机车风源系统供风能力的研究

1、机车风源系统供风能力的研究作者：株洲电力机车厂刘豫湘吴智卢东涛方氏征摘要：介绍了影响机车风源系统供风能力的空气压缩机型式、空气压缩机排气压力、总风缸 压力范围的选取原则以及空气压缩机的排气虽与总风缸容积的计算与选择方法。通过试验结 果，提出了机车空气压缩机排气量及总风缸容积对列车充气缓解的影响，证明现有ss3b 型机车风源系统供风能力满足40005000t列车的充气要求。关键词：机车；供风能力；空气压缩机；总风缸机车风源系统是机午空气管路系统的基础，也是全列车空气管路系统的基础。影响机车风源 系统供风能力的主要因素有：空气压缩机型式，空气压缩机的排气压力与排气量，总风缸容 积与压力范围等。这些

2、参数的选择主要取决于机车使用范围和牵引能力，还应考虑空气于燥 器再生耗气率、总体布置的可行性以及机车设计任务书或机车招标i”用户需求）等。怎样合 理地选择这些参数，并使它们达到合理的匹配，本文将逐一介绍。1空气压缩机型式的选择从冃前国外机车普遍采川活塞式或螺杆式空气压缩机的现实來看，这两种型式的空气压缩机 都能适应机车风源系统的要求。但由于我国活塞式空气压缩机制造工艺及材料的影响，机车 用活塞式空气压缩机普遍质量不高。如存在漏油，漏风，连杆与曲轴断裂，进排气阀碎等惯 性质量问题；同时还存在噪声人，振动人，汕耗人，易损易耗件多，检修周期短，整机使用 寿命短及故障率高，可靠性低等。这已严重影响了机

3、车风源系统的正常工作。螺杆式空气压 缩机已在许多领域逐步替代了活塞式空气压缩机。冃前国产螺杆式空气压缩机的主要零部件 （如机头）采用进口高品质产品，整机故障率极低，已达到国外水平。尽管螺杆式空气压缩机 的价格较高，但山于检修周期长，故障少，油耗低，寿命长，易损易耗件少，其综合运用成 本还是较活塞式空气压缩机低。由于机车用国产活塞式空气压缩机压缩空气中含油较多（这也是造成油耗高的直接原因），温 度较鬲且不明确（与工作率及工作时间有关），势必造成空气干燥器的工作负担，影响干燥与 净化效果。机乍一般采用增加油水分离装置减少压缩空气中油的含量，增加冷却管降低压缩 空气的温度（冷却管至少20m以土）。而

4、机车用螺杆式空气压缩机小包含有汕气分离器与后 冷却器，压缩空气屮含汕较低（簇5x10勺，温度仅高于环境温度1015cc,这样就不必再设 置油水分离装置和后冷却器，经空气干燥器处理后的压缩空气干燥净化指标比较稳定町靠。再有，国产机车用活塞式空气压缩机工作率一般最高取10%-20%,而机车用螺杆式空气压 缩机为保证其汕气分离的效果及防匕润滑汕的乳化，要求其工作率不小于30%,且越人越 好。也可以说满足同样的供风能力，螺杆式空气压缩机排气最的选择可以比活塞式空气压缩 机排气量小。通过以上对比，目前国内机车应优先采用螺杆式空气压缩机，以提高机车风源系统的可靠性, 保证机车或列车的安全运用。2总风缸压力

5、范围与压缩机排气压力的选择机车空气压缩机的排气压力一般与机车总风缸最高压力相等，而总风缸的压力范围取决于列 车管的压力(即列车管定压)。根据前苏联资料介绍，总风缸与列车管压力差对于列车空气制 动机缓解时间及常用全制动后再充气时间有影响，其关系如图1所示。图中曲线为列车全 长为100辆装冇苏式马氏制动机的四轴货车的试验结果。zp/kpa1, 2及3总风缸压力与缓解时间illi线；4, 5及6总风缸压 力与充气时间曲线；1, 4 一列车管压力，500kpa： 2, 5 列车管压力, 550kpa： 3, 6 列车管压力,600kpa： t-缓解或常用全制动后再充 气时间，s； ap-总风缸与列车管

