复杂环境条件下风源系统性能的研究*

2022-03-24孔德帅张建海孙正军宫明兴裴正武

铁道机车车辆 2022年1期

孔德帅，张建海，金哲，孙正军，宫明兴，裴正武

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

中国地域辽阔，地势地形复杂多样，各地区气候差异显著。因此在中国庞大的轨道交通网络中，车辆的运行环境多变，对风源系统适应性研究具有重要意义。

1 概述

风源系统是为轨道交通车辆提供洁净压缩空气的关键部件，其产生的压缩空气除供给车辆空气制动系统外，还供给车辆的升弓系统、撒沙系统、电空控制系统及车辆空气弹簧等辅助用风设备。风源系统通常包括进气过滤装置、空气压缩机、后处理装置等，其中空气压缩机是风源系统的核心部件［1］。空压机工作环境的海拔高度、大气温度、空气相对湿度和动力源等对其输出性能产生一定的影响。

目前轨道车辆用主流的风源系统通常采用活塞式压缩机和螺杆式压缩机。活塞式压缩机由于结构简单，易于维护的特点，在地铁车辆和动车组等轨道车辆中广泛应用［2］。

2 理论解析

以活塞压缩机为例，压缩机的排气量是指单位时间内，压缩机最后一级排出的气体量换算到第一级进气状态下（压力、温度、湿度和压缩性系数）气体的容积值，通常换算到标准状态下计算。活塞式压缩机活塞在每一行程所扫过的容积值称为气缸工作容积，以Vp表示。单位时间内气缸的理论吸气容积值称为气缸的行程容积，以Vt表示。

式中：D为气缸直径；S为活塞的行程；n为曲轴的转速；i为同级气缸数。

实际上压缩机运行时由于余隙容积、气阀及管线上压力波动，热交换、泄漏等因素的影响，使行程容积的有效值减少。因此在一级排气压力下，一级压缩的实际排气量换算到标准状态下为式（2）：

式中：λ1为压缩机一级的排气系数，λ1=λv1λp1λT1λg1；Ts1为压缩机吸气温度；ps1为压缩机吸气压力。

将压缩过程等效成绝热过程，一级压缩后的排气温度为式（3）：

式中：κ为理想气体的绝热指数；pd1为一级压缩的排气压力。

对于两级压缩的活塞压缩机而言，排气量为式（4）：

式中：μd2为压缩机第二级的干气系数；μo2为压缩机第二级的抽气系数；ps1为一级压缩的吸气压力；ps2为二级压缩的吸气压力；Ts1为一级压缩的吸气温度；Ts2为二级压缩的吸气温度。

压缩机在一级压缩后，压缩空气通常先经过中间冷却器进行冷却，然后再进行第二级压缩，以提高机组的效率。对于空冷中间冷却器，根据热力学第一定律，中间冷却器的热交换可以写成式（5）：

式中：Φ为中间冷却器的热流量；A为中间冷却器的散热面积；h为中间冷却器的换热系数；ΔT为压缩空气和冷却风间的平均温度差；c1为压缩空气的比热容；c2为环境气压下空气的比热容；q1为压缩空气的流量；q2为冷却风扇的冷却风量；ρ1为压缩空气密度；ρ2为环境气压的空气密度；ΔT1为压缩空气经过冷却器的进出口温差；ΔT2为冷却风扇的进排风温差。

中间冷却器的电机功率为式（6）：

式中：η为中间冷却器风机电机的效率；pa为中间冷却器风扇的风压。

由式（2）～式（6）可得两级压缩活塞压缩机在标准大压力下的排气量为式（7）：

二级压缩的排气温度为式（8）：

式中：pd2为二级压缩的排气压力；Td1为一级压缩的排气温度；Td2为二级压缩的排气温度。

风源系统的排气量和排气温度是风源系统最重要的指标之一，通过计算分析可知风源系统的排气量和排气温度会随吸气压力、吸气温度以及排气压力、冷却条件等因素而改变。在理想的情况下，当排气压力一定时风源系统的排气量随着环境大气压力的升高而升高，随着环境温度的升高而降低；排气温度随着环境大气压力的升高而降低，随着环境温度的升高而升高。

3 仿真分析

3.1 分析建模

LMS Imagine. Lab AMEsim 是一款多学科复杂领域仿真平台，其在航天、液压、汽车等领域广泛应用［3-4］，因其含有整套的标准可靠的模型库，在系统建模和多学科耦合分析中广受欢迎［5］。软件通过可视化的图标元件进行模型搭建，极大地简化了工程人员的建模过程。

利用AMEsim，建立二级压缩的活塞式风源系统仿真模型如图1 所示，3 个活塞缸呈星形沿轴均布，模型的主要参数见表1。空气经过每级压缩后均经过一个具有热交换功能的腔室进行冷却。在二级压缩出口处设置最小压力阀，使压缩机出口压力稳定在10 barA 左右，在最小压力阀下游设置一个100 L 风缸来缓冲活塞式压缩机造成的压力脉动。

