供风系统的基本认知

项目5　城市轨道交通车辆供风系统

【项目描述】

城市轨道交通车辆的供风系统的主要作用是为城轨制动系统和辅助系统提供压力空气，其中辅助系统主要包括空气弹簧、汽笛和刮雨器装置、门控装置、受电弓和车钩解钩装置等，如下图所示为某城轨车辆车下供风系统主要部件及布局（单节车）。

【学习目标】

1.掌握城轨车辆供风系统的基本组成、作用原理。

2.掌握城轨车辆供风系统中常见空气压机的基本结构、特点和作用过程。

3.了解空气干燥器的工作原理。

4.了解风源管路各部件的作用及原理。

5.掌握空气制动系统的基本组成及工作原理。

【技能目标】

1.能够正确说明典型空气压缩机的结构和工作原理。

2.能够说明不同空气干燥器的作用及工作原理。

3.能够说明空气管路典型部件的组成和基本作用。

4.能正确阅读空气制动系统的管路布置及风源流向图。

任务1　供风系统的基本认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆段或制造厂的车辆风源系统检修车间或在具备能完整展示城轨车辆风源系统课件的多媒体教室进行。

【任务要求】

1.掌握城市轨道交通车辆供风系统的基本组成。

2.了解目前地铁车辆两空压机的启动方式。

【知识准备】

城市轨道交通车辆的供风系统主要是为制动系统和辅助系统提供压缩空气，辅助系统主要包括空气弹簧、汽笛和刮雨器装置、门控装置、受电弓和车钩解钩装置等，城市轨道交通车辆的供风系统是制动系统的重要组成部分。

1.城轨供风系统的组成与作用

（1）组成

如图5.1所示为城轨车辆空气制动系统的布置图，由图可知城市轨道交通车辆的风源系统主要由驱动电动机、空气压缩机、空气干燥器、压力控制器、风缸及其他空气管路部件等组成。

图5.1　城轨车辆空气制动系统的布置图

如图5.2所示为城轨车辆供风系统的结构示意图，城轨车辆供风系统一般设置在A车，每套供风系统主要由空气压缩机组（A01）、软管（A04）、安全阀（A06）、干燥器（A07）、主风缸（A09）、主风缸排水塞门（A10）、排气式截断塞门（A11），压力调节器（A13）和空压机控制单元（A15）等部件组成。

供风系统为制动及其他用风设备提供压缩空气，供风系统中最重要的设备是由三相380 V交流电机驱动的活塞式空气压缩机或螺杆式空气压缩机，下面作简要介绍：①活塞式空气压缩机，这种压缩机具有体积小、重量轻、维护方便、噪声低，飞溅润滑等特点，在1500r/min时压缩空气的排量为920L/min，一般采用三缸二级压缩，风扇冷却；电机与压缩机采用耐久性连接，不需要维护；采用弹性方式安装在车体上，可消除空压机组振动对车体的影响。②螺杆式压缩机，这种压缩机与活塞式压缩机相同，属于容积式压缩机，具有可靠性高、零部件少、易损件少、运转可靠、寿命长、操作维护方便等特点。螺杆压缩机可实现无基础运转，特别适合于做移动式压缩机，适应性强，另外它的容积流量几乎不受排气压力的影响，在很宽的范围内能保持较高效率，适用于多种工况。

（2）作用

城市轨道交通车辆的供风风源系统向整个列车提供压缩空气的气源，它主要是为制动系统和辅助部件提供足够的、干燥的、洁清的压缩空气，主要包括城轨列车的空气制动、空气弹簧、汽笛和刮雨器装置、气动门控装置、受电弓和车钩解钩装置等。

图5.2　城轨车辆供风系统结构示意图

2.城轨车辆供风系统的工作原理

城轨车辆的供风系统能为每一单元车提供足够的压缩空气。如图5.2所示，外界的空气由压缩机上的空气过滤器A02过滤后吸入压缩机，在电动机的驱动下被压缩的空气经冷却器冷却、干燥器A07干燥后，同时送至3个主风缸A09（A、B、C车各一个）和主风管。相邻车辆的主风管通过截断塞门B27.1、B27.2、软管B25相连，以使各车辆之间的压缩空气保持流通。压力调节器A13控制着电动机的接触器，故空压机的启、停由压力调节器A13控制；当主风管压力=0.75MPa时，空压机自动启动；当主风管压力=0.9MPa时，则停机。如果出现任一节A车的最低压力信号，则两台空压机同时启动；如果出现指示两节A车有足够压力的信号，则两台空压机关闭。空压机单元的设计能力有足够的储备量，如果一台空压机单元发生故障，另一台空压机单元将承担整列车全部的供气，在一台空压机启动到正常运转的短时间内，所用的列车空调单元将停止启动。

3.压缩空气的供给和处理设备

（1）压缩空气的供给设备

如图5.2所示，主空气压缩机是活塞式空气压缩机，能产生950L/min的压力空气，空压机由400V、50Hz的交流电驱动的功率为8.5kW电动机来驱动。空气压缩机的噪声达到较高的标准来确保该系统有个可靠的维护保养性。

空气压缩机中压力空气的输送是通过空气压缩机的柔性输送软管进入干燥器，干燥器是用活性氧化铝作为干燥剂进行再生干燥的，每辆车的压力空气储存在总风缸里。压缩机是每车有两个，通过制动控制电子单元来控制。

压缩机的工作时允许一个压缩机作为主压缩机（通常模式）而另一个压缩机作为从动模式（辅助模式）。每个车上的制动控制电子单元都能接受来自列车信号程序（FIP）的压缩机的信号，主压缩机的信号，信号每天更换。如果列车需要的压力空气由一个空压机就能满足，则第二个空压机就不再启动，只有当总风压力低于0.75MPa，一个空压机不能满足要求时才启动第二个空压机。

