多流制宽轨客货运机车高度集成化风源系统柜设计

杨青雨 马中云 鲁廷惠

（1．中车大同电力机车有限公司检修事业部，山西 大同 037038；2．大同赛诚轨道交通设备有限责任公司二分公司，山西 大同 037038）

0 引言

当前，国内各型机车风源系统的总风缸、主压缩机、主干燥器、微油过滤器、辅助压缩机、辅助干燥器、升弓风缸等设备大多采用分散布置或局部集成布置，未能充分利用机械间垂直方向空间，整体占用空间较大，影响整车设备布置。

该文对ГОСТ轨道交通标准体系的研究，重点是从机车风源系统的要求、部件认证、设备布置、主要部件选型分析、主压缩机通风散热、柜体结构强度计算等方面对符合ГОСТ标准体系的多流制六轴宽轨客货运电力机车高度集成化风源系统柜进行研究分析和方案设计。

1 机车风源系统的要求

1.1 标准ГОСТ 55364关于客、货运机车风源系统的要求

该文研究了标准ГОСТ 55364《电力机车通用技术条件》关于风源系统的相关要求，分析整理了该标准中关于客、货运机车风源系统要求的相关条款，具体内容如下。1） 电力机车气动系统应该配备压缩空气干燥装置或者配备从压缩空气中分离、收集和去除冷凝水的装置。2） 压缩空气干燥系统建议安装在主风缸之前，带有单室或双室、自动转换、无加热、吸附剂再生。3） 环境温度为零上时，压缩机末端冷却装置出口处压缩空气温度不应超过环境温度15℃，压缩机在环境温度为零下时冷却系统能自动断开。4） 在电力机车上需安装主风缸和有压线路中压缩空气超压保护装置，当压缩空气压力超过压缩机规定工作压力上限0.1MPa时，保护系统开始起作用。5） 气动装置应该选用防锈材料或者有相应涂层的材料。

1.2 标准СТП 09150.17.038关于客、货运机车风源系统的要求

研究白俄罗斯技术文件СТП 09150.17.038《白俄罗斯铁路机车车辆制动装置使用条例》，并分析整理了该技术条例中关于客、货运机车风源系统要求的条款，具体内容如下。1） 总风压力范围0.75MPa～0.90MPa，允许偏差值为±0.02MPa。2） 列车管在1分钟的时间里，其压降值应不超过0.02MPa，或者在2.5分钟的时间里，其压降值应不超过0.05MPa；总风管在0.8MPa压力时，在2.5min的时间里，其压降值应不超过0.02MPa，或者在6.5min的时间里，其压降值应不超过0.05MPa。

2 机车风源系统部件认证

轨距1520mm，速度200km/h及以下的铁路机车以及动车组等产品需要满足认证标准TP TC 001 2011《铁路机车车辆安全关税同盟技术法规》的相关要求，该文根据此标准分析整理了关于宽轨客货运机车风源系统需要认证的部件，铁路机车车辆用的压缩机、压缩机电机（大于1千瓦）。

3 高度集成化风源系统柜设备布置

高度集成化风源系统柜集成了主压缩机、主干燥器、微油过滤器、辅助压缩机、辅助干燥器、升弓风缸等主要风源部件，为减小风源系统设备的纵向布置空间，2台螺杆式主压缩机（排风量2.4 m/min）采用上下垂直布置，2台吸附再生式主干燥器（额定空气处理量2.7m/min）采用吊挂安装方式，垂直布置于风源系统柜柜体侧面，2台微油过滤器布置于2台干燥器旁边，辅助压缩机、辅助干燥器、升弓风缸布置于风源系统柜柜体上方，三维模型如图1所示。上、中、下柜体之间通过紧固件联接，方便安装拆卸和检修维护。

图1 高度集成化风源系统柜三维模型

高度集成化风源系统柜压缩空气依次经过主主压缩机、主干燥器、微油过滤器、总风缸（高度集成化风源系统柜中未集成总风缸部件）。当机车长时间停放且总风缸中无压缩空气时，辅助压缩机优先启动，产生压缩空气，经过辅助干燥器进入升弓风缸，机车受电弓升起，主压缩机启动，产生整车用压缩空气。

4 主要部件选型

4.1 主压缩机选型

机车牵引能力是决定风源系统主压缩机选型的关键因素，此外，还应综合考虑设备布置的可行性、风源系统主要用风设备的容积与压力范围、客户个性化需求等因素，通过计算压缩空气总消耗量，最终确定主压缩机型号及排风量。