6、压力差，kpao图1总风缸压力与缓解充气时间关系曲线从图1中的曲线可知:(1) 当在同样的压力差尸时，列车管压力较髙吋，其缓解及再充气时间均增加；(2) 当列车管压力一定时，压力差尸越大，其缓解及再充气吋间就越缩短。但当p'zookpa 后,缓解时间加速并不显著(图中曲线1, 2, 3,当ap>200kpa时曲线陡直)。实际上，列年管压力提高至超过600kpal对制动效果并不合适,所以当列车管压力为600kpa 时，对加速缓解，总风缸压力取800kpa即厶p=200kpa)是相当满足了；但对加速充气，总 风缸压力取900kpa更为理想。由于总风缸压力不可能是恒定为某一数值，必然在

7、一定范围 内波动，其波动范围由图1可知，宜选择最小压差在150kpa以上，故而在列车管压力为 600kpa条件下，总风缸压力取值为750900kpa是较为合适的。而对于列车管压力为500kpa 条件卜.，总风缸压力范围为750900kpa就更能满足缓解与充气耍求。根据总风缸压力范围 为750900kpa,并考虑到电力机车强泵扳键操作时的总风缸压力最高可到970kpa,故可选 择如下：(1) 活塞式空气压缩机的额定排气压力选择定为900kpao利川其超负荷运川特点，nj使排气 压力提高到额定值的1.1倍，即最人990kpao这样即满足了强泵要求，也满足了正常悄况 下的总风缸压力范围。(2) 螺杆

8、空气压缩机因为有超负荷运用的限制(利用安全阀限压)，其额定排气压力应选择为 1000kpao3空气压缩机排气量的计算与选择机车空气压缩机的排气量取决于制动吋空气实际消耗量及管路系统的空气泄漏量，机乍控制 与辅助装置及英他用风虽，列车充气缓解时间，还与总风缸的容积人小冇关。客运机车空气 压缩机的排气最选择较为方便。木节重点对牵引货运列车的货运机车空气压缩机的排气最进 行计算与选择。3.1列车制动系统容积计算(1) 列车主管容积viv1=(l1j+nl1i)x1.004(1)式中：l1j-车列车主管长度，单机取30m,双节重联取60m；l1i车辆列车主管长度,取15m；1.004-公称通径为dg3

9、2管径的单位长度容积，l/m；车辆数量。(2) 列车支竹容积72v2=(l2； +nl2, )x0.573(2)式屮：l2； , l2, 一分别为机车(单机取1.5m,双节重联取3m)、车辆(取1.5m)的列车支 管长度；0.573 一公称通径为dg25管径的单位长度容积，l/n%(3) 车辆副风缸容积vgv3=nvf(3)式中：vf为车辆副风缸容积,取60l。(4) 机车与车辆分配阀容积v4v4=v4j+nv4i式中：v4j, v4i为机-乍、车辆分配阀容积(包括工作风缸等)，v4j单机1r11l,双节重联収 22l, v4i 取 11l。(5) 机车总风缸及联管容积vs总风缸容积单机取12

10、24l,双节重联取2448l, k-联管按单机30m,双节重联60m长度， 公称通径dg32,管路计算为30l或60l。(6)全部制动系统容积vv=v1 +v2+v3+v4+vs(5)不同质量列车的制动系统容积计算结果见表1。表1不同质量列车的制动系统容积3.2列车压缩空气消耗量(1) 管路系统的空气漏泄量q1q1二(v3+v5)a1/p0+(v1+v2+v4)a2/p0 (6)式屮：a1机车总风系统及车辆副风缸漏泄量，取10kpa/min；a2列车管系漏泄量，取20kpa/min；p0大气压力,取lookpa；(2) 常用制动再充气空气最大消耗量q2q2=rmaxn(v1+v2+v3+v4)

11、/ (60p0) (7)式屮：rmax最大冇效减压量，按列车管定压500kpa,取 140kpa；n每小吋全制动次数，取n二5。(3) 机车控制与辅助系统空气消耗量q3q3二qs+ql+qd+qq (8)式中:qs撒砂用风量，单机取60l/m,双节重联取120l/m；ql风喇叭用风量，单机与双节重联均取25l/m；qd控制系统的风动电器用风量，单机取10l/m,双节重联取15l/m；qq辅助系统的其它器械用风量，单机与双节重联均取25l/m0(4) 压缩空气总消耗量sqa工qa二q1+q2+q3(9)不同质量列车的压缩空气消耗量计算结果见表2。表2不同质量列车的压缩空气 消耗量3. 3列车充气