每个压力空气供给和制动控制模块都装有一个压力传送器，它连接在总风管上，压力传送器监控总风管的压力并将压力信号传送到电制动控制单元BCE，BCE根据压力传送器的压力信号控制空气压缩机的启动或关闭，并且依据不同的压力决定开通常用模式或辅助模式的空压机。总风缸上的安全阀是防止总风压力过高而使空压机运转控制失败。

（2）压力控制

1）控制方法

①常规模式控制方法：空气压缩机在规定的压力范围内启动和关闭。

②辅助模式控制方法：空气压缩机在低于规定的压力范围启动和在规定的高压范围内关闭。

2）工作模式

①常规模式：当压力降到启动极限时空气压缩机开始启动，当压力到停机极限时空气压缩机开始关闭，其压力控制就在两个压力极限之间。

②辅助模式：当压力降到辅助启动极限时空气压缩机开始启动，当压力到停机极限时空气压缩机开始关闭，其压力控制就在两个压力极限之间。表5.1反映了应用的模式（常规模式和辅助模式）。

表5.1　应用模式

3）压力极限

①安全极限：由安全调整阀控制压力（主管安全阀）。

②停机极限：由所有的模块上空气压缩机停止工作时的压力值。

③启动极限：由指定模块上的空气压缩机开始启动的工作压力值。

④辅助极限：当主风管的压力达到极限时，第二个空气压缩机开始工作时，用来控制列车主空压机的运转，是一种辅助模式。

⑤紧急极限：当总风管的压力达到该极限时，紧急制动开始实施直到列车停止。

不同压力的时间如图5.3所示，压力空气的产生和分配线路如图5.4所示。

图5.3　不同压力的时间图

“开始”功能是针对以常用模式运行的空气压缩机的，当主要空压机产生故障时，由TIMS系统允许开关来决定联合空气压缩机的运行。

在列车运行过程中，压缩空气产生系统工作采用常用模式或辅助模式。

当一个空气压缩机的制动控制电子单元接受来自列车磁通信号程序（FIP）的压缩机的信号，即主压缩机的信号，该空气压缩机运作采用常用模式；当它没有收到主压缩机的信号时，则该空气压缩机采用辅助模式。当司机室没有被激活时，则采用最近作为常用模式的空气压缩机作为常用模式。

图5.4　压力空气的产生和分配线路图

4）列车运行时压力的调整

在正常运行中，如果压力低于启动极限，使用司机室车辆上的空气压缩机就开始启动，当压力下降到辅助极限时，则第二个空气压缩机被启动。

在司机室上的压力表显示的是总风管的压力和拖车一个转向架上一个制动管的压力。

5）列车降级运行时压力的调整

如果有一个空气压缩机出现故障时，则第二个空气压缩机在常用模式运行下能完全供应整个列车压力空气。

如果两个空气压缩机出现故障时，则列车必须停止运行。

当两列车进行连挂时，则总风管也必须进行连挂。

6）电器连接

空气压缩机用中等电压作为它的驱动电压，其控制和监测的电压采用低压电，空气压缩机产生的压力空气为摩擦制动、汽笛、二次悬挂使用，与空气压缩机的沟通由TIMS系统来完成。

为了使空气压缩机的可靠性达到最佳，每一个空气压缩机采用不同的三相交流电线路。

7）空气压缩机操作

空气通过进口过滤器进入空气压缩机，除去大部分灰尘和其他微粒的空气通过盘形吸入阀进入低压活塞缸。

当活塞开始往复运动时，吸入阀将被关闭，空气在低压活塞缸内被压缩，打开弹性卸载阀，压力空气通过中间冷却器进行冷却，此后进入高压活塞缸。

低压空气通过盘形吸入阀进入高压缸，压力空气在高压活塞缸内进一步压缩到工作压力，然后再进入后冷却器进行进一步冷却。

当总风管的压力达到规定的工作压力时，电制动控制单元将打开电动机电流接触器，空气压缩机将停止工作。

4.系统的预防维护

压缩空气供给系统的预防维护见表5.2。

表5.2　供风系统预防维护表

【任务实施】

本次任务的实施让学员在现场观察空压机的悬挂方式、组成，并分析空压机的工作原理。下面以广州地铁为例分析城轨车辆空气制动系统风源的管路结构图，广州地铁1号线车辆的空气压缩机组安装在A车（拖车）下部，而广州地铁2号线车辆的空气压缩机组均安装在C车（动车）下部。由两个单元组成的列车具有两套风源系统，为了减少压缩机组的磨损，列车前部单元的空气压缩机总是给整个列车供风，而不是同时使用两组压缩机单元。带有空气压缩机组的拖车管路系统如图5.5所示，与其编组的动车，除风源系统、受电弓管路以外，其他管路与拖车一样。该系统中每辆车上设有4个风缸，其中包括一个250L的总风缸，一个100L的空气悬架系统（空气弹簧）风缸，一个50L的制动储风缸和一个50L的客室风动门风缸。另外装用单塔式干燥器还附设一个50L的再生风缸。

如图5.6所示为广州地铁空气弹簧系统管路图。由图可知其主要由截断阀门（L01，L06）、滤清器（L02）、溢流器（L03）、空气弹簧风缸（L04）、高度阀（L07）和差压阀等组成。

图5.5　带有空气压缩机组的拖车管路系统

A—供风系统；B—制动系统；C—基础制动；G—防滑系统；
L—空气弹簧系统；W—车钩；X—车间供气

图5.6　空气弹簧系统管路图

【效果评价】

评价表

任务2　城轨车辆供风系统压缩机的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆的车辆段或制造工厂的城市轨道交通车辆的检修车间或在具备能完整展示城轨车辆风源系统压缩机课件的多媒体教室进行。