活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机是机车上常用的两种主压缩机机型，这两种空气压缩机都能满足机车风源系统的基本要求，综合对比分析如下。

第一，活塞式空气压缩机工作温度较高，而且输出的压缩空气中含油量大，加重干燥器的工作负担，甚至会导致干燥器内的干燥剂失效，因此，装用活塞式空气压缩机的机车通常需要在空气压缩机与干燥器之间增加油水分离装置，以降低压缩空气中油的含量；同时，风源系统设置冷却管路，以降低压缩空气温度。而螺杆式空气压缩机内部自带油气分离器及后冷却器，输出的压缩空气含油量低于5ppm，温度仅高于环境温度10℃～15℃，风源系统中不必另外设置油水分离装置和冷却装置，压缩空气经空气压缩机输出之后，可直接进入干燥器进行干燥，压缩空气品质较高，同时节省了设备布置空间。

第二，机车上装用的活塞式空气压缩机工作效率一般不超过20%，螺杆式空气压缩机工作效率一般不小于30%，满足同样的机车用风需求，螺杆式空气压缩机排气量更小，所用能耗更低。

第三，螺杆式空气压缩机整机价格较高，但故障率较低、检修周期较长、油耗较低、易损易耗件较少、寿命较长，全寿命周期维护成本低。

由于螺杆式空气压缩机输出压缩空气品质高、设备布置所需空间小、工作能耗低、全寿命周期维护成本低，因此在高度集成化风源系统柜上选用螺杆式空气压缩机。

多流制六轴宽轨客货运电力机车牵引按《列车牵引计算规程》取4000t级52辆。

列车制动系统容积计算如下。

列车主管容积见式（1）。

式中：—机车列车主管长度，取30m；—车辆列车主管长度，取15m；1.004—Dg32钢管的单位长度容积，L/m；—车辆数。

列车支管容积见式（2）。

式中：、—机车（取1.5m）、车辆（取1.5m）的列车支管长度；0.573—Dg25钢管的单位长度容积，L/m。

车辆副风缸容积见式（3）。

式中：V—车辆副风缸容积，取100L（103制动机）。

机车与车辆分配阀容积见式（4）。

式中：、—机车、车辆分配阀容积（包括工作风缸等），取11L，取11L。

机车总风缸及联管容积，总风缸容积取1224L，其联管长度按30m，管路为Dg32钢管，管路计算容积为30L。全部制动系统容积，=++++=6896L。

列车压缩空气消耗量如下。

管路系统的空气漏泄量见式（5）。

式中：—机车总风系统及车辆副风缸漏泄量，取10kPa/min；—列车管系漏泄量，取20kPa/min；—大气压力，取100kPa。

常用制动再充气空气最大消耗量见式（6）。

式中：—最大有效减压量，按列车管定压500kPa，取140kPa；—每小时全制动次数，取=5。

机车控制与辅助系统空气消耗量见式（7）。

式中：Q—撒砂用风量，取60L/min；Q—风喇叭用风量，取25L/min；Q—控制系统的风动电器用风量，取10L/min；Q—辅助系统的其他器械用风量，取25L/min。

压缩空气总消耗量ΣQ见式（8）。

单台空气压缩机排气量见式（9）。

式中：为空气压缩机供风效率，取=0.80（螺杆式空气压缩机）。通过以上计算可以看出1台排风量约为2.4m/min螺杆式空气压缩机为4000t级的列车供风基本能满足要求。

4.2 主干燥器选型

经过主压缩机压缩的空气中含有一定的水分，需要经过干燥装置过滤，否则将对空气管路系统中的仪表、仪器、设备造成损害，增加检修、维修费用。由于标准ГОСТ 55364中要求选用带有单室或双室、自动转换、无加热、吸附剂再生干燥装置，以下针对吸附式干燥器工作原理、工作特点、性能参数做简单介绍，作为干燥器选型参考。

吸附式干燥器采用固体除湿法，干燥剂主要选用比表面积较大、具有大量孔隙的分子筛、铝胶或硅胶，当干燥剂表面水蒸气的浓度低于压缩空气中水蒸气的浓度时，压缩空气中的水分被干燥剂吸附。为保障吸附式干燥器连续工作，其内部设有两室，一室处于工作状态，进行压缩空气干燥；另一室处于再生状态，进行水分脱附。两室在电控器的控制下交替工作，确保压缩空气进入总风缸之前全部进行干燥。

多流制六轴宽轨客货运电力机车运行环境温度-40℃～+75℃，压缩空气最低温度低于-20℃，因此，吸附式干燥器几乎是唯一选择。此外，吸附式干燥器运用过程中能耗较低，无冷却水装置，可用性、可维修性好。