12、缓解空气消耗量 (1)初充风空气消耗量sqbsqb=p1 (v1+v2+v3+v4) /potl+ql (10)式中：pl-列车管定压，按500kpa取值;tl列车初充气时间,取 8min（4000t 级），10min（5000t 级），12. 5min（6000t 级）。不同质量列车初充风空气消耗量计算结果见表2o（2）紧急制动再充气空气消耗量sqc工qc二出叫七：,5耳（丫主也+q+q?（u）式屮：nnax-由于紧急制动时，副风缸压力下降值与最大有效减压量相同，按列 车管定压500kpa,取140kpa；t3-紧急制动后的再充气时间,取3. 6min（4000t级）,4. 6min（500

13、0t级）,5. 6min（6000t 级）。不同质量列车紧急制动再充气空气消耗量计算结果见表2。3. 4空气压缩机的排气量按国内外通行惯例，一般毎台机车采用两台相同的空气压缩机组，而单台空气压 缩机的排气量按照牵引列车运行吋的压缩空气总消耗量艺qa来选取。至于列车 初充气、紧急制动后的再充气，均应由两台空气压缩机共同完成。这样在一台压 缩机故障后，既可保证牵引列车止常、可靠、安全的运用（列车调速与停车一般 只采用常用制动，而其他形式的充气缓解均是在列车停车状况下进行的），又符 合经济性（低成本）的要求。（1）单台空气压缩机排气量口q二工 qa/d）（12）式屮4）为空气压缩机供风效率，取4）二

14、0.80。计算后的q,经满足工qb,工qc校核，并经圆整及空气压缩机排气量已有规格 处理后的每台机车空气压缩机排气量（2q）结果见表2o（2）几点说明列车实际运行中，由于机车动力制动的投人使用，列车压缩空气消耗量比计算值 小。如常用制动r=70kpa时的再充气时空气消耗量只冇rmax=140kpa时的一半。 如果常用制动再充气的空气消耗量q2维持表2屮值不变，则r=70kpa时的每小 时制动次数可增至10次，即45 6min就可以实施一次制动、保压与缓解。表2中的空气压缩机排气量q值是在机车总风缸容积为1224l或2448l的条件下, 综合考虑工qa, sqb,工qc以及(1)后求出的。由于计

15、算过程中考虑了总风缸泄 漏因素，如果机车总风缸容积降低(如ss4系列机车)，其空气压缩机排气量q 值选取还可以降低。如空气压缩机型式采用活塞式，则因其工作率的影响，空气压缩机排气量q值应 适当增加25%以上。4总风缸容积的计算与选择机车总风缸为储存机车以及列车用压缩空气的压力容器，其容积的选择必须根据 机车空气压缩机排气量、机车制动耗风量及管路系统的泄漏等确定。一般采用下 式计算(仅考虑货运机车的总风缸容积)。vz= rmax(v1+v2+v3+v4) +v3a1+ (v1+v2+v4)a2-qp0t/(p 降-alt) (13)式中：切一选取的总风缸容积；p降-总风缸压力允许卜'降量

16、，取150kpa；t一次全制动后的再充气时间，按(列车牵引计算规程取4000t级52辆2. 5min (150s), 5000t 级 65 辆 3. 2min (192s), 6000t 级 78 辆 4. 0min(240s)o曲上式可知，一旦机车牵引的列车最大辆数确定，则总风缸容积切主要与空气 压缩机排气量q及再充气缓解时间t有关。此值按常用全制动的再充气时间确定, 一般较为适屮。初充气时，压缩空气消耗量高达60007800l/min,大大超过空气 压缩机的排气量，因此还须由总风缸储存的压缩空气共同来补充，这样空气压缩 机的运转吋间将大大增长。当列车充满风后，压缩空气的消耗量大大减少，空气

