轨道车辆用风源装置及提高其排气质量的方法与流程

1.本发明是关于轨道交通车辆技术领域，尤其涉及一种轨道车辆用风源装置及提高其排气质量的方法。


背景技术：

2.风源装置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，还供给列车车辆的升弓系统、撒沙系统、电空控制系统及车辆空气弹簧等辅助用风设备。轨道交通车辆的安全性和可靠性对风源装置提供的压缩空气的空气质量(含水、含油、含尘)有着极高的要求。风源装置通常由压缩机组、干燥器、精密过滤器、安全阀等组成。其中干燥器和精密过滤器的共同作用使得压缩空气中含有的尘、水、油保持在一定的水平，从而下游制动系统的用风设备能够获得洁净的压缩空气从而稳定可靠的工作。
3.目前我国轨道交通风源装置的核心部件压缩机组主要以喷油双螺杆压缩机和往复式活塞压缩机为主，其中喷油双螺杆压缩机工作过程需要润滑油进行润滑、冷却和密封，润滑油参与整个空气压缩过程，然后压缩空气需要经油气分离器和精密过滤器进行油过滤。而往复式活塞压缩机又可分为有油润滑和无油润滑两种形式，其中有油润滑往复式活塞压缩机通常采用飞溅润滑，对旋转和摩擦部件润滑，因此油润滑活塞式压缩机组下游也须配置精密过滤器进行润滑油过滤。
4.空气压缩达到制动系统所需压力后温度可升至100℃以上，然后高温的压缩空气经过由冷却风扇和散热器组成的风冷式冷却器进行冷却，但压缩空气经过冷却器后温度仍高于环境温度的约15℃。温度的升高使得压缩空气中水蒸汽和润滑油蒸汽含量升高。同等压力条件下，温度每升高5℃，饱和水含量增加约30％。精密油过滤器对液态油和气溶胶有着较高的过滤精度，但对于油蒸汽的过滤效果有限。风源装置中的干燥器目前以吸附式干燥器为主，吸附剂的特性是低温时吸附量大，高温时吸附量小。同时温度高的压缩空气中饱和含水量也多，进入干燥器时干燥器的负荷增加，导致出口的空气露点上升。
5.由于我国地域辽阔，气候环境复杂多样。基于以上分析的压缩机组和干燥器的工作特性，在气候湿热地区或季节容易出现下游用风设备出现液态油或水滴污染、制动风缸内积水严重等问题。液态油或水的存在会影响制动阀件的正常工作影响行车安全，同时也会使阀体的金属件或橡胶件使用寿命降低，增加使用成本。
6.由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种轨道车辆用风源装置及提高其排气质量的方法，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种轨道车辆用风源装置及提高其排气质量的方法，能有效降低压缩机组的排气温度，增加干燥器和精密过滤器的过滤效率和过滤精度，提高风源装置的排气质量。
8.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
9.本发明提供一种轨道车辆用风源装置，包括顺序连接的压缩机组、干燥器和精密过滤器，在压缩机组和干燥器之间连接有二次冷却装置，二次冷却装置包括箱体，在箱体内设有冷却散热器和制冷喷管，冷却散热器的进气端和出气端分别与压缩机组的出气端和干燥器的进气端连接；制冷喷管的进气端能通断地与压缩机组的出气端连接，制冷喷管能将压缩机组产生的部分压缩空气形成冷空气并喷向箱体内。
10.在本发明的一较佳实施方式中，制冷喷管为拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管包括顺序连接的收缩管、窄喉和扩张管，收缩管的端部构成制冷喷管的进气端，扩张管的端部位于箱体内。
11.在本发明的一较佳实施方式中，制冷喷管为涡流喷管，涡流喷管具有喷管进气口、冷气流出口和热气流出口，喷管进气口构成制冷喷管的进气端，冷气流出口位于箱体内，热气流出口位于箱体外。
12.在本发明的一较佳实施方式中，在箱体上开设有呼吸孔。
13.在本发明的一较佳实施方式中，制冷喷管的进气端与压缩机组的出气端之间设有制冷开关阀。
14.在本发明的一较佳实施方式中，在冷却散热器的底部顺序设有排污开关阀和排污管，排污管的排污口位于箱体外。
15.在本发明的一较佳实施方式中，箱体的箱壁包括由外向内顺序设置的金属支撑层、保温层和隔音层。
