轨道交通制动系统用无油涡旋式空压机控制方法研究

许荣斌，郭志刚，徐祥晖

（南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，江苏南京 210000）

1 引言

目前，轨道交通制动系统用空压机主要以有油为主，存在油泄漏、油乳化等风险，且需定期对润滑油、油过滤器等部件进行维护保养。近年来，随着用户对制动系统高用风品质及低维护成本的需求越来越高，无油空压机以其无油环保的独有优势，逐渐成为下一代轨道交通制动用空压机的发展趋势。

本文结合轨道交通制动系统用空压机的运维经验，对无油涡旋式空气压缩机进行分析、研究，设计满足轨道交通车辆实际运营温度的无油涡旋式空压机控制方法。

2 无油涡旋式空压机结构

2.1 无油涡旋式空压机组成

无油涡旋式空压机主要由进气过滤器、无油涡旋压缩机（下述为机头）、温度开关、驱动电机、离心叶轮、风道、冷却器、排水电磁阀等组成。以下阐述它的工作原理。

电机驱动机头吸入经进气过滤器过滤后的空气进行压缩，并排出压缩空气，压缩空气经冷却器进行散热。电机同时驱动离心叶轮抽送空气，空气经风道流入机头对压缩部件进行强制风冷，经机头流出的空气通过冷却器进行强制风冷。冷却器底部设有排水电磁阀，定时排出冷却器底部冷凝水。机头上设有温度开关避免机头运行时超过允许使用温度。

2.2 温度开关布置

考虑测点温度代表性、结构强度及维护性，温度开关布置于机头静涡盘低压侧，如图1所示。

如图2所示，在机头运转过程中，温度开关测点温度与机头排气温度有较好的对应关系，图1所示的测点位置温度可代表机头排气温度。

3 无油涡旋式空压机控制方法

3.1 现有空压机控制方法

图1 温度开关安装位置

图2 温度开关测点温度与机头排气温度

现有空压机控制方法如下：当机头后端负载压力低于设定值，机头自动启动；当压力到达设定值，机头停止工作。当温度开关监测点温度超过允许使用温度（温度开关断开温度），机头无法启动；当温度开关监测点温度下降至再次启动温度（温度开关闭合温度），机头可再次启动。

轨道交通制动系统为确保用风裕量，机头排气量大于制动系统实际耗风量。参考某项目制动系统用空压机实际工作率（55%），通过调节负载压力，使涡旋式空气压缩机在吸气温度约50 ℃下按上述工作率进行周期性运行。

如图3所示，空压机在周期性运行100 min过程中，机头温度开关处温度T处于周期性稳定状态。

式中 Tmax——空压机周期性运行过程中温度开关处监测的最高温度

Tmin——空压机周期性运行至稳态后温度开关处监测的最低温度

如图4所示，无油涡旋式空压机连续运行120 min后停止运行，机头温度开关处温度在50 s内由77.4 ℃上升至81 ℃。因机头停机后，叶轮停止送风对涡盘进行散热，在热传导的作用下，涡盘中心高温区域热量传递至低温区域。在自然散热条件下，机头温度开关处温度由81 ℃下降至72 ℃耗时556 s，温降速率：V≈0.016 ℃/s。

供风装置在周期性运行过程中，温度开关处温度最高至77.1 ℃，即将触发温度开关动作值80±2 ℃。若温度开关被触发断开后，需待测点温度下降至72 ℃才可再次闭合。当温度开关处于断开阶段，空压机无法启动，制动系统存在供风不足风险。

3.2 无油涡旋式空压机控制方法

如图5所示，空压机按固定工作率进行周期性运行，空压机运行、负载压力上升；空压机停止、负载压力下降。在空压机运行阶段，机头温度开关处温度逐渐下降；在空压机停止阶段，机头温度开关处温度逐渐上升。

为降低制动系统供风不足的风险，避免机头高温工况下温度开关被触发，分别验证下述控制方法：机头连续运转，排水电磁阀根据负载压力得失电；机头、排水电磁阀根据负载压力得失电，机头延时10 s失电；机头、排水电磁阀根据负载压力得失电，机头延时20 s失电。

图3 无油涡旋式空气压缩机周期性运行

3.2.1 机头连续运转，排水电磁阀根据负载压力得失电

无油涡旋空压机在负载到达指定压力后，电磁阀失电打开，机头连续运转。根据上述工况进行试验，空压机周期性启停，待温度开关处温度周期性变化基本稳定后，空压机停止运行，机头温度开关处温度变化曲线如图6所示。

3.2.2 机头、排水电磁阀根据负载压力得失电，机头延时10 s 失电

图4 无油涡旋式空压机停机后温度开关处温度变化

图5 无油涡旋式空压机温度开关温度随负载压力变化

无油涡旋空压机在负载到达指定压力后，电磁阀失电打开，机头延时10 s失电。根据上述工况进行试验，空压机周期性启停，待温度开关处温度周期性变化基本稳定后，空压机停止运行，机头温度开关处温度变化曲线如图7所示。

表1 机头、排水电磁阀工作状态

图6 机头温度开关处温度变化

表2 机头、排水电磁阀工作状态

图7 温度开关处温度变化

表3 机头、排水电磁阀工作状态

图8 温度开关处温度变化

表4 不同涡旋压缩机控制方法，机头温度开关处温度

3.2.3 机头、排水电磁阀根据负载压力得失电，机头延时20 s 失电

无油涡旋空压机在负载到达指定压力后，电磁阀失电打开，机头延时20 s失电。根据上述工况进行试验，空压机周期性启停，待温度开关处温度周期性变化基本稳定后，空压机停止运行，机头温度开关处温度变化曲线如图8所示。

从表4可以看出：在排水电磁阀根据负载压力得失电，机头连续运转或延时失电，均可降低温度开关处温度。在涡旋式空压机周期性运行过程中，机头连续运转可使有效降低温度开关处温度，但机头失电后，温度开关处温升达3 ℃；机头延时20 s失电，有效降低机头温度开关处温度，且机头失电后，温度开关处温升仅0.9 ℃。

4 结论

（1） 无油涡旋压缩机运转停机后，温度开关处测点温度在热传导作用下上升。

（2） 无油涡旋压缩机周期性运转过程中，机头、排水电磁阀根据负载压力得失电，温度开关处温度最高至77.1 ℃，即将触发温度开关动作值80±2 ℃。

（3） 无油涡旋压缩机周期性运转过程中，机头、排水电磁阀根据负载压力得失电，机头延时20 s失电，可有效降低机头温度开关处温度（最高至74.7 ℃），且机头失电后，温度开关处温升仅0.9 ℃。