某地铁二号线车辆供风单元替代性研究*

徐 帅，赵建飞，王 鑫，田 铎

(1.克诺尔车辆设备(苏州)有限公司，江苏 苏州 215151；2.沈阳地铁集团有限公司运营分公司，辽宁 沈阳 110011)

0 引 言

在地铁车辆中，供风单元(ASU)为车辆的制动系统提供高质量的压缩空气，除制动系统外还为车辆的空气簧、汽笛、升弓装置等设备提供气源，供风单元的可靠性直接影响着车辆的安全运行。

通常供风单元主要包含空压机组、干燥器、油滤器以及安全阀等装置，目前，城轨车辆中市场中较为常见的空压机组主要有两中类型，即活塞式空压机和螺杆式空压机，活塞式空压机较为常见的是克诺尔公司的VV120型空压机组，其性能稳定可靠，同时维护内容较少，螺杆式空压机排量相对较大，噪音和振动性能占有一定的优势。

某城市地铁二号线项目空压机组故障率偏高，维护内容较多且维护的成本偏高，为了降低空压机故障率和检修维护成本，减少车辆维修停时和提高车辆可用性，对二号线既有的供风单元进行了替代性研究和相关的验证工作，同时，为其他地铁车辆供风单元的升级改造提供一定的参考。

1 既有供风单元配置与现状

某地铁二号线于2011年底开通运营，采用6 辆编组B型地铁车辆，最高运行速度 80 km/h，每列车设置2台供风单元，既有供风单元采用某公司的螺杆式空气压缩机组，由三相AC380V交流电动机驱动，供风单元主要部件构成有螺杆式压缩机组、启动装置、冷却器、干燥器、滤清器、安全阀、压力开关等。

两端的Tc车辆配置了启动装置，其中包含接触器、继电器、压力开关等设备，并采用硬线的方式控制空压机的启停，在列车正常运行时两台空压机分别控制，1台(列车运行方向前方的空气压缩机)正常起动，另1台将作为备用空压机。总风的正常工作压力范围为7.50～9.00 bar，当总风空气压力降到低于7.50 bar时，主空压机启动，当总风压力低于6.80 bar时，辅助空压机同时启动，当总风压力低于6.00 bar时，列车自动采取措施保障列车运行安全。

2 新供风单元的设计

2.1 空压机组的选型

经过技术参数的对比，以及车辆的相关技术要求，计划为此项目选择成熟应用的VV120型空压机组，每列车设两台ASU(Air Supply Unit供风单元)，每台ASU主要包括VV120型活塞式空气压缩机组、LTZ015.0H 型双塔空气干燥器和OEF1型精细油滤器等，设备同时安装在一个共用框架以便于安装和维护，对风源的机械接口进行重新设计，满足现车的接口需求，VV120空压机组技术参数见表1所列。

表1 VV120空压机组技术参数

2.2 负荷率与充风时间校核计算

基于车辆已有的配置，如固定的风缸容积、空气簧及附加气室容积、平均旅行速度、制动力大小等，对选择的ASU进行耗风量计算，通过理论计算可知，初充风时间约为14.2 min，总风压力随空压机工作的变化过程见图1所示。

图1 初充风时间理论计算

空压机理论计算的最大负荷率为79.5%，最小负荷率为42.8%，当1台空压机组故障时，另1台空压机组可以满足车辆的用风需求[1]，同时，1台空压机的负荷率不低于30%，空压机负荷率的理论计算结果见表2所列。

表2 空压机相对负荷率理论计算

2.3 启动装置电气改造与功能调整

由于VV120空压机组结构简单，内部采用飞溅式润滑，双塔式干燥塔具备自动的加热功能，针对原空压机组的控制功能及电气原理进行了调整，保持不变的功能/装置有：①空压机启动装置，以及相应的设备与设定值；②空压机管理逻辑；③强迫泵风功能。取消的功能及相应的部件有：①油温的高低温保护功能及相应的报警信息；②防备压启动功能。