16.在本发明的一较佳实施方式中，压缩机组包括顺序连接的进气过滤器、压缩机头和冷却器，冷却器的出口端为压缩机组的出口端。
17.在本发明的一较佳实施方式中，沿气体输送方向，在精密过滤器之后还设有压力开关。
18.在本发明的一较佳实施方式中，在压缩机头和冷却器之间设有第一安全阀，在精密过滤器和压力开关之间设有第二安全阀，在干燥器和第二安全阀之间设有最小压力阀。
19.本发明还提供一种提高轨道车辆用风源装置排气质量的方法，采用上述的轨道车辆用风源装置进行实施，提高轨道车辆用风源装置排气质量的方法包括如下步骤：
20.启动压缩机组，压缩机组开始正常工作；
21.当轨道车辆用风源装置的风源排气口处的排气压力大等于预设压力值时，制冷喷管的进气端与压缩机组的出气端连通，制冷喷管将压缩机组产生的部分压缩空气形成冷空气并喷向箱体内，以与进入冷却散热器内的压缩空气进行热交换。
22.在本发明的一较佳实施方式中，在风源排气口处设有压力开关；
23.在启动压缩机组之前，先对轨道车辆用风源装置供电，然后利用列车控制系统控制压缩机组启动，或者当排气压力降低至压力开关的压力开启值时，压缩机组自动启动；
24.在压缩机组启动后，先将冷却散热器内残留的水和油通过冷却散热器底部的排污口排出，排出预设时间后关闭排污口，压缩机组再开始正常工作；
25.当排气压力升高至压力开关的压力断开值时，压缩机组自动停机；或者利用列车控制系统控制压缩机组停机。
26.由上所述，本发明的风源装置及方法，通过在压缩机组和干燥器之间设置二次冷
却装置，利用制冷喷管形成冷空气来与冷却散热器内的压缩空气进行热交换的方式，可以在不额外增加动力的情况下使用部分压缩机组产生的压缩空气来降低压缩机组的排气温度，更大限度的使气态的水和润滑油液化析出，增加干燥器和精密过滤器的过滤效率和过滤精度，提高整个风源装置的排气质量，从而保证风源装置下游用风设备工作的可靠性，提高车辆运行的安全性，延长各用风设备的大修周期，降低用户的使用成本。同时，利用制冷喷管向箱体内喷出冷空气与冷却散热器进行热交换的方式对压缩空气进行冷却，无需水冷系统等复杂部件，结构简单，且性能可靠。此外，二次冷却装置可以根据车辆状态启用或关闭，二次冷却装置开启时由于其消耗了一部分压缩空气，可以延长车辆运行中风源装置的单次工作时间，提升风源装置的工作率，因此也能够预防有油压缩机组因工作率低导致的润滑油乳化问题。
附图说明
27.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
28.图1：为本发明提供的轨道车辆用风源装置的气动原理图。
29.图2：为本发明提供的二次冷却装置的结构示意图。
30.图3：为本发明提供的拉瓦尔喷管的结构示意图。
31.图4：为本发明提供的涡流喷管的结构示意图。
32.图5：为本发明提供的涡流喷管在涡流发生腔处的截面图。
33.图6：为本发明提供的箱体的箱壁的局部图。
34.图7：为本发明提供的风源装置的控制流程图。
35.附图标号说明：
36.1、压缩机组；11、进气过滤器；12、压缩机头；13、第一安全阀；14、冷却器；
37.2、二次冷却装置；
38.21、箱体；211、呼吸孔；212、金属支撑层；213、保温层；214、隔音层；
39.22、制冷开关阀；
40.23、制冷喷管；231、收缩管；232、窄喉；233、扩张管；234、喷管进气口；235、喷管出气口；2361、冷气流出口；2362、热气流出口；237、涡流发生腔；238、温度调节阀；2391、冷气流；2392、热气流；
41.24、冷却散热器；241、冷却进气口；2411、进气管路；2412、分支管路；242、冷却出气口；2421、出气管路；243、固定支架；
42.25、排污开关阀；
43.26、排污管；261、排污口；
44.3、干燥器；
45.4、精密过滤器；
46.5、最小压力阀；
47.6、第二安全阀；
48.7、压力开关；
49.8、风源排气口。
具体实施方式
50.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