吸附式干燥器又可以细分为无热再生式、电加热再生式、（电热）微加热再生式以及（余热）微加热再生式4种。其中，无热再生吸附式干燥器用于再生的压缩空气不须加热，结构简单。但是，无热再生吸附式干燥器用于干燥剂脱附再生的压缩空气耗气量较大，占进气量的15%，在选择风源系统主压缩机时，须重点考虑其排风量是否能够满足机车使用要求。

综上所述，从备用冗余的角度考虑，高度集成化风源系统柜采用2台排气量为2.4m/min的螺杆式空气压缩机、2台额定空气处理量为2.7m/min的无加热吸附再生式干燥器，以满足4000t级列车供风要求，提高机车风源系统的稳定可靠性。

5 空气压缩机通风散热解决方案

5.1 空气压缩机通风散热方案

高度集成化风源系统柜两台压缩机上下垂直布置，虽然节省了空间，但是也给压缩机散热带来了较大影响。为保障两台压缩机正常工作，满足压缩机润滑油温度和出口处压缩空气温度的限定要求，该文对压缩机外部冷却通风道进行了设计，三维模型如图2所示。

图2 冷却通风道三维模型

高度集成化风源系统压缩机采用独立风道设计，具有可控的两个散热通道，冬季时将压缩机的散热风排向车内，夏季时排向车外，既有利于压缩机的通风散热，又能调节机械间的温度。冷却通风道需要具备导引空气流向的功能，同时确保满足散热所需的空气流量及流速要求。同时，应当尽量减少风道中的压力损失，如果沿程压力损失和局部压力损失控制不好，将会降低风量，并且增大噪声。

夏季时，将冬季出风口封堵，通过下部出风口将热风排到机械间外部，避免机械间内部温度过高；冬季时，将冬季出风口打开，热风直接吹入机械间，调节机械间温度。

5.2 风道材料的选择

风道材料通常要求质量轻、有足够的强度和刚度、抗腐蚀、耐高温、寿命长。考虑到空气压缩机之后的散热风道布置于走廊一侧，为防止温度过高烫伤车上人员，采用内外两层金属壳中间夹隔热材料的隔热风道。空气压缩机之前的冷却空气通道采用薄钢板，便于风道各部分之间的焊接拼装，保证风道密闭性。

6 柜体强度计算分析

6.1 静强度计算

根据标准GB/T 21563-2018《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》，模拟柜体的6种冲击载荷工况，见表1。

表1 冲击载荷工况

在冲击载荷工况下，风源系统柜骨架各处的von-Mises应力均应小于材料S355J2G4的屈服强度σ=355MPa。

经过静强度仿真计算，在各冲击载荷工况下，高度集成化风源系统柜柜体最大等效应力值均小于材料的屈服强度355MPa，静强度计算结果满足标准GB/T 21563-2018的要求。

6.2 疲劳强度计算

根据标准EN 12663-1-2010 《铁路应用—铁道车辆车体结构要求 第1部分：机车和客车》，模拟柜体的8种疲劳载荷工况，见表2。

表2 疲劳载荷工况

在疲劳载荷工况下，骨架焊缝各处平均应力及最大主应力、最小主应力均应在其对应的Goodman疲劳极限界限图内。

其中、确定步骤如下。1） 确定焊缝上每个节点在不同载荷工况作用下的主应力值和方向。2） 取所有载荷工况作用下骨架焊缝应力最大的第1主应力方向为基本应力方向，其值为最大主应力。3） 将所有载荷工况作用下的主应力投影到已确定的最大主应力方向上，其投影值最小的应力值确定为最小主应力。4） 由最大和最小应力值计算平均应力，见式（10）。

表2所列各工况的仿真计算结果叠加后，将所有焊缝的平均应力和最大、最小主应力分别输入Goodman疲劳极限界限图，结果如图3所示。

图3 焊缝疲劳极限图

在各疲劳载荷工况下，高度集成化风源系统柜柜体各焊缝的最大主应力和最小主应力均位于Goodman疲劳极限界限图内，疲劳强度计算结果满足标准EN 12663-1-2010的要求。

7 结语

高度集成化风源系统柜集成了除总风缸以外的全部风源系统部件，满足结构强度要求及压缩机在狭小空间内的通风散热要求。与中白2型货运电力机车风源系统设备布置相比，节省纵向尺寸500mm左右，能够有效缓解设备布置空间紧张的问题，尤其对六轴机车机械间设备布置具有重要的现实意义。同时，高度集成化设计提升了机车风源系统模块化设计水平。