軌道交通無油活塞式主供風單元適應(yīng)性設(shè)計及試驗*

郭志剛,孟繁輝,許榮斌,王宏宇

(1.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司,江蘇 南京 211800; 2.中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)

0 引 言

主供風單元產(chǎn)品是列車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其主要作用是為制動系統(tǒng)和空簧等用風設(shè)備提供干燥、清潔的壓縮空氣。目前,國內(nèi)軌道交通車輛用主供風單元主要有油活塞式和噴油螺桿式兩種,均為有油型式,部分地鐵線路及膠輪車等新應(yīng)用領(lǐng)域已開始逐漸嘗試使用無油型式產(chǎn)品,但均為國外進口產(chǎn)品。

近年來,隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展,列車的牽引、網(wǎng)絡(luò)、制動、信號等關(guān)鍵系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)自主化,但其核心部件仍主要依賴進口。國內(nèi)相應(yīng)的自主化產(chǎn)品均未在軌道交通中廣泛應(yīng)用,甚至部分產(chǎn)品無自主化替代。而且當前單邊主義、貿(mào)易保護主義逐漸抬頭,國際形勢嚴峻。因此,為預防國際貿(mào)易摩擦對制造業(yè)造成阻礙,核心技術(shù)攻關(guān)已迫在眉睫。

基于此,為引領(lǐng)軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向,推動相關(guān)軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提高軌道交通制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì),在軌道交通領(lǐng)域研制擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的無油式主供風單元呈亟待解決之勢。相比有油式產(chǎn)品,無油式主供風單元不但可以有效防止?jié)B漏油、空氣含油超標、油溫高及油乳化等慣性故障,還具有綠色環(huán)保、壓縮空氣質(zhì)量高、維護保養(yǎng)部件少、適應(yīng)工況廣(低溫、低運轉(zhuǎn)率)等顯著優(yōu)點。因此,它將逐漸成為未來軌道交通發(fā)展方向。

筆者基于軌道交通主供風單元低振動、低噪音等技術(shù)要求,結(jié)合間隙啟停模式下低運轉(zhuǎn)率、高可靠性等特殊使用工況要求,開展無油式主供風單元適應(yīng)性設(shè)計及研究。

1 設(shè)計調(diào)研及指標

目前,軌道交通用無油空壓機主要包括無油活塞式和無油渦旋式,這兩者之間主要差異對比如表1所列。

表1 不同壓縮形式空壓機對比

結(jié)合考慮軌道交通車輛的特殊需求和技術(shù)難度、成熟度以及可制造性、可維護性等,此項目決定采用可制造性和技術(shù)成熟度高的無油活塞壓縮形式。

所設(shè)計產(chǎn)品為箱體式結(jié)構(gòu),由電機直聯(lián),驅(qū)動壓縮模塊產(chǎn)生壓縮空氣,采用強制對流散熱方式對機組及壓縮空氣進行散熱,并配置凝聚過濾器及雙塔吸附干燥器實現(xiàn)空氣壓縮,其質(zhì)量符合要求。產(chǎn)品整體方案、工作流程如圖1、2所示,技術(shù)指標如表2所列。

圖1 主供風單元整體方案

圖2 工作流程

表2 技術(shù)指標

2 技術(shù)實現(xiàn)

無油活塞式主供風單元的壓縮過程無潤滑油參與且運動部件作變速運動,因而其散熱效率及壓縮效率低于有油空壓機,且運動過程存在不可避免的慣性力,振動噪音較大。

無油活塞式主供風單元涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括對磨部件可靠性技術(shù)、散熱控制技術(shù)、無油潤滑技術(shù)和減振降噪技術(shù)。

2.1 對磨部件可靠性

無油活塞主供風單元依靠活塞、自潤滑活塞環(huán)及導向環(huán)(PTFE)、氣缸組成的密閉腔室往復變化實現(xiàn)壓縮,對磨部件(活塞環(huán)及導向環(huán)與氣缸壁)存在往復摩擦且伴隨高壓、高溫等惡劣因素,因而對磨部件可靠性至關(guān)重要,壓縮部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 壓縮部件結(jié)構(gòu)

對磨部件可靠性提升體現(xiàn)在以下幾點。

(1) 活塞環(huán)/導向環(huán)在PTFE基體基礎(chǔ)上按特定比列填充玻璃纖維、二硫化鉬、銅粉等,以進一步提升其強度、耐磨性及熱傳導性。

(2) 氣缸采用硬質(zhì)陽極氧化表面處理,提升氣缸摩擦內(nèi)壁硬度及氧化層深度,提高其耐磨性;同時保證一定的粗糙度,使自潤滑材料能夠有效填充在氣缸內(nèi)壁“凹坑”,形成保護膜,進一步降低摩擦系數(shù)。

(3) 采用兩道導向環(huán)設(shè)計,充分保證活塞與氣缸同軸,避免活塞環(huán)及氣缸內(nèi)壁異常磨耗。

2.2 散熱控制

溫度直接影響到壓縮機壓縮效率以及對磨部件使用壽命,為此該方案采用強制對流、內(nèi)外雙重散熱模式進行,通過流場仿真計算明確部件布置結(jié)構(gòu),充分降低壓縮部件溫度。

(1) 外部散熱模式

外部散熱流場如圖4所示。

圖4 外部散熱流場

① 沿冷卻風氣流方向先后布置軸流式冷卻葉輪、氣缸/缸蓋、冷卻器,外界冷空氣直接對流氣缸/缸蓋,可充分提高壓縮部位散熱效率,降低氣缸、自潤滑活塞環(huán)/導向環(huán)等部件工作溫度。