【任务要求】

1.掌握压缩机的基本结构与工作原理。

2.了解目前地铁车辆空压机的启动方式。

【知识准备】

1.概述

空气压缩机是城轨车辆整个供风系统的核心部件，没有空气压缩机就没有压缩空气产生。一般城市轨道交通列车是以动车组型编组的，供气系统一般也以动车组为单元进行设置。每一单元设置一个空气压缩机组，每个机组包括压缩机、驱动电动机、空气干燥器和压力控制开关等。这些装置都集中安装在动车单元的底架上，例如上海地铁1号线列车的空气压缩机组都安装在每个单元的C车上。

城市轨道交通车辆的供电制式一般为直流1500V、750V或600V。除了1500V电压比较高外，750V和600V额定输入电压的直流电动机都比较容易制造，因此制动空气压缩机组的驱动电动机大都采用直流电动机，由接触网供电；有部分进口车辆的空气压缩机驱动电动机也有采用1500V直流电动机的，电动机通过弹性联轴器驱动空气压缩机。

进入空气压缩机的空气必须先经过滤清器净化，经过压缩后的空气在存入主储风缸前，正确进行干燥，然后供各用气部件使用。

目前，城市轨道交通车辆使用的空气压缩机大多为多级气缸，分低压段压缩和高压段压缩。低压压缩是将外界大气压缩至2.6×105Pa左右，然后再进入高压压缩，将压力提高至10×105Pa。每个气缸顶部都设有吸气阀和排气阀，外界大气通过设在空气压缩机进气口处的油浴式滤清器的净化后，被吸入低压气缸进行压缩。为了提高压缩效率，低压气缸输出的压缩空气被送到中间冷却器冷却。冷却后的低压空气再送至高压气缸作进一步的压缩，直至空气压力符合要求。高压的压缩空气还必须通过后冷却器冷却，使其温度降低以便通过空气干燥塔进行油水分离。最后，洁净而干燥的高压压缩空气被送至主储风缸进行储存。中间冷却器和后冷却器多为翅片管式冷却器，它们被重叠在一起，采用强迫式通风冷却。强迫通风的风源来自安装在曲轴端头的风扇。空气压缩机运行时，其气缸的润滑是依靠焊接在曲轴上的小铁片将曲轴箱内的机油刮起，飞溅到气缸壁上来润滑的，这种润滑方式称为飞溅润滑。采用这种方式会使空气压缩机输出的压缩空气含有一定量的油分，所以必须在最后进行油水分离。

空气压缩机的启动与停止是由压力开关控制的，压力开关设置一般为（7.0～8.5）×105Pa，前者为开启压力，后者为停止压力。气路中还设置了10×105Pa的安全阀，以防压力开关失效。

城轨车辆的制动系统及其他一些子系统所使用的压缩空气（也称压力空气）都是由空气压缩机组（简称空压机）产生的，电动机通过万向节直接驱动空气压缩机。目前，城轨车辆中采用的空气压缩机主要有活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机两种。城轨车辆采用的空气压缩机一般要求具有噪声低、振动小、结构紧凑、维护方便、环境实用性强的特点，现在直流电动机驱动已逐渐被交流电动机驱动所取代。

目前国内城轨列车使用的压缩机有活塞式和螺杆式两种，下面分别进行学习和认知。

2.活塞式空气压缩机

（1）活塞式压缩机的基本工作原理

活塞式空气压缩机的基本工作原理如图5.7所示。在气缸内做往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p′后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。活塞的往复运动是曲柄的旋转运动转换为滑动由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。

图5.7　活塞式空气压缩机的工作原理

1—排气阀；2—气缸；3—活塞；4—活塞杆；5—滑块；6—连杆；
7—曲柄；8—吸气阀；9—阀门弹簧

（2）活塞式空气压缩机的基本组成

目前，城市轨道交通车辆使用的活塞式空气压缩机虽然类型很多，但基本结构却大同小异。活塞式空气压缩机一般均由固定机构、运动机构、进排气机构、中间冷却装置和润滑装置等组成。其中，固定机构包括机体、气缸、气缸盖，运动机构包括曲轴、连杆、活塞，进排气机构包括空气滤清器、气阀，中间冷却装置包括中间冷却器（简称中冷器）、冷却风扇，润滑装置包括润滑油泵、润滑油路等。

（3）典型的活塞式制冷压缩机简介

1）VV120/150-1型

如图5.8所示为VV120/150-1型电动空气压缩机，由380V/50Hz三相交流电机驱动的低噪声的往复活塞式压缩机，具有结构紧凑，维护量小等特点。其技术参数如表5.3所示。

表5.3　VV120/150-1型电动空气压缩机的技术参数

VV120/150-1型压缩机单元通过螺旋钢丝以4点悬挂方式弹性安装在构架上，空气压缩机与车体安装设备之间采用软管连接，这样使传递给车体的振动降到最低点。VV120/150-1型压缩机具有低噪声的特点，在额定转速下，在4～6m的距离处所发出的最大噪声是64dB。压缩机采用溅油式润滑，因此不需要额外的装置如油泵、过滤器或阀等。

图5.8　VV120/15-1型活塞式空气压缩机结构原理图

1—空气过滤器；2—电机；3—冷却器；4—风轮+黏性联轴节；5—联轴节；6—机轴；7—机轴箱；
8—低压汽缸；9—安全阀；10—油表管；11—弹簧组；12—中间法兰；13—油环；15—供给阀；
16—吸气阀；17—高压气缸；A1—空气入口；A2—空气出口；A3—冷却空气