51.如图1至图7所示，一种轨道车辆用风源装置，包括顺序连接的压缩机组1、干燥器3和精密过滤器4。在压缩机组1和干燥器3之间连接有二次冷却装置2，二次冷却装置2包括箱体21，在箱体21内设有冷却散热器24和制冷喷管23，冷却散热器24的进气端和出气端分别与压缩机组1的出气端和干燥器3的进气端连接。制冷喷管23的进气端能通断地与压缩机组1的出气端连接，制冷喷管23能将压缩机组1产生的部分压缩空气形成冷空气并喷向箱体21内。
52.其中，该箱体21为密闭箱体。工作时，在保证对下游用风设备供风量充足的情况下，可以开启二次冷却装置2，将制冷喷管23的进气端与压缩机组1的出气端连通，压缩机组1产生的压缩空气一部分(约压缩机组1排量的10％至20％)能进入制冷喷管23，且制冷喷管23能将这部分压缩空气形成冷空气后喷向箱体21内；压缩机组1产生的压缩空气的另一部分主流量通过冷却散热器24的进气端进入冷却散热器24，并与箱体21内部的冷空气进行热交换以达到冷却的目的，冷却后的压缩空气经过冷却散热器24的出气端进入干燥器3。经过冷却的压缩空气可减轻干燥器3的负荷，降低干燥器3出口的露点，温度的降低使得气态的润滑油部分液化析出，增强精密过滤器4的过滤效率，从而提升风源装置出口水、油的含量，提升压缩空气质量。
53.由此，本实施例中的风源装置，通过在压缩机组1和干燥器3之间设置二次冷却装置2，利用制冷喷管23形成冷空气来与冷却散热器24内的压缩空气进行热交换的方式，可以在不额外增加动力的情况下使用部分压缩机组1产生的压缩空气来降低压缩机组1的排气温度，更大限度的使气态的水和润滑油液化析出，增加干燥器3和精密过滤器4的过滤效率和过滤精度，提高整个风源装置的排气质量，从而保证风源装置下游用风设备工作的可靠性，提高车辆运行的安全性，延长各用风设备的大修周期，降低用户的使用成本。同时，利用制冷喷管23向箱体21内喷出冷空气与冷却散热器24进行热交换的方式对压缩空气进行冷却，无需水冷系统等复杂部件，结构简单，且性能可靠。此外，二次冷却装置2可以根据车辆状态启用或关闭，二次冷却装置2开启时由于其消耗了一部分压缩空气，可以延长车辆运行中风源装置的单次工作时间，提升风源装置的工作率，因此也能够预防有油压缩机组因工作率低导致的润滑油乳化问题。
54.在具体实现方式中，一般制冷喷管23利用制冷喷管23前后的压差将压缩空气的内能转换成动能从而喷出低温冷空气，对于制冷喷管23的具体结构可以采用如下两种方式：
55.第一种：如图3所示，制冷喷管23为拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管包括顺序连接的收缩管231、窄喉232和扩张管233，收缩管231的端部构成制冷喷管23的进气端，扩张管233的端部位于箱体21内。
56.拉瓦尔喷管的前半部分是直径由大变小的收缩管231，收缩至中间的窄喉232，窄喉232之后是直径由小变大向外扩张的扩张管233。压缩空气经过收缩管231前端的喷管进气口234流入收缩管231，穿过窄喉232后，经扩张管233末端的喷管出气口235排向封闭的箱体21内部；拉瓦尔喷管这种结构可以使气流速度因喷管的截面积变化而变化，使气流从亚音速到音速，甚至可以突破壅塞现象加速至超音速。根据能量守恒定律，压缩气体的内能在
流经拉瓦尔喷管可快速转化成动能，从而可喷出低温气体实现快速制冷的效果。
57.第二种：如图4和图5所示，制冷喷管23为涡流喷管，涡流喷管具有喷管进气口234、冷气流出口2361和热气流出口2362，喷管进气口234构成制冷喷管23的进气端，冷气流出口2361位于箱体21内，热气流出口2362位于箱体21外。
58.涡流喷管本身的结构为现有技术，涡流喷管的两端分别为冷气流出口2361和热气流出口2362，涡流喷管内具有直径扩大的涡流发生腔237，涡流发生腔237位于冷气流出口2361和热气流出口2362之间并与冷气流出口2361和热气流出口2362连通；喷管进气口234形成在涡流喷管的管壁上并对应涡流发生腔237的位置，且喷管进气口234的进气方向与涡流发生腔237的内壁圆周面相切，如图5所示；在热气流出口2362内设有温度调节阀238，通过手动调节温度调节阀238可以调节热气流出口2362的温度。