② 氣缸布置在散熱流場同一緯度,互不遮擋,可實現(xiàn)各氣缸散熱均勻。

③ 采用箱體式結(jié)構(gòu),設(shè)計強制對流風道,可防止冷卻風流阻影響散熱。

(2) 內(nèi)部散熱模式

活塞環(huán)及導向環(huán)為導熱系數(shù)較低的非金屬材料,壓縮過程中,活塞吸收的壓縮熱無法及時傳導至氣缸。因而,在內(nèi)部流場中需加強對曲軸箱內(nèi)活塞、軸承等部件的散熱,內(nèi)部散熱流場如圖5所示。

圖5 內(nèi)部散熱流場

① 外界新鮮空氣經(jīng)進氣過濾器過濾后進入曲軸箱,對內(nèi)部活塞、軸承對流散熱后進入氣缸被壓縮。

② 曲軸曲拐采用中空模式,可加強曲拐散熱,避免軸承溫度過高造成潤滑脂外溢。

2.3 無油潤滑

由于運動過程無潤滑油參與,因而在相互運動的摩擦副部位可采用封閉軸承及自潤滑材料等實現(xiàn)潤滑或密封。軸承及自潤滑部件位置示意如圖6所示。各位置運動摩擦副詳細潤滑方式及作用如表3所列。

表3 潤滑方式說明

2.4 減振降噪

(1) 減振技術(shù)

① 為減小機組振動及空間尺寸,文中采用角度式布置形式,在曲軸及飛輪同方向設(shè)平衡重,以減小或抵消部分往復及回轉(zhuǎn)慣性力,平衡重位置如圖7(a)所示。

圖7 減振措施

② 為降低旋轉(zhuǎn)附加動載荷,可配置飛輪,以減小角速度波動,飛輪配置如圖7(b)所示。

(2) 降噪技術(shù)

① 壓縮機模塊整體采用箱體式結(jié)構(gòu)設(shè)計,以減小運動部件噪音輻射。

② 空濾吸氣口設(shè)置抗性消音器,它可以通過改變內(nèi)部噪音路徑實現(xiàn)聲波的反射和干涉,達到降低中低頻吸氣氣流脈動噪聲的目的,消音器內(nèi)部流場仿真如圖8所示。

圖8 空濾吸氣口消音器流場仿真

3 耐環(huán)境能力測試

為驗證散熱效果,文中模擬極端環(huán)境及實際使用工況開展高低溫測試。在關(guān)鍵位置設(shè)置溫度測點進行實時監(jiān)控,通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),機組散熱設(shè)計良好,能較好地適應(yīng)-40～+50 ℃使用環(huán)境。環(huán)境模擬倉及溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控如圖9所示。+50 ℃環(huán)境溫度下連續(xù)運轉(zhuǎn)模式溫度曲線如圖10所示。

圖9 環(huán)境溫度測試

圖10 +50 ℃環(huán)境溫度下連續(xù)運轉(zhuǎn)模式溫度曲線

從圖10可以看出:+50 ℃環(huán)境溫度下,連續(xù)運轉(zhuǎn)主供風單元機組最高溫度<200 ℃(在自潤滑材料允許使用溫度范圍內(nèi)),且冷卻器壓縮空氣出口溫度<+65 ℃,保證了下游雙塔干燥器干燥劑除水量,說明機組能較好適應(yīng)高溫工況。

-40 ℃環(huán)境溫度下間歇啟停運轉(zhuǎn)模式溫度曲線如圖11所示。

圖11 -40 ℃環(huán)境溫度下間歇啟停運轉(zhuǎn)模式溫度曲線

從圖11可以看出:-40 ℃環(huán)境工況下,按30%運轉(zhuǎn)率(啟機2 min,停機4 min)進行測試,機組穩(wěn)定后最高溫度約110 ℃,冷卻器壓縮空氣出口溫度約為-10 ℃,試驗過程未出現(xiàn)機組異響、冰堵等異常故障,說明機組可較好適應(yīng)低溫條件下的間歇啟停運轉(zhuǎn)工況。-40 ℃啟動電流及啟動時間測試如圖12所示。

圖12 -40 ℃啟動電流及啟動時間測試

從圖12可以看出,在-40 ℃環(huán)境下啟動主供風單元時,其啟動電流峰值226 A、啟動時間428 ms,均低于技術(shù)要求(電流峰值≤315 A,持續(xù)時間≤600 ms),這說明機組具有較好的低溫啟動性能。

4 結(jié) 語

無油活塞式主供風單元設(shè)計過程充分識別了軌道交通主供風單元產(chǎn)品實際使用工況,有針對性地開展了技術(shù)設(shè)計、計算及相關(guān)試驗驗證,試驗結(jié)果符合技術(shù)要求。

隨著傳感器技術(shù)、變頻控制等技術(shù)發(fā)展,后續(xù)研究將基于總風用風安全、乘客舒適性及用戶維護便捷性等方面逐漸融合變頻控制和智能化監(jiān)控技術(shù)。根據(jù)總風壓力進行排氣量柔性可調(diào),實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速下更低振動及更低噪音,滿足乘客舒適性要求;并通過數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能算法分析實現(xiàn)故障預警、故障診斷及定位,進一步提升用戶使用體驗。