空压机管理将保持原有的车辆逻辑与配置不变，为了最大程度的减小车辆的变动，将保留启动装置中的硬件，但对接线进行了适当的调整，电气改造原理图见图2所示，具体为：①保留IX1中的触点/接线1、2、3，其将作为新空压机组380 V的供电，保留IX2中的触点/接线1、2、3，其将分别作为110V控制电路的供电及启动信号；②删除IX2的针脚4，IX3的针脚5、6、7、8、9，IX4的针脚1、2；③特殊处理的接线为继电器KA6的13、14触点，将其调整为常闭触点，同时，温度异常报警信号失效。

图2 启动装置电气改造

3 试验与跟踪测试

为保证车辆的供风性能满足要求，在供风单元装车前后进行了一系列的试验，图3所示为装车后的供风单元。试验主要包含三个部分：供风单元的功能试验、静态调试试验、正线验证试验等。

图3 VV120供风单元装车

3.1 供风单元功能试验

该试验为空压机组出厂时的测试，测试时间不小于1 h，测试项点包含：轴速、排气量、泄漏、压力等，经过测试供风单元性能符合要求[2]，主要的测试结果见表3所列。

表3 功能试验结果

3.2 静态调试试验

供风单元装车后，在车辆静态条件下检查供风单元的各个部件和系统功能，主要包含空压机安装和接线检查、零部件状态检测、启动测试、干燥塔切换周期测试、安全阀功能测试、空压机管理测试、初充风试验、强迫泵风试验等[3]。

3.2.1 列车初充风时间试验

排尽所有风缸和连接管路的余风(含空气弹簧)，启动空气压缩机并记录总风压力的上升时间，总风缸压力由0 bar升到9.0 bar的时间为14 min 7 s，小于15 min，测试结果合格。

3.2.2 空压机管理与强迫泵风测试

试验前确认供风单元的全部设备处于正常工作状态，连接管路的气密性符合要求，缓慢开启总风缸的排水塞门，记录主空气压缩机启动及停机时的总风压力，切断主空压机电源，用上述方法排放总风缸的压缩空气，记录备用空压机启动及停机时的主风压力，切换主/备用空压机后重复上述操作。

主空压机启动压力应为7.50±0.20 bar，停机压力应为9.0±0.20 bar；备用空压机启动压力应为6.80±0.20 bar，停机压力应为9.00±0.20 bar，测试结果见表2所示。空压机状态正常时，手动按下强迫泵风按钮使空压机强制打风，两端空压机启动正常。

表4 空压机启停管理测试结果

3.2.3 干燥塔切换周期测试

空压机正常运转时，根据切换状态与声音判断干燥塔是否按照周期正常的进行切换，空气干燥器的电磁阀以60±10 s间隔得电或失电，测试结果合格。

3.3 空压机负荷率及正线跟踪测试

车辆正线运行并在回库后记录正线运营时长和空压机运转时间，基于负荷率计算公式D=t_on/(t_on+t_off)计算空压机的负荷率，当负荷率高于30%时可有效降低润滑油乳化的风险。根据3个月的抽样测试结果，空压机负荷率不低于30%，表5所列为负荷率抽样测量和计算结果，由于试验期阶段载客量较小，负荷率可能与正式运营后有所差异。

同时，经过3个月5 000 km的正线空载运行，以及3个月30 000 km的正线载客运营，空压机功能状态正常，性能稳定。

表5 负荷率测试(抽样)

3.4 全寿命周期维护

供风单元日常维护内容、周期，以及大修维护的周期是供风单元全寿命周期成本的重要组成，VV120供风单元的主要维护内容有：空气滤清器滤芯的更换(1年/次)、精细滤油器滤芯的更换(2年/次)、润滑油的加注(1年/次)，大修周期最长可至8年或12 000工作小时。经过对比供风单元全寿命周期(30年)的维护费用，将项目的供风单元替换后维护成本可下降约65%。

4 结 语

此次替换采用广泛应用的克诺尔公司VV120型空气压缩机组，根据既有螺杆式空压机的机械/电气接口、维护空间等现场调查结果，对VV120型供风单元的接口以及既有启动装置进行了适当的调整，使其接口和性能等满足某地铁二号线的运营要求，同时保留原有的车辆启动控制装置和设备，较少的变动车辆零部件，实现1:1的替换。经过一系列的试验和跟踪测试，VV120型供风单元功能正常，通过替代能够有效降低空压机故障率和检修维护成本，减少车辆维修停时，提高车辆可用性。