表1 仿真模型的主要参数

图1 二级压缩的活塞式风源模型

3.2 环境因素对各级压缩比的影响

利用图1 所示的仿真模型，最小压力阀保证压缩机第二级压缩出口压力为10 barA，通过改变风源系统的环境压力和环境温度，包括压缩机吸气压力、吸气温度和中间冷却器的环境温度和环境压力，得到各级压缩比的变化规律如图2、图3 所示。由于设置的吸气压力降低，排气压力保持不变，因此风源系统的总压缩比增大，压缩比的增大会使得压缩机的容积效率降低，为了保证制动系统与海平面处相同的性能，要求风源系统空压机选型时应充分考虑海拔的影响，当车辆在高原地区应用时应选用较大的容积流量。

图2 不同环境压力及温度下第一级压缩比变化规律

图3 不同环境压力及温度下第二级压缩比变化规律

由图2 可以看出在风源系统输出压力不变的情况下，随着环境压力和环境温度的变化，第一级压缩过程的压缩比基本稳定在4.2～4.3 之间，变化不明显。因此在输出压力不变的情况下，环境因素的变化导致的总压缩比变化主要通过改变第二级压缩过程的压缩比实现的，如图3 所示。随着环境大气压力的降低第二级压缩过程的压缩比不断增加，且随着环境温度的增加第二级压缩比也随之缓慢增加，但总体而言环境温度对压缩比的影响不大。

3.3 环境因素对排气温度的影响

风源系统的排气温度过高不仅会影响下游用风设备的使用寿命和可靠性，而且影响风源自身机组的效率，因此控制风源系统的排气温度具有重要的意义。在仿真中将风源系统的各级压缩过程等效成绝热过程，风源系统仅在中间冷却器中与外界环境进行热交换，并假设风源系统冷却器的换热系数不随环境变化而变化。

经过第一级压缩后的压缩空气流经中间冷却器后，其排气温差随着环境大气压力的增加而增加，平均温差变化梯度约为23.8 ℃/barA，而随着环境温度的不断提升，一级冷却器的排气温差也不断增高，平均温差变化梯度约为0.018 ℃，如图4 所示。第二级压缩后的压缩空气经过冷却器后，其冷却温差随着环境大气压力的升高而升高，平均温差变化梯度约为4.1 ℃/barA，但是随着环境大气温度的不断升高，二级冷却器的排气温差不断降低，在环境压力为1 barA 时，其温差变化梯度约为0.01 ℃，如图5 所示，因此环境温度的影响基本可以忽略。性能良好的冷却系统能够保证在复杂环境条件下使风源系统的排气温度与环境温差小于15 ℃。风源系统在车辆上安装时应充分考虑风源系统的散热情况，在车辆日常维护过程中应检查和清理风源系统的散热出口，以保证风源系统可靠正常地工作。

图4 不同环境压力及温度下第一级排气温差

图5 不同环境压力及温度下第二级排气温差

3.4 环境因素对排气量的影响

利用图1 所示的仿真模型计算得到风源系统出口处排气的质量流量随环境因素的变化规律，如图6 所示。随着环境大气压力的降低，风源系统的质量流量也不断减小，质量流量随环境大气压压力的变化梯度约为19.2［（g/s）·（barA）-1］。风源系统排气的质量流量随环境温度的升高不断减小，且环境大气压力越高，质量流量的变化梯度越大。在环境20 ℃时，海拔高度3 000 m 的地区大气压力约为0.67 barA，由图6 可知，在海拔3 000 m地区应用的风源系统的排气质量流量约为海平面地区排气质量流量的67%。因此当车辆应用于海拔3 000 m 时，所选风源系统的容积流量要比在海平面使用时至少大1.5 倍。在海平面标准大气压力下，环境温度为40 ℃时，风源系统的排气质量流量约为环境温度0 ℃时的86%，因此当车辆应用在温差变化较大的地区时，风源系统选型应充分考虑温差的影响。

图6 不同环境压力及温度下排气流量

3.5 环境因素对曲轴扭矩的影响

曲轴是活塞式压缩机的动力传动部件，电动机等外在动力通过曲轴将动力传递到压缩机，并且曲轴安装在其上的连杆将回转运动转化为往复运动，从而实现活塞压缩机的工作。因此曲轴上负载的变化将反映压缩机所消耗的功率大小［6］。

根据建立的理想风源系统模型，不考虑风源系统工作过程的摩擦及其他形式的能量消耗，通过计算得到在固定环境温度、不同吸气大气压力下，风源系统在工作过程中曲轴上扭矩的变化规律。在20 ℃的环境温度下，风源系统工作环境大气压力越大，则曲轴上的扭矩越大，如图7 所示。这是由于在气缸直径和活塞的工作行程一定的情况下，风源系统工作环境的大气压力越大，第一级压缩比固定不变，第一、二级压缩过程的吸气压力相应的也要增大，吸气压力的增大导致在压缩过程中压缩腔的压强越大，因而作用在活塞的反作用力越大，如图8、图9 所示，从而导致曲轴的扭矩越大。