59.从压缩机组1出来的压缩空气首先通过喷管进气口234沿切线方向送入圆柱形的涡流发生腔237，由涡流发生腔237形成的涡流气流送入热气流出口2362，涡流气流紧贴涡流喷管的内表面，热气流2392不断从热气流出口2362排出箱体21外；热气流2392在热气流出口2362产生一个流阻，这个流阻在涡流喷管中形成了足够的负压，这一负压迫使一部分空气经涡流喷管中心回流到冷气流出口2361，这部分空气由于流向热气流出口2362的膨胀气流的吸热而变的很冷形成冷气流2391，喷向箱体21中。涡流喷管可以通过调节温度调节阀238调节热气流出口2362的温度，进而调节输入压缩空气和产出冷气的比。
60.当然，制冷喷管23也可以采用其他的结构形式，只要能将压缩空气转化为冷空气喷向箱体21内即可，本实施例仅为举例说明。
61.一般在箱体21上开设有呼吸孔211。如图2所示，该呼吸孔211数量为多个，具体是设在箱体21的顶部，以保证箱体21内与环境压力保持一致，进而保证制冷喷管23前后的压差，便于制冷喷管23能利用制冷喷管23前后的压差将压缩空气的内能转换成动能。
62.进一步地，如图1和图2所示，为了便于控制二次冷却装置2的启停，制冷喷管23的进气端与压缩机组1的出气端之间设有制冷开关阀22。该制冷开关阀22优选采用制冷电磁阀，具体是两位两通电磁阀。该制冷电磁阀得电时，制冷开关阀22打开，压缩机组1与制冷喷管23连通，压缩空气能进入制冷喷管23内，二次冷却装置2处于工作状态；该制冷电磁阀失电时，制冷开关阀22关闭，压缩机组1与制冷喷管23之间不通，二次冷却装置2停止工作。
63.为了便于将压缩空气在冷却过程中产生的冷凝水及液态润滑油定期由冷却散热器24内排出，在冷却散热器24的底部顺序设有排污开关阀25和排污管26，排污管26的排污口261位于箱体21外。该排污开关阀25优选采用排污电磁阀，具体是两位两通电磁阀。该排污电磁阀失电时，排污开关阀25打开，冷却散热器24的底部与排污口261连通，冷却散热器24内的水和油可以由排污口261排出箱体21外；该排污电磁阀得电时，排污开关阀25关闭，冷却散热器24的底部与排污口261不通，排污口261被关闭。
64.为了避免环境温度对箱体21内部温度的干扰和抑制气流噪声，如图6所示，箱体壁采用多层结构，箱体21的箱壁包括由外向内顺序设置的金属支撑层212、保温层213和隔音层214。上述的冷却散热器24一般通过固定支架243固定在箱体21内，制冷喷管23、制冷开关阀22、排污开关阀25可以通过相应的支架或者固定件固定在箱体21内。冷却散热器24的壳体两端具有冷却进气口241和冷却出气口242，冷却进气口241和冷却出气口242即为冷却散热器24的进气端和出气端，并分别通过进气管路2411和出气管路2421与压缩机组1和干燥
器3连接，在进气管路2411上旁接有分支管路2412，分支管路2412的端部与制冷喷管23的喷管进气口234(也即制冷喷管23的进气端)连接，制冷开关阀22设在分支管路2412上。
65.进一步地，如图1所示，压缩机组1包括顺序连接的进气过滤器11、压缩机头12和冷却器14，冷却器14的出口端为压缩机组1的出口端。
66.利用进气过滤器11可以对从外界进入压缩机头12的空气进行过滤，冷却器14采用的是冷风式冷却器，以对压缩机头12输出的高温的压缩空气进行一次冷却。根据需要可以再利用上述的二次冷却装置2对压缩空气进行二次冷却，以有效降低压缩空气的温度。
67.进一步地，沿气体输送方向，在精密过滤器4之后还设有压力开关7。
68.其中，压力开关7的具体结构为现有技术，其具有压力开启值和压力断开值，该压力断开值大于压力开启值，例如本实施例中压力开启值为700kpa，压力断开值为950kpa；在风源装置的风源排气口8的压力降低至700kpa时，压力开关7内的线路导通，使得压缩机组1通电自动启动；当风源排气口8的压力升至950kpa时，压力开关7内的线路断开，压缩机组1断电自动停机。利用压力开关7可以在风源装置供电后作为压缩机组1开启和关闭的一种方式。
69.进一步地，在压缩机头12和冷却器14之间设有第一安全阀13，在精密过滤器4和压力开关7之间设有第二安全阀6，在干燥器3和第二安全阀6之间设有最小压力阀5。