17、 压缩机再次运转的间隙时间就会延长。按上式计算，并经圆整处理后的机车总风 缸容积见表3。由于实际运行中，正常为两台空气压缩机工作，总风缸容积实际 取值比计算值小。袁3不同质列车的毎台机车总风缸容积牽引«t/t午辆第敷机车状况总风亂容积/l4 0005215004 (xx)52重联1 6005 00065盧联2 3006 (xx)78載联2 500实际上，总风缸除了降低空气压缩机在充气过程中的负载率外，其最大的用处在于能及时在制动系统泄漏和充气时给予补气，并能及时满足机车控制与辅助系统的用风要求。国内主型电力机车的总风缸容积见 表4(供参考)。*4 bh内主型电力机车的总风缸容积机车型

18、号ss1.3.6込 9ss4.4b血.dj,dj2ss3bdji.xk6k总凤何容积/l1 224110002 4482 (xx)1 6005空气压缩机排气f及总风缸容积对列车充气缓解的影响加大机车空气压缩机排气量可缩短列车充气吋间，但空气压缩机排气量p值的选 取在机车设汁和运营中，受诸多方面的牵制，并11其值达到某一确定值时，列车 充气时间就不会再缩短了。其原因在与列车充气性能还耍受机车车辆制动机木身 性能的影响。图2为65辆编组列车初充气曲线图。这组曲线是在西南交通大学制动研究实验 室的定置试验台上得到的。在定置试验过程中没冇考虑机车控制与辅助系统空气 消耗量，列车管漏泄不大于lokpa/

19、mino(b)压缩机排"xi (> = 4 600 l/min,总风缸容积 vz=2 460l. 图263辆编组列车初充气曲线图图2（3）表示在列车初充气过程中，空气压缩机与总风缸里的压缩空气一起向列 车充气。在整个充气过程屮，总风缸压力的最低值下降到500kpa左右，它表明 再加大机车空气压缩机排气量还能缩短列车初充气时间。图2（b）表示将机车空 气压缩机排气量提高到4600l/min,总风缸容积加大到2460l吋空气压缩机在列 车充气过程中起起停停，它表明要想再缩短列车初充气时间，用提高机车空气压 缩机排气量的办法已不行了、其原因是它们还要受到机车车辆制动机本身性能 （如机

20、车中继阀）的限制。表5为在西南交通大学制动研究实验室的定置试验台上得到的纯gk阀不同编组 辆数，列车末端车辆副风缸压力充至480kpa时的列车初充气时间表（没冇考虑机 车控制与辅助系统空气消耗量，列车管漏泄不大于10kpa/min）o表5表明：（1）提高机车空气压缩机排气量或加人机车总风缸容积均能缩短列车 初充气时间；（2）当机车空气压缩机排气量与总风缸容积的匹配达到某一值时， 再加大机车空气压缩机排气量或加大总风缸容积对缩短充气时间彩响不大。原因 在于列车充气性能还要受机车车辆制动机本身性能的影响。图3为在西南交通人学制动研究实验室的定置试验台上得到的65辆编组纯gk 阀的列车再充气曲线图。

21、它表明列车再充气的用风量是很小的；同时证明无论用 单台机车空气压缩机打风述是用双台机车空气压缩机打风，都能满足列车再充气 的要求。心)压螞机 »»(? = 2300 l/min.a 风缸容枳 v=1 230 u图3 65辆列车制动、缓解性能曲线图表6为2003年在贵阳进行的ss3b型机车对57001次货物列车再充气试验的试验 记录。试验列车编组为50辆（其中包括尾端的成都铁路局动力试验车一辆），总 质量为4071t,长度为748m（换长68）。被试ss3b型机车为双节重联货运机车，每节机乍采用排气量为2400l/mi n的螺杆式空气压缩机-台，机车总风缸容积为 4x612二2448l。此次试验中还进行了 5次连续列车管减压lookpa并缓解（间隔iniin）的列车连续制动与缓解充气试验，其小后2次为单台空气压缩机供气，试 验中总风缸压力均不小于750kpao部车耦列车与剔风垃募先时何舉【列牛骨定压500 kpa完至压力 还同義览桑下姉北“甸（2白雄机） 不同杲尺 f的再充代时筒/“台压机）/kpaloom110 kpaloomisokpn140 hp.140 kpa45049<72)143(159)63(74)55(68)92(109)89(105)89(106)149(165)4607«(9|)163(179)82(92)73(86nt(