货运机车用压缩机型式对比分析及选型

张智萍 王树海 刘治国

摘要：通过对活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机技术参数及使用性能的对比分析，明确两种类型压缩机之间的差异。在此基础上，对列车用风进行详细计算，确定列车用风量的大小，再根据用风量的大小确定压缩机排气量的大小，最后对货运机车设计中压缩机选型提出参考建议。

关键词：机车；压缩机；用风；耗风；排气量

中图分类号：U262.6 文献标识码：A

Comparison and Selection of Compressor Type for Freight Locomotive

Zhang Zhiping， Wang Shuhai， Liu Zhiguo

Technical Center， CRRC Datong Co.，LTD.， Datong， Shanxi 037038

Abstract： This thesis， through the comparison of technical parameters and performances between piston air compressor and screw air compressor， determines the differences of the two types of compressors. Based on this， it puts forward advices on the choice of compressors during the design of tain by air outputs of compressors， which are defined by the required air volumes that are decided through detailed calculation of air volumes for frieight locomotive.

Key words： locomotive； compressor；required air volume；air consumption；air output

1 概述

機车风源系统是机车空气制动系统的基础，也是全列车空气制动系统的基础。而压缩机是电力机车风源系统中必不可少的主要部件。机车用压缩机选型是影响机车风源系统的供风能力的主要因素之一。

机车用压缩机选型主要取决于机车的使用范围和牵引能力，还应考虑总风缸的容积与压力范围、空气干燥器再生耗气率、总体布置的可行性以及机车设计任务书或机车招标书（用户需求）等。应该合理地选择这些参数，并使它们达到合理的匹配。本文通过对压缩机型式进行对比分析，就压缩机型式、参数、方案选择（1+1方案，2台压缩机一起打风；1台压缩机打风）进行了研究。

2 空气压缩机型式及对比分析

目前就空气压缩机型式的选择普遍采用活塞式或螺杆式的现实来看，可以说明这两种型式的空气压缩机都能适应机车风源系统的要求。

国内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），温度较高 （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加重，影响干燥与净化效果。机车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（冷却管长为20m以上）。而机车用螺杆式空气压缩机中已包含有油气分离器与后冷却器，压缩空气中含油较低（5ppm），温度仅高于环境温度10℃～15℃，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可靠。此外，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油气分离的效果及防止润滑油的乳化，要求其工作率不小于30%，且越大越好。也可以说满足同样的供风能力，螺杆式空气压缩机排气量可以比活塞式空气压缩机排气量小，但仍然可以保证机车或列车的安全运用。

国内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的质量普遍不高。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；同时还存在噪声大，振动大，油耗大，易损易耗件多，检修周期短，使用寿命短、故障率高，可靠性低等问题，已严重影响了机车风源系统的正常工作。因此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。目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，已达到国际先进水平。尽管螺杆式空气压缩机的价格较高，但由于检修周期长、故障少、油耗低、寿命长、易损易耗件少，所以其综合运用成本还是较活塞式空气压缩机低。

通过上述对活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机对比分析，螺杆式空气压缩机成本低、性能可靠，机车上应优先采用。

3 空气压缩机排风量计算

空气压缩机排风量计算时，需对列车用风进行详细计算，以确定列车用风量的大小，再确定压缩机排气量的大小，如下所示。

3.1 列车耗风量计算

3.1.1 列车制动系统容积计算

（1）列车主管容积V1

V1=（L1j+nL1i）×1.004

式中，L1j为机车列车主管长度，单机取30m，双机重联取60m；L1i为车辆列车主管长度，取15mt；1.004为Dg32钢管的单位长度容积，L/m；n为车辆数。