VV120/15-1型空气压缩机为两级压缩，低压级有两个气缸，高压级只有一个气缸。空气由低压缸吸入并由一个干式空气过滤器滤清。干式空气过滤器能给压缩机最佳的保护，维护只需要更换滤芯，一个真空指示器用来显示滤芯内的灰尘集结情况。

VV120/150-1型空气压缩机有一个集成的内冷却器和二次冷却器。空气在通过内冷却器前已进行了预压缩，此空气送到高压缸进行下一步的压缩，直到最后的压力。在空气压缩机出口前的一个紧凑的二次冷却器为空气干燥器单元提供了最佳的条件。连接压缩机和空气干燥器的高压软管的上游有一个安全阀。

冷凝风扇装有黏性联轴器。因此根据环境温度和压缩机出口温度可以连续自动地进行冷却调节。这种结构保证了压缩机在良好的工作温度下运行。同时黏性联轴器作为离合器，当物体卡住风扇，离合器就会打滑，避免损坏。

空气压缩机的两个低压活塞缸和一个高压活塞缸在同一个曲轴上呈W形布置，采用400V的三相交流电来驱动。电动机和压缩机通过自动找正的中间联轴节来连接，对微小未对准的采用桶状形式进行柔性连接。具有弹性载荷的活塞金属盘在空气冷却的铸铁气缸中运动。

空气压缩机的润滑采用飞溅的方式，润滑油液通过曲轴在曲轴箱中的旋转离心力进行飞溅润滑。通过一个结合过滤器安装在曲轴箱的出气口处，用来分离活塞运动产生的空气中的润滑油。这些油将通过油槽回到曲轴箱的油槽中，可视镜能够指示曲轴箱中润滑油的油量，油箱中的油量决不允许从可视镜中消失，油量太少会导致温度过高或停机，油量过高会导致阀体碳化。

空气压缩机在进行压缩低压空气时，空气先经过油纸过滤器后进入空气压缩机，产生的低压空气经过中间冷却器将压缩产生的热能逸散，低压空气经过高压活塞缸进一步压缩产生的高压空气进入后冷却器进行冷却，产生的高压空气经过空气干燥器处理后进入供风系统。

两个桶状的空气过滤器安装在空压机的入口处起过滤的作用，用来保护空气压缩机。它的旋转是充分利用离心力的原理来分离空气灰尘中大的颗粒和除去潮湿空气的水分，水分和灰尘的颗粒将先收集到空气压缩机舱中一个小的容器中，在空气压缩机停止运转时利用重力排除。

为了防止空气压缩机中的压力过高，在空压机中安装两个安全保护阀，一个呈线性安装在两个低压活塞缸和中间冷却器之间（正常设置为0.5MPa），另一个呈线性安装在高压活塞缸和后冷却器之间（正常设置为1.4MPa）。

2）VV230/180-2型

VV230/180-2型空气压缩机排气量为1500L/min，输出压力为1100kPa。转速为1520r/min，用1500V直流电动机通过弹性万向节直接驱动。VV2301180-2型空气压缩机共有4个气缸，分两段压缩，低压压缩和高压压缩。低压压缩是将外界大气压缩至260kPa左右，然后再进入高压压缩将压力提高至1000kPa。低压压缩段有3个气缸，其气缸直径为95mm；高压段有1个气缸，其气缸直径为85mm。每个气缸顶部都设有吸气阀和排气阀，外界大气通过设在空气压缩机进气口处的油浴式滤清器的净化后，被吸入低压气缸进行压缩，然后再送至高压缸进一步压缩。高压力的压缩空气还必须经过冷却器冷却使其温度降低，以便进行油水分离，从而得到洁净、干燥的压缩空气缸，其气缸直径为85mm。每个气缸顶部都设有吸气阀和排气阀，外界大气通过设在空气压缩机进气口处的油浴式滤清器的净化后，被吸入低压气缸进行压缩，然后再送至高压缸进一步地压缩。高压力的压缩空气还必须经过冷却器冷却使其温度降低，以便进行油水分离，从而得到洁净、干燥的压缩空气。

VV230/180-2型空气压缩机在直流电动机的直接驱使下以1520r/min的速度旋转，每分钟可提供1MPa的压缩空气1500L。另外，空气压缩机启动与停止是受压力开关控制的。在直流传动车中，其压力开关设置为700kPa/850kPa（交流传动车为750kPa/900kPa），前者为开启压力，后者为停止压力。在气路中还设置了1000kPa的安全阀，以防压力开关失效。另外，其所采用的吸入式空气滤清器与DC01型电动列车空气压缩机的滤清器也不相同，它采用过滤纸过滤，效果较油浴式滤清器好，但应用成本较高。冷却风扇的叶片不直接安装在曲轴端头上，而是通过温控液力万向节连接的。此万向节在温度较低时，万向节内的液体黏度很低，不传递转矩。使用这种万向节可节约空气压缩机的能源。

3）HS10-3型空气压缩机

西安地铁每辆Mp车（带受电弓的动车）配备有一个风源模块（包括HS10-3型空气压缩机和除湿装置），能够为空气制动和辅助用风系统提供足够的、干燥的压缩空气。

HS10-3型空气压缩机采用三相交流电动机驱动，由4架防振橡胶悬挂在车体上。从空气压缩机供给的压缩空气经过具有可挠性的特氟隆软管输送到除湿装置，吸收压缩机机组上所产生的振动。过滤器、油面观察孔、滤清器均集中装配于空气压缩机侧面，以便于维修保养。HS10-3型空气压缩机的外观如图5.9所示。

