轨道交通车辆变频空调制冷剂泄漏在线诊断研究

张永利，王 磊，高福学，佘 凯，赵金刚

(山东朗进科技股份有限公司 工程设计部，山东 青岛 266071)

根据我国“十三五”规划政策，轨道交通产业将持续保持快速增长，各大城市的轨道交通运输进入快速发展期，轨道交通产品的优化升级与智能化发展也是大势所趋。轨道列车空调作为整车A类关键部件，对车辆运营的可靠性与舒适性有直接影响。对于轨道列车空调的故障与维护，浦汉亮和尹鹏飞指出：当前轨道列车空调的维护为定期维护，无法确定空调部件的状态，效率低下且不经济；空调出现故障后，采用人工排查和诊断既耗时又耗力[1-2]。从上述的研究结果中不难看出，在空调控制系统中添加故障预诊断功能，对降低维护成本具有很重要的意义。空调故障诊断在家用和商用领域已经得到了广泛的研究，Setu Madhavi Namburu、袁玥、王江宇和周洪煜等已经对不同的应用场合针对性地搭建了空调故障诊断系统[3-6]。通过分析空调的运行参数，准确判断空调机组各部件的状态，节省了不必要的维护维修，减少了维护时间，在高峰时期可以有效地缓解轨道列车运营的压力。近年来随着计算机技术、互联网技术的高速发展，陈焕新提出了将大数据和故障诊断系统相结合来建立模型，使检测与诊断的效率更高[7-8]。

在制冷系统的诸多故障中，制冷剂泄漏故障对空调的运行影响最大，同时排查起来也最为困难[9]。制冷剂的泄漏会导致空调的制冷量下降，且能耗增加[10]；制冷剂泄漏会引起压缩机润滑油泄漏，严重时可导致压缩机烧毁[11]；混合制冷剂系统中，制冷剂泄漏会使系统内工质组分改变，影响空调机组性能[12-13]。

在家用和商用空调领域，钱长华对不同制冷剂充注量下单元式空调机组的运行情况进行了试验，分析了制冷剂泄漏对空调机组运行的危害，得出了增加压力保护装置的必要性[7]。潘正坤和冯淳则通过结合蒸气压缩制冷系统的原理，对制冷剂泄漏可能造成的故障及其解决方法进行了分析[14-15]。在工程实践中，通过仪器检测、浸水检漏等各种手段，实现了对制冷剂泄漏故障的排查，并且针对不同的泄漏部位已经有相应的解决对策[16]。而在汽车空调领域，郭军峰通过建立数学模型，对制冷剂泄漏和空调性能衰减之间的关系进行了计算分析[17]。本文将针对轨道交通车辆变频空调机组(以下称变频轨道空调机组)制冷系统制冷剂泄漏故障，对上海地铁某线路客室变频轨道空调机组进行试验研究，得到变频轨道空调机组制冷系统在制冷剂发生不同程度泄漏时的状态，为搭建故障预诊断系统提供数据支持。

1 空调控制及故障诊断方案

通过检测空调机组制冷系统状态参数，并与其他制冷系统参数进行对比，判断系统内制冷剂的泄漏量。

2 试验设备及方法

2.1 试验设备

选用1台上海地铁某线路客室变频轨道空调机组作为试验样机，进行制冷系统的制冷剂泄漏试验。空调机组有2个制冷系统循环，充注R407C型制冷剂，单个循环的额定充注量为5.7 kg。该空调机组的系统原理图如图1所示。

1.压缩机；2.四通换向阀；3.冷凝风机；4.冷凝器；5.电子膨胀阀；6.蒸发器；7.通风机；8.气液分离器。

试验在焓差试验室内进行。焓差试验室应满足TB/T 1804—2009《铁道客车空调机组》要求。试验中用到的检测仪表有：排气温度传感器、冷凝器温度传感器、蒸发器温度传感器及系统压力传感器。

2.2 试验方法和工况

本次试验采取控制变量法，考虑到由100%充注量开始释放制冷剂操作较为困难，在使用相同空调机组、相同试验工况的条件下，制冷系统内首先充入额定充注量的40%(2.28 kg)进行试验，然后依次充入额定充注量的10%(0.57 kg)，直至充注量为100%。

根据TB/T 1804—2009规定的额定制冷工况进行试验，如表1所示。

表1 额定制冷工况 ℃

试验时记录以下参数：制冷剂充注量、制冷剂充注量占比、压缩机运行频率、膨胀阀开度、排气温度、冷凝器盘管温度、蒸发器盘管温度、排气压力、回气压力、制冷量及输入功率。

3 试验结果及分析

表2为变频轨道空调机组制冷系统制冷剂泄漏试验结果。图2为变频轨道空调机组制冷系统压力和盘管温度随制冷剂充注量变化。图3为变频轨道空调机组制冷系统制冷量及输入功率随制冷剂充注量变化。

