首都机场线风源装置国产化研制

秦东宾 ,吴学瑞 ,焦建龙 ,郭宗斌

(1.中车制动系统有限公司 技术研发中心,山东 青岛 266031;2.耐力股份有限公司 轨道交通事业部,河北 石家庄 051130)

首都机场线是北京首次采用直线电机车辆制式,为4编组L型地铁车辆,自2008年投入运营至今已接近12年时间[1-2]。车辆风源装置相关零部件均为进口产品,价格较为昂贵,产品的日常维护、检修以及更换成本同样很高。同时,在产品运营过程中,发现存在润滑油乳化、空压机加油口机壳螺纹损坏、风源控制信号不完善等问题。为解决上述问题,有必要对原车风源装置进行国产化替代研制,既可以促进自主知识产权风源装置的发展,又可以规避相关问题、降低后期维护成本。

1 国产化设计

首都机场线车辆现采用滑片式空压机,国产化方案需采用同种型式。国产化风源装置需具备与原车进口产品相同的功能及技术性能,并在此基础上进行相关技术升级;部件接口与原车产品一致,原车改动最小化。因此国产化风源装置的研制以原车风源装置接口尺寸为设计输入,保证与原车产品互换;其中部分部件因技术落后已被淘汰,无法实现整机互换,则保证对原车改动最小化。

国产化风源装置由四大主要部件构成:即框架、空压机总成、空气处理系统和电控箱总成(图1)。

图1 首都机场线国产化风源装置

风源装置框架主要用于连接支撑风源装置上各零部件,其由具有高性能的低合金高强度钢组成,充分保证了其强度和可靠性的要求。4个安装点位通过橡胶减振器连接于车体上,有效降低与车体之间的振动冲击。

空压机总成由滑片式空压机、油冷却器、离心风扇、联轴器、三相交流电机等组成一个整体。由联轴器将滑片式空压机和电机连接起来,中间安装风扇和冷却器,风扇给冷却器提供冷却风,该设计使设备更加紧凑,节约空间。

空气处理系统包含气冷却器、WS级过滤器、AA级过滤器、吸附式干燥器、压力维持阀、压力开关等。工作循环是由经过气冷却器冷却后的压缩空气进入过滤器,再经吸附式干燥器处理,最后输出干燥清洁的压缩空气供车辆使用。

电控箱总成主要由电控箱体、接触器、热继电器、中间继电器、时间继电器、计时器、计数器、接线端子、电连接器等组成。集中管控各电器件的动作,通过电连接器将车辆的动力电引入风源装置,并由控制连接器引入车辆控制电并给车辆反馈运行状态信号。

2 技术创新点

首都机场线风源装置国产化研制在兼顾原车辆用风源装置的同时,在以下方面进行了技术性创新。

2.1 滑片式空压机国产化

滑片式空压机也叫旋转叶片式压缩机,属于回转式压缩机的一种,其主要由转子、定子、滑片等构成,通过转动叶片来实现气体压缩。其中转子上开有纵向的滑槽,滑片在其中自由滑动;定子为一个气缸,转子在定子中偏心放置,如图2所示[3]。当转子旋转时,滑片在离心力的作用下甩出并与定子通过润滑油膜紧密接触,相邻两个滑片与定子内壁间形成一个封闭的空气腔——压缩腔。转子转动时,压缩腔的体积随着滑片滑出量的大小而变化。在吸气过程中,外部空气经空气过滤器被吸入压缩腔,并与喷入主机内的润滑油混合。在压缩过程中,压缩腔的体积逐渐缩小,压力逐渐升高。进入机械分离腔和油分芯,润滑油经过冷却和过滤后又进入另外一次循环,而压缩空气经过冷却和净化后排出机外。

图2 滑片式空压机示意图

滑片式空压机具有启动性能好、运行平稳、效率高、噪声和振动较低等优点[4],但也存在有油空压机的润滑油乳化问题。

该滑片式空压机由国内供应商自主设计开发,具有完全的知识产权,内部各项关键零部件均由国内加工制造,实现完全地国产化。产品供货周期相较于进口产品明显降低,同时售后服务和技术支持更加及时、便捷。

2.2 原车空压机润滑油乳化问题解决

针对原车在运营过程中极易出现的润滑油乳化问题,进行针对性地控制,其基本思路是:保证风源装置运转率最少达到30%,同时空压机配置运行温度开关,车辆运营时保证空压机每次运行的润滑油温达到80℃后才会停机。