图5.9　西安地铁HS10-3型空气压缩机外形

3.螺杆式空气压缩机

（1）工作原理

图5.10　螺杆式空气压缩机的工作原理

螺杆空气压缩机为双轴旋转排放式机械，按加压输送原理工作。空气压缩机螺杆组包括两个相互啮合的有螺旋形沟槽的转子，转子具有不对称的啮合型面，并在一个铸铁壳体内旋转，结构示意如图5.10所示。

进气入口从径向（出气出口是从轴向）通过空气压缩机螺杆壳体内特殊形状的通道。当转子旋转时，叶片之间的空气体积连续地变化。当入口打开时，空气被吸入。当出入口都被转子盖住时，空气被压缩，同时向出口运动。当转子继续旋转，其后打开出口时，压缩空气就以最终的压力被排出。这种结构的内部压缩比是由壳体内出入口的大小和位置确定的。注入空气压缩机内的油将转子的叶片在它们的啮合点上和它们与壳体的接触点上密封分隔开。另外，油还将压缩作用产生的热量吸收并带走。压缩过程实际上是绝热的。为了使内部的回注损失最小，不允许空气压缩机转速低于其额定转速。

油的注入只能出现在转子的旋转方向正确时。当转子反向转动时会造成设备的损坏。这里只允许最多2s的反转（检查电机的接线顺序是否正确）。

在这里所讲的螺杆式空气压缩机的工作原理，是以螺杆的一个沟槽为例介绍的，并且把它的工作过程分为吸气、压缩和排气3个阶段。实际上空气压缩机螺杆的工作转速很快，而且主动螺杆和从动螺杆的每一个沟槽，在运转过程中都承担着相同的任务，即它的空腔在进气侧打开时吸进空气，然后再将其带到排气侧压缩后排出。螺杆相邻两个沟槽的同一个工作阶段，尽管有先有后，但由于这个过程速度非常快，而且周而复始，所以实际上是重叠发生的。这就形成了螺杆式空气压缩机工作的连续性和供气的平稳性，保证了它的低振动和高效率。

螺杆式空气压缩机的工作循环，是在啮合的螺杆齿和沟槽间一个接一个周而复始连续不断地进行的。而且它的压缩过程是当沟槽里的空气被挤进排气腔中才完成的，所以没有像活塞式空气压缩机那样的振动和排气阀开闭形成的冲击噪声。

（2）工作过程

如图5.11所示，螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、压缩和排气3个阶段。

图5.11　螺杆式空气压缩机的作用与结构原理图

1—螺杆式空气压缩机；2—万向节；3—冷却风机；4—电动机；5—空、油冷却器（机油冷却单元）；
6—冷却器（压缩空气后冷却单元）；7—压力快关；8—进气阀；9—真空指示器；10—空气滤清器；
11—油细分离器；12—最小压力维持阀；13—安全阀；14—温度开关；15—视油镜；
16—泄油阀；17—温度控制阀；18—油气阀；19—机油过滤器；20—单向阀

1）吸气过程

螺杆安装在壳体内，在自然状态下就有一部分螺杆的沟槽与壳体上的进气口相通。也就是说，在任何时候，无论螺杆式空气压缩机的螺杆旋转到什么位置，总有空气通过进气口充满与进气口相通的沟槽，这是压缩机的吸气过程。主副两转子在吸气终了时，已经充满空气的螺杆沟槽的齿顶与机壳腔壁贴合，此时，齿槽内的空气即被隔离，不再与外界相通无法再相对流动，即被“封闭”。当吸气过程结束后，两个螺杆在吸气口的反面开始进入啮合，并使得封闭在螺杆沟槽里的空气的体积逐渐减小，压力开始上升，压缩随之开始。

2）压缩过程

随着空气压缩机两转子的继续转动，封闭有空气的螺杆沟槽与相对螺杆齿的啮合，从吸气端不断地向排气端进行，啮合的齿逐渐占据原来已经充气沟槽的空间，并挤压这个沟槽里的空气，使之体积逐渐变小，而压力则随着体积的变小而逐渐升高。空气被裹带着一边转动，一边被继续压缩，这个过程从吸气结束开始，一直延续到排气口打开之前。当前一个螺杆齿端面转过被它遮挡的机壳端面上的排气口时，在沟槽内的空气即与排气腔的空气相连通，受挤压的空气开始进入排气腔，至此在空气压缩机内压缩的过程结束。这个体积减小压力渐升的过程，就是空气压缩机的压缩过程。在压缩过程中，空气压缩机不断地向压缩室和轴承喷射润滑油。

3）排气过程

压缩过程结束，封闭有压缩空气的螺杆沟槽的端部边缘与壳体端壁上的排气口边缘相通时，受到挤压的压缩空气被迅速从排气口排出，并进入空气压缩机的排气腔。随着螺杆副的继续转动，螺杆啮合继续向排气端的方向推移，逐渐将沟槽里的压缩空气全部挤出。这就是空气压缩机的排气过程。

螺杆式空气压缩机壳体的进气口开口的大小及边缘曲线的形状，是与螺杆的齿数及螺旋角的角度相关的。而空气压缩机后端壁上的排气口开口形状（呈现为蝶形）及尺寸也是由空气压缩机的压缩特性及螺杆的断面齿形所决定的。