表2 变频轨道空调机组制冷系统制冷剂泄漏试验结果

从图2、图3可以看出，随着制冷剂充注量的逐渐增加，制冷系统的换热器(冷凝器和蒸发器)盘管温度、系统压力、制冷量及输入功率均呈现单调变化的趋势。

图2 变频轨道空调机组制冷系统压力和盘管温度随制冷剂充注量变化

图3 变频轨道空调机组制冷系统制冷量及输入功率随制冷剂充注量变化

随着制冷系统内制冷剂充注量的增加，换热器内制冷剂质量也在增加。由于系统内制冷剂主要集中在冷凝器内，即冷凝器内积液会随着制冷剂充注量增加而增多，而冷凝器的容积不变，所以制冷剂在冷凝器内两相段的长度变短，相变换热的面积减小，故必须增大传热温差，这会导致冷凝温度升高。而冷凝温度的升高导致了排气压力的升高。在制冷剂充注量增加后，蒸发器内的制冷剂量开始呈现增加趋势，而后基本保持不变，因此回气压力随之呈现相同的变化趋势[18]。

在充入制冷剂的过程中，换热器内部的制冷剂流量增大，换热量增大，因此空调机组制冷系统的制冷量随着充注量增多而上涨。同时由于系统内制冷剂流量增大，压缩机的功率随之升高，但是在制冷剂充注量达到额定充注量的70%以后，功率的增长趋于平缓。一方面是由于充注量达到70%以后，压缩机运行频率均为额定频率；另一方面充注量达到70%以后，系统内制冷剂的状态趋于平衡，因此导致了压缩机的功率增长放缓。

从以上试验数据对比可以看出，当制冷系统内制冷剂量在60%以下时，蒸发器中制冷剂含量少，气相段的长度长，因此压缩机的回气过热度大，导致排气温度高，造成压缩机电机散热困难，此时如果不对压缩机进行卸载，随着排气温度继续上升，其内部温度会达到200 ℃以上，将导致转子轴承的润滑油黏度急剧降低，最终因发生严重磨损而报废[19]。

因为试验研究对象是变频空调，其压缩机运行频率和膨胀阀开度均可大范围调节。因此当空调机组制冷系统内制冷剂量减少至60%以下时，可以通过降低压缩机运行频率，开大膨胀阀的开度(甚至可达最大开度)来保证空调机组基本可靠运行，但空调机组的性能会大幅度衰减。定速空调因为频率和膨胀阀开度不可调，当缺少制冷剂时会导致压缩机高温保护，如果保护不当，则会造成压缩机的损坏。

通过试验数据的对比和分析可得出以下结论：当空调机组制冷系统内制冷剂量在额定充注量的60%时，可以判定制冷剂泄漏。因此，本文将空调机组制冷系统在60%及100%制冷剂充注量下的状态参数差异进行了对比(表3)，作为控制系统判定空调机组是否处于缺制冷剂状态(制冷剂充注量为60%或以下)的依据，为轨道空调机组预诊断系统的搭建提供数据支持。

表3 空调机组制冷系统在60%及100%制冷剂充注量下的状态参数对比

4 总结与展望

通过对试验结果进行分析，并结合变频空调的特性，得出在列车运行过程中判断空调机组制冷系统是否存在制冷剂泄漏的预诊断方案，即横向对比正在运行的其他车厢空调机组制冷系统的参数，进行诊断和预判。

例如，当制冷系统的压缩机在某一频率运行下，若同时满足以下3个条件：(1)电子膨胀阀开至最大运行一定时间后，排气温度高于其他系统；(2)冷凝器盘管温度低于其他系统；(3)制冷系统的排气压力低于其他系统的排气压力，则可以判定该系统已出现制冷剂泄漏故障。

变频轨道空调本身的电子膨胀阀开度和压缩机运行频率可控，同时可以监测到换热器的盘管温度和排气温度。在控制系统中添加预诊断功能，通过监测空调机组制冷系统的排气温度、排气压力、冷凝器盘管温度参数，从而可以得出空调机组制冷系统内制冷剂的质量，进一步调节系统的运行状态，保护空调机组制冷系统的压缩机。同时，该项功能并不仅限于制冷剂泄漏故障，从空调系统参数中，还可以进行混合风滤网脏堵、制冷结冰、制热过载及冷凝器脏堵等故障的预诊断。这将使空调机组故障的排查诊断更加智能、精准、快速。轨道列车运营方可以根据显示的故障信息，准确地制定空调机组的维修、保养方案，从而极大地减小轨道列车空调的运营和维护成本。