（2）列车支管容积V2

V2=（L2j+nL2i） ×0.573

式中，L2j、L2i分别为机车（单机取1.5m，双机重联取3m）、车辆（取1.5m）的列车支管长度；0.573为Dg25钢管的单位长度容积，L/m。

（3）车辆副风缸容积V3

V3 =nVf

式中，Vf为车辆副风缸容积，取100L（103制动机）。

（4）机车与车辆分配阀容积V4

V4 =V4j+nV4i

式中，V4j、V4i为机车、车辆分配阀容积（包括工作风缸等），V4j单机取11L，双机重联取22L，V4i取11L。

（5）机车总风缸及联管容积V5

总风缸容积单机取1224L，双机重联取2448L，其联管长度按单机30m，双机重联60m，管路为Dg32钢管，管路计算容积为30L或60L。

（6）全部制动系统容积V

V=V1+V2+V3+V4 +V5

不同吨位列车的制动系统容积计算结果见表1（按《列车牵引计算规程》取4000t级52辆、5000t级65辆、6000t级78辆）。

3.1.2 列车压缩空气消耗量

（1）管路系统的空气漏泄量Q1

Q1 =（V3+V5）A1/P0+（V1+V2+V4）A2/P0

式中，A1为机车总风系统及车辆副风缸漏泄量，取10kPa/min；A2为列车管系漏泄量，取20kPa/min；P0为大气压力，取100kPa。

（2）常用制动再充气空气最大消耗量Q2

Q2=rmaxN（V1+V2+V3+V4）/（60P0）

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

（3）机车控制与辅助系统空气消耗量Q3

Q3 =QS+QL+Qd+Qq

式中，QS为撒砂用风量，单机取60L/min，双机重联取120L/min；QL为风喇叭用风量，单机与双机重联均取25L/min；Qd为控制系统的风动电器用风量，单机取10L/min，双机重联取15L/min；Qq为辅助系统的其他器械用风量，单机与双机重联均取25L/min。

（4）压缩空气总消耗量ΣQA

ΣQA=Q1+Q2+Q3

不同吨位列车的压缩空气消耗量计算结果见表2。

3.1.3 列车充气缓解空气消耗量

（1）初充风空气消耗量ΣQB

ΣQB=P1（V1+V2+V3+V4）/P0t1+Q1

式中，P1为列车管定压，按500kPa取值；t1为列车初充气时间，8min（4000t级）、10min（5000t级）、12.5min（6000t级）。

（2）紧急制动再充气空气消耗量ΣQc

ΣQc=[P1（V1+V2）+rmax（V3+V4） ]/（P0t3）+Q1+Q3

式中，rmax为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为紧急制动后的再充气时间，取3.6min（4000t级）、4.6min（5000t级）、5.6min（6000t级）。

3.2 壓缩机排量计算

按国内外通行惯例，一般每台机车采用2台相同的空气压缩机，而单台空气压缩机的排气量按照牵引列车运行时的压缩空气总消耗量ΣQA来选取。至于列车初充风、紧急制动后的再充风，均应由2台空气压缩机共同完成。这样在1台压缩机出现故障后，也可保证牵引列车正常、可靠、安全的运用（列车调速与停车一般只采用常用制动，而其他形式的充风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。

单台空气压缩机排气量Q=ΣQA/φ

式中，φ为空气压缩机供风效率，取φ=0.80（螺杆式空气压缩机）。

每台机车空气压缩机排气量计算结果见表3。

通过表3不难看出，1台排风量约为2.4m3/min螺杆式空气压缩机为4000t级的列车供风基本能满足要求，但大于4000t时排气量明显偏小。

4 结论

根据以上分析对比及计算，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稳定可靠性。

货运机车的风源系统至少采用1台排气量为3.0m3/min的螺杆式空气压缩机，建议在安装空间允许的前提下，尽量能够安装2台空气压缩机（从备用冗余的角度考虑，1台压缩机出现故障后，也可保证牵引列车正常、可靠、安全地运用），这样就可以充分满足5000t级列车供风要求。若要满足6000t列车的供风需求，压缩机的排量需至少提升至3.5m3/min以上。

参考文献

[1] 刘豫湘，等.DK-1型电空制动机与电力机车空气管路系统[M].北京：中国铁道出版社，1998

[2] 张振鹏，等.列车制动计算[M].北京：中国铁道出版社，1984

[3]周浩，王树海，仝雷.HXD2型大功率交流传动电力机车空气管路与制动系统[J].机车电传动，2008（5）：15-18.

[4]王俊勇，杨美传.大秦线2万t重载组合列车制动计算分析[J].内燃机车，2008（4）：5-7.

作者简介：

张智萍（1979-），女，汉，籍贯辽宁省昌图县，工程师，主要从事机车制动系统研究开发工作。

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