解決

針對原車在運營過程中極易出現的潤滑油乳化問題,進行針對性地控制,其基本思路是:保證風源裝置運轉率最少達到30%,同時空壓機配置運行溫度開關,車輛運營時保證空壓機每次運行的潤滑油溫達到80℃后才會停機。

風源裝置電氣控制原理圖如圖3所示,當空壓機壓力開關閉合或網絡控制信號輸入時,接觸器得電,空壓機啟動;風壓到達10 bar后,若空壓機潤滑油溫未達到80℃,壓力開關回路斷開,油溫回路保持閉合,空壓機繼續運行,此時空壓機內部的伺服閥動作,關閉進氣口,空壓機不再輸出壓縮空氣,直至潤滑油溫達到80℃后空壓機停機;若風壓到達10 bar時潤滑油溫已到80℃,油溫回路斷開,壓力開關回路斷開,空壓機停機。

圖3 國產化風源裝置電氣控制原理圖

2.3 原車空壓機加油口機殼螺紋損壞解決

由于原車空壓機加油、換油等日常維護及檢修拆卸,機殼加油口出現螺紋亂扣平面度損壞問題,產生漏油現象。而機殼為空壓機的多零件承載體,維修難度大,更換成本高。

針對此問題在國產化研制中進行規避,采用加油閥進行加油,如圖4所示,此件為鋼件,剛度較大,不會因日常維護檢修而破損。同時該零件作為獨立零件,可以單獨進行更換,方便加油、換油及日常維護操作。

圖4 原車與國產化風源裝置加油口實物對比

2.4 優化車輛對空壓機的控制策略

現車輛對空壓機的控制方案為:空壓機由壓力開關控制,車輛運行時一空壓機為主空壓機,通過編組間雙向止回閥向其他車輛進行補風,另一臺空壓機為輔助空壓機,對補風后的差值再進行補風。該控制策略中,輔助空壓機頻繁啟停,工作率可能會偏低,容易引起潤滑油乳化。

參考目前國內城市軌道項目控制策略進行國產化風源裝置的控制策略優化。每列車配置2臺空壓機,其由TCMS控制。在正常工況下,2臺空壓機由TCMS根據單雙日分為主風源裝置和副風源裝置[5-6],同時設定2個總風壓力值K1和K2(K1＞K2,一般其值在7～9 bar之間)。當總風壓力低于K1時,TCMS控制主風源裝置啟動補風;當總風壓力低于K2時,TCMS控制主、副風源裝置啟動補風;而當總風壓力高于10 bar時,TCMS控制風源裝置停機。

將備用壓力開關作為TCMS 控制的冗余選項。當總風壓力低于K2時,備用壓力開關觸點導通,強制風源裝置啟動;相應地,當總風壓力高于10 bar時,備用壓力開關觸點斷開,風源裝置失電停機。該項目因其他原因未采用方案。

3 方案對比

將國產化風源裝置的主要相關技術參數與原車方案進行對比,主要從尺寸、排量、空氣質量、噪聲、額定電流、質量和全周期成本方面進行考慮。表1為原車與國產化風源裝置參數對比表。圖5為實物對比圖。

表1 原車與國產化風源裝置參數對比表

圖5 風源裝置實物對比

從表1中可以看出,國產化后風源裝置的安裝、接口尺寸與原車一致,而整體尺寸相對較小,更加小型化;排量與原車完全一致;壓縮空氣質量指標相較于原車風源裝置進行了嚴格規范,露點要求提高,符合行業標準要求;噪聲指標、額定電流、質量指標略有提高;全壽命維護成本大大降低。

綜上所述,國產化風源裝置性能優于原車產品。

4 方案驗證

為了驗證國產化風源裝置的功能和性能,對其進行一系列的方案驗證,方案驗證主要分為3個方面:型式試驗、動靜態調試、運營考核。

裝車前,到第三方風源裝置檢測機構進行型式試驗,主要測試風源裝置的性能,如性能試驗、壓縮空氣質量試驗、油溫開關試驗、噪聲試驗、高低溫度試驗、沖擊振動試驗、絕緣耐壓試驗、防護等級試驗、耐久試驗、溫度測量、電磁兼容試驗等,獲取第三方型式試驗報告,初步驗證方案的可行性。

其后,用一套國產化風源裝置代替原車一套風源裝置,進行動靜態調試和空載運行。對風源裝置的空壓機控制、供風能力等功能進行驗證。對比兩者各項性能指標,與車輛的接口是否一致,驗證國產化風源裝置是否能夠滿足技術規格和相應標準。

最后,正線進行長時間載客考核,在此期間無較大故障產生,并出具考核報告。

目前已完成全部考核,充分驗證了國產化風源的性能和功能,國產化風源裝置與原車風源的電氣接口、機械接口、控制接口及技術參數等完全一致,滿足車輛的運營要求,同時優化了原車風源的相關問題,國產化產品可靠性更高。

5 結論

針對目前軌道車輛進口風源裝置國產化是一項針對性、系統性復雜的工程。首都機場線風源裝置國產化研制和運用,進一步推動了我國城軌項目風源裝置的國產化發展,同時也為后期的同類項目發展提供了良好的借鑒。國產化發展不僅僅是原有產品的替代,更在其基礎上進一步推進創新,在自主化技術創新發展的同時,提高產品的各項性能指標,降低相關維護成本,實現技術創新和經濟效益的雙贏。