（3）结构组成

1）基本结构

螺杆式空气压缩机的主机是双回转轴容积式压缩机，转子为一对互相啮合的螺杆，螺杆具有非对称啮合型面。

主动转子为阳螺杆，从动转子为阴螺杆。常用的主副螺杆齿数比依空气压缩机容量的不同而有所不同，一般为4：5，4：6或5：6。两个互相啮合的转子在一个只留有进气口和排气口的铸铁壳体里面旋转，螺杆的啮合和两个螺杆与壳体之间的间隙通过精密加工严格控制，并在工作时向螺杆腔内喷压缩机油，使间隙密封，并将两转子的啮合面隔离，防止机械接触时产生磨损。另外，不断喷入的机油与压缩空气混合，可带走压缩过程中所产生的热量，以维持螺杆副长期可靠的运转。螺杆副啮合旋转时，从进气口吸气，经过压缩后从排气口排出，即得到具有一定压力的压缩空气。

图5.12　螺杆式空气压缩机的螺杆副

如图5.12所示螺杆副是由一对齿数比为4：6，以特定螺旋角互相啮合的螺杆组成的。其中，阳螺杆（通常作驱动螺杆）为凸形不对称齿，而阴螺杆（通常作从动螺杆）为瘦齿形弯曲齿。两螺杆的齿数断面线形是专门设计并精密磨削加工而成的。

2）典型机型简介

如图5.13所示为螺杆式空气压缩机的结构。TSA-0.9AR型螺杆式空气压缩机是城轨车辆系统中常用的一种螺杆式压缩机，制动系统提供压缩空气。

三相电动机由法兰安装，机头安装于油气筒内，并且采用内置油分离器。在油气筒上还安装有油过滤器及温控单元，来控制油路循环系统。风机后盖与蜗壳刚性连接。蜗壳内装有离心式风扇，固定于机头的联轴器上。蜗壳上装有空油冷却器，由冷却风扇对压缩空气和润滑油进行冷却。

3）螺杆式空气压缩机的特性参数

质量　　　　　　　　　　　　　　　295kg

空气流量　　　　　　　　　　　　　0.9m3/min（根据GE154.87—1995）

温度开关动作温度　　　　　　　　　（105±5）℃

运转率　　　　　　　　　　　　　　30%～100%

启动频率　　　　　　　　　　　　　C≤30Hz/h

工作温度-　　　　　　　　　　　　　25℃+40℃

排气温度≤环境温度　　　　　　　　（+15℃）

润滑油　　　　　　　　　　　　　　6L

（4）螺杆式空气压缩机的运转

如图5.13所示，空气经过滤清器1并由吸气阀进入机头的吸气端6在机头20的吸气终点进行压缩，压缩后的空气通过连接在机头上的排气管进入油气筒10内。如果空压机在无负载时启动，最小压力阀将保持关闭状态，使油气筒内迅速建立压力，从而形成循环润滑。

图5.13　螺杆式压缩机的结构图

1—空气滤清器；2—后冷却器；3—冷却器；4—油冷却器；5—空气供给口；6—吸气阀；7—真空指示器；
8—压力开关；9—压力维持阀；10—油气筒；11—油细分离器；12—隔板；13—温度开关；14—电加热器（可选）；
15—放油阀；16—油过滤器；17—温控阀；18—安全阀；19—卸荷阀；20—机头；21—离心式风扇；
22—联轴器；23—电动机；A1—空压机空气入口；A2—压缩空气出口；A3—冷却空气

当油气筒内压力达到600kPa时，最小压力阀开始打开，向空气系统输送空气。当系统压力达到设置值时，空气压缩机停机，此时最小压力阀关闭，而保持系统压力。随后将通过卸荷阀19释放油气筒内的压力。空压机每次停机时，油气筒内的压力会通过气控卸荷阀自动卸放，最小压力阀和进气阀此时也处于关闭状态。停机时，油气筒内的压缩空气会倒流到进气口，从而使卸荷阀打开，油气筒内的压缩空气会通过空气滤清器排向大气，短时间内将压力释放到300kPa以下。剩余的压力通过进气阀下的排气小孔排出，直到油气筒内的压力为0。该控制很大程度上抑制润滑油产生气泡。在（7±1）s后，能够低负荷再次启动。

（5）螺杆式空气压缩机的主要特点

①噪声低、振动小。当螺杆式空气压缩机工作时，旋转部件中两个螺杆的运动没有质心位置的变动，因而没有产生振动的干扰力。经精密加工和精密磨削制造的阴、阳螺杆和机壳之间，两两互相紧密贴合，其啮合时通过喷油实现密封和冷却，并不产生机械接触和摩擦，因而工作中的噪声较低。并且喷油润滑也使噪声强度大大降低，一般不超过85dB（A）。另外，因它压缩空气的过程是连续的，不受气阀开闭的制约，所以压缩空气的流动也是连续而且平稳的。

②可靠性高和寿命长。螺杆式空气压缩机工作时，除了轴承和轴封等部件外，没有其他因相对运动而承受摩擦的零部件。因阴、阳螺杆和机壳之间并不产生机械接触，即在工作中不产生摩擦，因此它具有较高的可靠性并可免维护。通常螺杆式空气压缩机的检修周期可以保证不短于整车的大修期。

③维护简单。在其运行中，检查、检修人员只要保证螺杆式空气压缩机的机油油位不低于油位计或视油镜刻线，保证空气滤清器未脏到堵塞的程度，那么空气压缩机就能工作，不需要特别的维护。

4.两空压机的启动方式

国内地铁车辆一般为6节编组，并安装两台空压机给整列车风源供风，但不同地方的地铁，两台空压机的启动方式不尽相同，概括起来包括：

①两台空压机同时启动：当总风压力低于某一规定值时，两台空压机同时启动，直到达到规定之后，两台空压机同时停止。例如西安地铁2号线车辆空压机就采用两台空压机同时启动方式。

