城轨车辆空压机带载启动故障分析及预防研究

城轨车辆空压机带载启动故障分析及预防研究

仝占方，张伟

(中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲421001)

摘  要：本文简要介绍了某项目在三列车重联运行情况下压力开关信号抖动及空压机带载启动故障的发生原因，并对故障背后的机理进行研究，提出了从软件控制、硬件控制等维度进行优化方案，对后续城轨项目空压机管理提出了建议，优化措施经过实际验证取得了良好的效果，具有较好的推广应用意义。

关键词：空压机；压力开关；带载启动；

0 引言

目前城轨项目地铁车辆的制动系统多采用空气制动系统，空气制动的风源系统压缩机常采用活塞机和螺杆机两种类型。风源系统若发生故障，会导致车辆供风减少，随着车辆运行空气的消耗，车辆风压会逐步降低，最后因总风压力过低而导致车辆紧急制动，影响车辆运营。

1 背景介绍

某城轨项目风源系统采用螺杆式空压机，在车辆上线运营2年后，车辆多次出现了空压机电机故障。

车辆采用灵活编组的方式，每列车2节编组，三列车重联编组运营。每列车的M2车配置一套空压机，其由三相AC380V交流电动机驱动，配置断路器保护，每台空压机配置2个压力调节器和一个压力传感器。TCMS系统通过采集压力传感器对总风压力进行监控，并显示在HMI上，每辆车的两个压力调节器串联，以保证空压机的正常启停。

三列车重联运行空压机控制示意图

空压的启停可以由网络控制，也可以由压力开关控制。整个控制过程是：在列车启动后，通过网络发出启动指令，同时驱动三个车的继电器，继电器再驱动接触器，接触器触点动作空压机启动，当压力达到10bar时候，压力开关动作，驱动继电器断开，接触器断开，空压机停止。之后由压力开关控制空压机启停，具体空压压力低于8bar时候，压力开关驱动继电器开启，接触器开启，空压机启动，当压力到达10bar时停止。

2 故障调查

空压机的工作原理是交流电动机工作带动螺杆式压缩机组的转子旋转，转子旋转产生压缩空气经过油气分离器和冷却气后车辆供风。具体工作原理如图所示：

为了分析清楚故障产生的原因，对电机烧损的进行故障树分析，确定了电机本身质量原因、电源品质原因、电机控制原因三个方面可能的原因，分别进行调查。

2.1空压机电机原因

本项目空压机广泛运用在城市轨道交通小编组的地铁及有轨电车项目，结合列车辅助供电系统的配置（3AC380V±5%，50HZ），以及项目业绩选用与之匹配的F级电机，功率为5.5KW，空压机供风量为580L/分钟。

故障发生后，将故障电机送第三方进行了拆检，拆检未发现明显的电机自身工艺或质量问题，拆检意见为电机烧损为过电流所致，基本排除电机本身原因。

2.2电源品质原因

为了调查牵引系统的辅助电源箱电气性能是否满足要求，分别在5种工况下进行测量并记录。

工况1：辅助电源系统正常工作，但不启动空调、空压机。

工况2：辅助电源系统正常工作，启动司机室及客室空调，并将空调调节至全冷模式，但不启动空压机；

工况3：辅助电源系统正常工作，启动司机室及客室空调，并将空调调节至全冷模式，同时启动空压机；

工况4：辅助电源系统正常工作，单独启动空压机，不启动空调。

测试4种工况下AC380V输出。

工况5：车辆经过无电区的测试。

测试结果发现，记录数据显示电压电流正常，未发现空压机大电流情况。

2.3电机控制原因

2.3.1故障数据分析

故障发生后，下载了车辆的故障数据，根据数据分析，发现故障发生前存在一次300ms中断信号，产生中断的原因需要进一步分析。

2.3.2 断路器调查

根据空压机的参数，空气压缩机的额定工作电11.0A范围内（-10%,+20%）；启动电流：100A范围（0,+20%）；峰值电流：130A+20%=156A。三相断路器选择的额定电流17~22A，三相断路器满足C特性曲线（6倍~8倍），现场调整的额定电流为22A（22A*6=132A大于启动电流120A；22A*8=176A大于峰值电流156A），适合空气压缩机的工作和保护特性。断路器选型相关参数见图。

断路器选型小结：断路器选型未发现问题，满足相关要求。

2.3.3压力开关调查

本项目中采用的压力控制器是一种纯机械变形驱动的微动开关，其工作原理是：被测压力气压推动活塞的自由端移动，自由端的位移带动控制器内部转臂转动并通过微动开关的瞬动效应输出开关值的电信号。

压力开关实物                     压力开关工作原理

在列车上对压力开关控制信号和空压机启动信号进行监视，查看这两个信号在空压机启动和停机时的情况。测试发现压力开关在高压（约980-990kPa）的主风压力时，存在不同时长与频率的抖动，某些情况下会导致空压机接触器断开驱动信号断开。

空压机停机时信号变化情况

调查发现，压力开关在空压机停机前抖动是普遍现象，单次抖动时间极短，只有几毫秒（不到10ms），区别在于多次抖动的持续时间和频率有所不同。

2.4故障复现试验

为了模拟验证空压机短时断电情况下的空压机启动情况，搭建了地面试验台，模拟空压机短时断电情况下的空压机启动情况，如下表:

2.5调查结论

根据相关调查，电机烧损的原因为压力开关在高压区间抖动造成空压机电机的带载启动，带载启动的情况下产生大电流造成电机烧损和断路器跳闸。

详细过程为：当重联列车中某个压力开关在高压区间范围抖动：短暂（毫秒级别，600ms以内）断开又闭合，刚好导致继电器、接触器出现断开短暂断开又闭合时，空压机会短暂停机又重启。此时，进气止回阀还处于打开状态，持续进气，吸气腔内压力约为大气压力，低于背压压力开关触点动作值。空压机电机因前一次短暂断电，转子在300ms内仍在持续运转，压缩腔内的高压压力空气无法返回到吸气腔通过减压阀排出到大气中。当电机再次得电，电机就处于带载启动状态，电机转速无法提升，压缩腔内空气压力无法排出，使得电机一直处于堵转状态。此时电机电流一直处于启动电流状态，电流较大（约60A），持续一段时间后（20-30s）导致电机烧损或断路器断开。

3 优化方案

总体方案为空压机控制主要采用TCMS网络控制，压力开关控制只起辅助控制作用。

3.1软件控制优化

（1）空压机顺序启动

原方案为每天列车首次激活后同时启动空压机，优化为顺序启动。每天列车首次激活后，当总风压力低于 8.5bar、高于 8bar 时，TCMS控制列车主控空压机启动打风（列车激活后 TCMS默认车辆编组顺序的第一台空压机为主控空压机），主风管压力为 10bar 时，主控空压机停止。

1）若当天主控空压机累计打风 15min，且本次打风结束时，TCMS按车辆编组顺序将主控空压机定义为下一台空压机，以此类推。

2)当主控空压机持续打风超过10min，但本次打风仍未结束，则 TCMS按车辆编组顺序同时启动下一台空压机打风。

3)当列车所有空压机累计工作时间均超过 15min，且本次打风结束，则转为由 TCMS 控制重联列车所有空压机同时启停的模式。

（2）空压机同时启动

总风压力低于 8.0bar 时，TCMS 控制全列空压机同时启动，即当主风管压力下降为 8bar 时，重联列车所有空压机启动打风；总风压力为 10bar 时停止打风。

3.2压力开关优化

在车辆网络故障时候，紧急牵引的模式下，还是需要压力开关进行空压机控制，为了降低压力开关驱动空压机启动的几率，将压力开关整定值调整为7.5bar到9.0bar。

3.3 压力开关及断路器状态优化

为快速识别空压机空开、接触器故障具体时间，以便及时采取相应处理措施，增加空压机断路器、压力调节器及其列车线状态监控[1]。

3.4供电优化

为防止各节车空调机组的压缩机与空气压缩机同时启动，优化辅逆所有负载顺序启动逻辑，增加“当TCMS 检测到空压机压力开关列车线得电时，立即关闭所有空调压缩机的启动时间窗口，10s内禁止所有空调的启动操作”的逻辑。

3.5 继电器优化

将继电器更换为延时继电器，根据故障模拟试验结果，延时时间超过1s空压机即可正常启动，可以彻底避免短时供电中断的可能性。 

3.6 列车线优化

在重联运行的情况下，压力开关通过列车线贯穿所有列车，当压力开关抖动信号发生时，多台空压机有同时故障的可能性 ，因此可以断开压力开关控制列车线，压力开关仅控制本列车空压机启停[2]。               

4.空压机管理的建议

根据对相关问题的调查分析，对后续管理提出以下建议：

（1）关注产品特性，重点管控螺杆式空压机

活塞式空压机在工作过程中做往复性活塞运动，在空压机停止时没有卸力的过程。螺杆式空压机在工作过程中机头运转产生压缩空气，当空压机停止时，存在卸力（克服背压）的过程，在卸力的过程中如再次重启将导致带载启动。螺杆式空压机在电机选型过程中可以采用。

（2）断路器的整定值设定

当空压机出现带载启动的时候，会发生较大电流，电流超过断路器整定值，且持续时间满足脱扣条件会出现断路器脱扣，控制回路断开。设定合理的断路器整定值，可以及早发现其它问题。

（3）压力开关抖动特性的规避

     机械式压力开关的弹簧特性决定了开关闭合的瞬间会发生毫秒级抖动信号，随着应用时间加长，弹簧性能衰减抖动信号会更明显。因此在电路中如果直接采用压力开关作为控制信号，则需要考虑延时继电器等滤波手段，亦可以采用压力开关信号“只监不控”的方式应用，即只作为监视信号，不作为控制信号。在压力开关使用维护上，可以及时对机械式压力开关的整定值情况进行维护，使得抖动信号持续时长不超过继电器本身的抗干扰时间。

（4）产品抗干扰时间

  根据《IEC 61000-4-11 电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验》,设备在满足EMC试验时，应该进行电压短时中断试验，在空压机管理过程中需要考虑设备的短时中断信号干扰能力。

5 结束语

本次故障分析及解决方案从软件、硬件、列车控制多个角度结合产品的工作原理，深入分析的故障发生的原因，制定了6个方面的优化措施，属于全面优化的范畴,实际过程中仅选择部分优化措施即可降低故障发生的概率。本项目自优化实施以来，未再发生类似故障，具有较高的应用意义。

[1]唐淑龙． 某项目地铁车辆空压机工作状态反馈回路改进［J］．技术与市场，2019，26( 6) : 25 － 27

[2]韦忠潮，卜美玲 地铁车辆风源系统压力开关故障分析及对策[J] 轨道交通装备与技术  2023 年 7 月