70.上述的第一安全阀13和第二安全阀6能在压力过高时自动泄压，第一安全阀13主要是为了对压缩机头12进行保护，以防止管路堵塞或者其他原因导致的空气压力过高损坏空气压缩机；第二安全阀6靠近风源排气口8设置，能避免空气压力过高而对下游用风设备造成损坏。
71.最小压力阀5设在干燥器3和第二安全阀6之间即可，例如本实施例中最小压力阀5设在精密过滤器4和第二安全阀6之间。最小压力阀5是带有设定值的单向阀，能在管路的压力大于最小压力值时才单向导通，才能使气流能向下游流动(即压缩空气能流向风源排气口8)；由于干燥器3需要求管路压力大于最小压力值才能正常工作，最小压力阀5的此功能可以保证干燥器3处于正常工作状态。同时，在压缩机头12停止工作后，最小压力阀5的设置还可以防止车辆风缸中的压缩空气回流。
72.进一步地，如图1至图7所示，本实施例还提供一种提高轨道车辆用风源装置排气质量的方法，采用上述的轨道车辆用风源装置进行实施，提高轨道车辆用风源装置排气质量的方法包括如下步骤：
73.启动压缩机组1，压缩机组1开始正常工作；
74.当轨道车辆用风源装置的风源排气口8处的排气压力大等于预设压力值时，制冷喷管23的进气端与压缩机组1的出气端连通，制冷喷管23将压缩机组1产生的部分压缩空气形成冷空气并喷向箱体21内，以与进入冷却散热器24内的压缩空气进行热交换。
75.该方法可以在不额外增加动力的情况下使用部分压缩机组1产生的压缩空气来降低压缩机组1的排气温度，更大限度的使气态的水和润滑油液化析出，增加干燥器3和精密过滤器4的过滤效率和过滤精度，提高整个风源装置的排气质量，从而保证风源装置下游用风设备工作的可靠性，提高车辆运行的安全性，延长各用风设备的大修周期，降低用户的使用成本。
76.进一步地，在风源排气口8处设有压力开关7；
77.在启动压缩机组1之前，先对轨道车辆用风源装置供电，然后利用列车控制系统控制压缩机组1启动，或者当排气压力降低至压力开关7的压力开启值时，压缩机组1自动启动；
78.在压缩机组1启动后，先将冷却散热器24内残留的水和油通过冷却散热器24底部的排污口261排出，排出预设时间后关闭排污口261，压缩机组1再开始正常工作；
79.当排气压力升高至压力开关7的压力断开值时，压缩机组1自动停机；或者利用列车控制系统控制压缩机组1停机。
80.更详细地，参照图7，当风源装置供电后，风源装置有两种启动方式，一种是列车控制系统(tcms)直接发送启动指令，另外一种是通过压力开关7控制启动，当风源排气口8处的排气压力(也即进入列车总风管的总风压力)低于压力开启值(本实施例具体为700kpa)时，压力开关7动作，压缩机组1自动启动。
81.压缩机组1启动后，排污电磁阀处于失电开启状态，压缩机组1产生的压缩空气对冷却散热器24进气吹扫，将残留的水和油通过排污口261排出，预设时间(例如2秒)后排污电磁阀得电，排污口261关闭，压缩机组1开始正常工作。
82.为了保证车辆初充风或者紧急用风时的用风量和制冷喷管23的制冷效果，制冷电磁阀仅当总风压力大于等于720kpa才开始得电，压缩空气流经制冷喷管23开始对压缩空气的主流量进行冷却；当总风压力达到压力开关7的压力断开值(本实施例具体为950kpa)时压缩机组1停机，然后制冷电磁阀失电，二次冷却装置2停止工作，排污电磁阀失电，管路中的残余压力对冷却散热器24吹扫排污。在一些需要调试或检修的情况时，可以利用列车控制系统控制压缩机组1停机。
83.其中，上述的排污电磁阀和制冷电磁阀的得失电也是由列车上的列车控制系统来控制。由于总风压力的大小会影响列车行驶安全，在压缩机组1刚开始工作时，管路压力相对较低，压缩空气量相对较少，为了避免影响行车安全，总风压力较小时二次冷却装置2不工作，仅利用压缩机组1内的冷却器14对压缩空气进行冷却即可。当总风压力达到预设压力值后再开启二次冷却装置2工作，此时总风压力相对较大，有一部分压缩空气被分出用于制冷喷管23制冷的情况下，也可以保证行车安全。该预设压力值根据实际情况而定，例如本实施例中预设压力值为720kpa。通过二次冷却装置2的设置，可以有效降低压缩空气的温度，增加干燥器3和精密过滤器4的过滤效率和过滤精度，并保证下游设备的工作可靠，保证行车安全。
84.以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。