②激活端空压机启动：当总风压力低于某一规定值时，此时只有距激活端司机室的空压机启动打风，只有当总风压力很低时（规定确定值），此时为尽快给总风压力打风，此时两台空压机同时启动。例如广州地铁2号线车辆空压机就采用两台空压机同时启动方式。

③空压机隔日启动：制动控制单元通过软件设置，两台空压机隔日进行启动。例如西安地铁1号线车辆空压机就采用两台空压机隔日启动方式。

【任务实施】

条件允许，让学员现场观察空压机的悬挂方式、组成，并讲解空压机的工作原理。

【效果评价】

评价表

任务3　空气处理单元的认知

【活动场景】

在城市轨道交通车辆检修车间的空气制动检修车间班级进行。

【任务要求】

1.认识车下空气管路上各部件的名称及功能。

2.掌握各截断塞门手柄状态与截断塞门通断的关系。

3.熟悉高度调整杆的工作原理。

4.掌握常用电磁阀、紧急电磁阀的结构及导通条件。

【知识准备】

空气压缩机输出的高压压缩空气中含有较高的水分和油分，必须经过空气干燥器将水分和油分分离出去，才能达到车辆中各用气设备对压缩空气的使用要求。空气干燥器一般都做成塔式的，有单塔和双塔两种。以上海地铁为例，上海地铁1号线直流传动车采用的是单塔式空气干燥器，而交流传动车则使用的是双塔式空气干燥器。

压缩空气在城轨车辆中，安全性高、结构简单而被广泛应用。但由于压缩空气是从大气中得到的，杂质很容易混入，特别是压缩空气中的水分。压缩机吸入大气储存压缩能，由于大气中含有水蒸气，水蒸气被一同吸入压缩机压缩，因此在压缩空气中含有大量的浓缩水蒸气，但由于空气中含水蒸气量是有限度的，一旦超过限度，多余的水蒸气就会结露变成水滴。在空气中含水蒸气的限度（饱和水蒸气量）随温度而变化。温度越低含量越少，例如按二次冷却器冷却温度排出结露的水后，由于配管或设备内气温的变化或绝热膨胀再冷却后还会再次有冷凝水产生。冷凝水的危害是：①在设备及配管内结冰，引起重大事故；②使设备及配管内锈蚀，缩短使用寿命；③污染设备及配管内部造成检修困难；④发生的锈蚀引起网眼堵塞。

因此，城轨车辆供风系统中的空气压缩机提供的风源必须经过干燥器的干燥，去除压力空气中存在的水分和油气，防止管路的堵塞。干燥器有单塔式和双塔式干燥器，目前应用主要以双塔式为主。

1.空气处理单元

空气处理单元包括预过滤器、干燥器、过滤器、加热器、压力阀和压力控制开关。

（1）预过滤器

干燥器前预过滤器去除压缩空气中润滑油及固体尘埃；可更换滤芯拦截细小微粒口过滤器下游压缩空气含油量小于1mg/m3以及含尘量达到国际标准3级的要求。过滤器通过常闭电磁阀将污物及液态水排出。

（2）干燥器

1）干燥器结构及工作原理

干燥器外形结构如图5.14所示，为无热再生双塔吸附干燥器。它由收集空气压缩机开关信号的控制箱控制工作。干燥器气控原理如图5.15所示，工作原理如图5.16所示。

图5.14　干燥器的外形图

图5.15　干燥器气控原理图

图5.16　干燥器的工作原理

当电控阀处于关闭位，在弹簧力的作用下，组合阀COV2开启，组合阀COV1关闭。此时干燥塔T1切换至再生状态，干燥塔T2进入吸附干燥状态。来自空气压缩机的饱和湿空气进入干燥器，通过组合阀COV2进入干燥塔T2，之后经过干燥塔下部的油水分离器，去除油、水及固体尘埃。之后压缩空气进入干燥塔中的干燥床，当压力达到出口压力止回阀设定值后由出风口排出。压缩空气进入总风缸。在左右出气腔进气室之间有相连通的小孔，此小孔使一部分干燥后的洁净压缩空气进入干燥塔T1，在干燥塔Tl内干燥洁净的压缩空气反向穿过干燥床，带走干燥剂工作所吸收的水分，将内部液态油、水固体尘埃聚集在油水分离器底部，由总排污阀排出。

当干燥塔T2达到再生设定时间，干燥塔T2，T1相互转换吸附—再生，完成一个工作循环。在每一次转换循环中，每个干燥塔轮换担任吸附、再生角色。这样，左右两塔重复地进行着吸附和再生工作。超过指定的温度，干燥器的干燥介质将产生永久性的降解。

2）干燥器故障检测及恢复

在干燥器正常工作过程中，一旦发生故障，故障信号将由干燥器传出。当电磁阀正常（输出电压为110V）时绿灯亮，如果电磁阀短路（输出电压变为0）则红灯亮；当无泄漏故障（输出电压为110V）时亮，如果出现泄漏故障（压力损失输出电压变为0）则红灯亮。出气口安装压力传感器检测压力，如果在20s内检测不到，控制器就会给出一个故障信号。

3）加热器

当环境温度低于5℃时，温度开关闭合给电加热器供电；当环境温度高于10℃时，温度开关断开，使加热器断电。加热器是由PTC材料制造，即使温控开关故障，加热器的温度也不会升高，因为PTC材料的电阻上升比温度上升的斜率快，因此可以由PTC材料的高阻抗来减少电流，从而温度不再会升高。

4）最小压力阀

最小压力阀位于油气筒上方油细分离器出口处，开启压力设定于（600±50）kPa。最小压力阀的功能主要为：①启动时优先建立起润滑油的循环压力，确保机器的润滑；②压力超过（600±50）kPa后开启，可降低流过油细分离器的空气流速，除确保油细分离效果之外，还可保护油细分离器避免因压差太大而受损；③止回功能：当停机后油气筒内压力下降时，防止主风缸内压缩空气回流。