风源装置电气控制原理图如图3所示,当空压机压力开关闭合或网络控制信号输入时,接触器得电,空压机启动;风压到达10 bar后,若空压机润滑油温未达到80℃,压力开关回路断开,油温回路保持闭合,空压机继续运行,此时空压机内部的伺服阀动作,关闭进气口,空压机不再输出压缩空气,直至润滑油温达到80℃后空压机停机;若风压到达10 bar时润滑油温已到80℃,油温回路断开,压力开关回路断开,空压机停机。

图3 国产化风源装置电气控制原理图

2.3 原车空压机加油口机壳螺纹损坏解决

由于原车空压机加油、换油等日常维护及检修拆卸,机壳加油口出现螺纹乱扣平面度损坏问题,产生漏油现象。而机壳为空压机的多零件承载体,维修难度大,更换成本高。

针对此问题在国产化研制中进行规避,采用加油阀进行加油,如图4所示,此件为钢件,刚度较大,不会因日常维护检修而破损。同时该零件作为独立零件,可以单独进行更换,方便加油、换油及日常维护操作。

图4 原车与国产化风源装置加油口实物对比

2.4 优化车辆对空压机的控制策略

现车辆对空压机的控制方案为:空压机由压力开关控制,车辆运行时一空压机为主空压机,通过编组间双向止回阀向其他车辆进行补风,另一台空压机为辅助空压机,对补风后的差值再进行补风。该控制策略中,辅助空压机频繁启停,工作率可能会偏低,容易引起润滑油乳化。

参考目前国内城市轨道项目控制策略进行国产化风源装置的控制策略优化。每列车配置2台空压机,其由TCMS控制。在正常工况下,2台空压机由TCMS根据单双日分为主风源装置和副风源装置[5-6],同时设定2个总风压力值K1和K2(K1＞K2,一般其值在7～9 bar之间)。当总风压力低于K1时,TCMS控制主风源装置启动补风;当总风压力低于K2时,TCMS控制主、副风源装置启动补风;而当总风压力高于10 bar时,TCMS控制风源装置停机。

将备用压力开关作为TCMS 控制的冗余选项。当总风压力低于K2时,备用压力开关触点导通,强制风源装置启动;相应地,当总风压力高于10 bar时,备用压力开关触点断开,风源装置失电停机。该项目因其他原因未采用方案。

3 方案对比

将国产化风源装置的主要相关技术参数与原车方案进行对比,主要从尺寸、排量、空气质量、噪声、额定电流、质量和全周期成本方面进行考虑。表1为原车与国产化风源装置参数对比表。图5为实物对比图。

表1 原车与国产化风源装置参数对比表

图5 风源装置实物对比

从表1中可以看出,国产化后风源装置的安装、接口尺寸与原车一致,而整体尺寸相对较小,更加小型化;排量与原车完全一致;压缩空气质量指标相较于原车风源装置进行了严格规范,露点要求提高,符合行业标准要求;噪声指标、额定电流、质量指标略有提高;全寿命维护成本大大降低。

综上所述,国产化风源装置性能优于原车产品。

4 方案验证

为了验证国产化风源装置的功能和性能,对其进行一系列的方案验证,方案验证主要分为3个方面:型式试验、动静态调试、运营考核。

装车前,到第三方风源装置检测机构进行型式试验,主要测试风源装置的性能,如性能试验、压缩空气质量试验、油温开关试验、噪声试验、高低温度试验、冲击振动试验、绝缘耐压试验、防护等级试验、耐久试验、温度测量、电磁兼容试验等,获取第三方型式试验报告,初步验证方案的可行性。

其后,用一套国产化风源装置代替原车一套风源装置,进行动静态调试和空载运行。对风源装置的空压机控制、供风能力等功能进行验证。对比两者各项性能指标,与车辆的接口是否一致,验证国产化风源装置是否能够满足技术规格和相应标准。

最后,正线进行长时间载客考核,在此期间无较大故障产生,并出具考核报告。

目前已完成全部考核,充分验证了国产化风源的性能和功能,国产化风源装置与原车风源的电气接口、机械接口、控制接口及技术参数等完全一致,满足车辆的运营要求,同时优化了原车风源的相关问题,国产化产品可靠性更高。

5 结论

针对目前轨道车辆进口风源装置国产化是一项针对性、系统性复杂的工程。首都机场线风源装置国产化研制和运用,进一步推动了我国城轨项目风源装置的国产化发展,同时也为后期的同类项目发展提供了良好的借鉴。国产化发展不仅仅是原有产品的替代,更在其基础上进一步推进创新,在自主化技术创新发展的同时,提高产品的各项性能指标,降低相关维护成本,实现技术创新和经济效益的双赢。