铁路客车空调机组制暖故障探讨

2019-12-02赵儒家于云龙王笃勇张林塞

工程建设与设计 2019年22期

赵儒家，于云龙，王笃勇，张林塞

（中车四方车辆有限公司，山东青岛266111）

1 引言

目前，铁路客车使用的空调机组绝大部分为单冷+电加热型的KLD 空调机组。夏季对客室进行降温时，启用机组单级压缩制冷循环系统进行制冷；冬季对客室进行升温时，启用机组空气预热器进行加热。由于制冷循环系统是空调机组的最主要部分，包含的制冷元器件较多，元器件之间的协调配合关系也较为密切，行业中对制冷功能的故障研究较广，而对空调机组的制热功能故障涉及较少。虽然KLD 空调机组的制热功能启用的零部件较少，但对于铁路客车，尤其是北方路局配属的客车，全年供暖季也有5 个月之久，若制暖功能发生故障，对客车的乘坐舒适度影响也非常严重。下文将结合一起疑难实例，探讨铁路客车空调机组制暖故障的发生原因及解决思路。

2 实例阐述

2018 年1 月，某北方地区铁路局配属的软座车通电后开制暖模式时，无法启动空气预热器。经检查，发现故障原因是作为二级温度保护的139℃熔断丝熔断，但作为一级温度保护的70℃温控器仍可正常通电，且控制系统中未记录到70℃温度开关动作。由于当时列车出库紧急，遂立即更换了139℃熔断丝，保证列车出库[1]。但当列车返回后，又报出制暖故障，遂更换了整套空气预热器，以保证该车可继续运行。

之后，对首次故障进行原因排查时，检查了空气预热器各发热管的电阻值均正常，排除了发热管内部故障；测量了通风机运转电流，也在正常范围，排除了通风机风量不足导致的缺风保护；核对了控制系统内70℃温度开关的接线是否存在短接现象，致使70℃温度开关动作时系统检查不到，造成加热管持续升温，熔断139℃熔断丝，但检查结果均一切正常，遂怀疑139℃熔断丝存在质量原因，导致在70℃以下时即发生熔断。但经过对其进行性能检测，排除了该原因[2]。

经过仔细分析，若空气预热器发生超温现象，一定首先触发70℃温度开关动作，控制系统再将空气预热器主电路断开，停止空气预热器工作，待温度开关处温度下降至（50±10）℃时，温度开关接通，系统再恢复空气预热器电源，继续工作。只有当70℃温度开关无法有效断开时，即一级温度保护失效时，空气预热器持续超温，才能熔断139℃熔断丝，触发二级温度保护。对原70℃温度开关模拟动作试验，功能正常，那可以判断，既然139℃熔断丝已熔断，70℃温度开关肯定也有动作，但未被控制系统记录，那应该是控制系统失电后发生的动作[3]。但在空调机组控制逻辑中，空气预热器停止工作后，通风机会继续运转1min，以降低空气预热器温度，但在一般运用过程中，经常存在列车到站后直接断电的情况，致使通风机与空气预热器及控制系统同时失电，空气预热器余温得不到有效散发，导致70℃及139℃双重保护均动作，但70℃温度开关可以降温恢复，但139℃熔断丝不可恢复，致使空调机组再启机时，空气预热器无法工作。至于同列客车相同车型中其余空调可正常工作，唯独该空调机组空气预热器发生故障的情况，原因是该空气预热器的发热管环肋松脱，导致热阻升高，发热管管体内部积累了大量热量，在通风机停止工作后，管内残存的热量将139℃熔断丝熔断。

3 肋片松动对发热管散热的影响理论分析

空气预热器的作用是通电后，自身温度升高，再与流动空气进行对流传热，以提高送入客室的温度。根据对流传热速率方程式：

式中，Φ 为传热量，W；h为对流传热系数，W（/m2·K）；A为传热面积，m2；Δt为温差，K。

影响对流传热量的主要因素为温差、表面传热系数以及换热面积。在上述案例中的空气预热器工作环境中，表面上看，发热管与气流之间的温差、发热管的换热面积与其余正常的空气预热器均无不同，而表面传热系数的影响因素中，肋片材质、表面粗糙度等也无不一致，但由于发热管的环肋与发热管体并不是一体的，而是通过预紧力相接触。这两个名义上互相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，在未接触的界面之间的间隙中由于充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层。这种情况与两固体表面真正完全接触相比，增加了附加的传递阻力，称为接触热阻。接触热阻主要受相接触的金属表面的粗糙度、接触表面的压力、温度和金属材料等因素的影响。案例中的空气预热器，正是由于肋片端部与发热管连接固定的焊点断裂，造成肋片与发热管之间预紧力下降，接触热阻增大[4]。

文献中计算了接触热阻对换热量的影响，一般环肋片应以较大预紧力安装在肋管上，保证接触热阻小于1×10-（4m·2K）/W，当肋片预紧力消失后，如果接触热阻增大到1×10-（3m2·K）/W，可使肋片的散热量下降44.8%～75.1%,影响非常明显。

4 试验验证

为了更加准确地验证肋片松动对发热管散热的影响效果，继而造成余热将139℃熔断丝熔化的故障，将发生故障的预热器模拟运行，并保持通风机运转，30min 后，同时断开预热器及通风机电源，分别测量70℃温度开关和空气预热器主回路通断情况，并测量139℃熔断丝处的实时温度。试验结果为断开65s 时，70℃温度开关断开，135s 时，139℃熔断丝附近温度达到142℃，空预器主回路也断开。该试验结果验证了前述推断[5]。