以下为最小压力阀主要参数：①设定值（0.4±0.05）MPa；②最高压力1.1MPa；③工作压力0～1MPa；④工作温度-40℃～12℃。

5）压力开关控制板

压力开关控制板上有一个手动开关用于隔离来自空气压缩机的气路，一个测点接头用于可能的压力测试。

2.空气干燥过滤器的工作过程

（1）干燥器的工作原理

干燥筒中的干燥剂（吸附剂）是结晶的金属硅酸铝，当带水分的压力空气流过干燥剂时，干燥剂具有很有规律的微孔，吸附流过的空气中的水分。而且这种硅酸盐干燥剂的微孔大小可选择吸附水分子，而较大的油分子却不能同时吸附。吸附作用的特点是在压力下吸附，在大气压或负压下再生，即压力越高，温度越低，单位吸附量所能吸收的水分量就越多；反之，吸附量就少。这就是“压力吸附与无热再生”。

（2）工作过程

如图5.17所示是双塔式空气干燥器的工作原理示意图，其工作状态从外形轮廓上显示出A塔处于干燥阶段时，而B塔处于再生阶段。定时器单元产生的信号决定电磁阀的开关，电磁阀处于S1位置是打开的。在该通路处有活塞阀A和B，活塞阀处于A1位置是关闭，处于A2位置是打开；同样活塞阀处于Bl是打开，处于B2是关闭。潮湿的压力空气进入干燥器A塔进行干燥，然后经过检查阀C1和压力维持阀C3进入压缩空气系统。其中一小部分被转移，另一部分通过每个控制阀给电磁阀提供压力空气并且驱动活塞阀，还有部分通过节流孔进入再生干燥塔B进行再生作用。

压力空气膨胀通过干燥剂，产生饱和的湿空气通过打开的阀座Al和消音器排出塔体外。

图5.17　空气干燥器示意图（双塔式）

1—干燥剂；2—A塔；3—阻气门；4—Cl检查阀；5—电磁阀；6—电磁阀排水口；
7—活塞；8—消音器；9—合成活塞阀；10—活塞A；11—绝缘体；12—压力维持阀C3；
13—C2检查阀；14—油水分离器；15—B塔；16—贯穿螺栓

2min后干燥循环计时器根据电磁阀的开关信号移动来关闭阀座S1，释放阀A和阀B的控制压力空气，由阀的控制弹簧来改变活塞的位置，打开阀座A1和B2，关闭阀座A2和B1。潮湿的饱和压力空气进入干燥塔B，在这里压力空气，被处理并且通过检查阀C2和压力维持阀C3进入压缩空气系统。一小部分通过节流孔进入再生干燥塔A来干燥饱和湿干燥剂。为确保系统有效地工作，压力空气在干燥器中须尽快干燥，在压力维持阀的端部是空气干燥器的输出门，当里面的压力空气达到预先设定的压力值时该阀才被打开。同样，活塞阀的动作也要求准确、快速地进行。为了能够快速动作就要求在电磁阀的入口处安装弹簧载荷控制阀，直到里面的压力空气达到足够的压力时能打开该控制阀来控制活塞阀迅速的动作。

检查阀C1和C2是防止压力空气回流到再生干燥塔中。空气压缩机上的定时器开关的时间是相等的，它是按照设定程序来控制开启和关闭的时间的。空气压缩机停止运转时，则循环计时器同样也停止工作，当空气压缩机重新开始运转时计时器也重新开始为干燥塔的开关进行计数。通过这种方式能防止干燥剂过分饱和潮湿并确保再生干燥剂完全干燥。如果空压机控制系统产生一个主要故障而让系统失去功能，但该装置仍然保证空气在干燥器中的流向。在每个干燥器的干燥塔上有压力开关PSl和PS2，当干燥器存在故障时，它们将把该错误信息通过BCE发送到FIP系统。

3.单塔式空气干燥器

单塔式空气干燥器是一种无热再生作用的干燥器，其特点是吸附剂的吸附作用与再生作用在同一个干燥筒内进行。单塔式空气干燥器原理如图5.18所示。

图5.18　单塔式干燥器作用原理

（1）除湿作用

总风缸的压力降低到调压器动作值的下限压力时，调压器动作，在空气压缩机开始运转的同时电磁阀励磁，因为排气阀控制室的压力排向大气，所以在排气阀弹簧的作用下排气口关闭，因此，从空压机排出的压缩空气被二次冷却器冷却后，进入除湿装置的入口，送给除湿器，在吸附剂外部将水滴、灰尘、油等分离后，从吸附材料外部流入吸附材料内部。在这里充分除湿后，通过除湿器的逆止阀部，进入再生空气风缸，与此同时，通过逆止阀送到总风缸。

（2）再生作用

除湿后的空气被送到总风缸，总风缸的压力上升，一达到调压器的上限压力值时，调压器动作，空压机停止运行。电磁阀消磁，排气阀控制室与再生空气风缸连通，因此排气阀在控制室压力的作用下打开，使从空气压缩机到除湿器逆止阀部之间的压缩空气急速地排向大气，同时从压缩空气分离出来的水分、灰尘、油等污物也被排出。

另外，再生空气风缸内被干燥后的压缩空气通过除湿器上部的缩孔，膨胀到大气压力，以更干燥的状态、逆向通过吸附材料内部，将之前吸收的水分，从排气阀排出。再生空气风缸的压力降低，吸附剂的再生完了后，排气阀在弹簧的作用下，自动地关闭排气口。

如图5.19所示是单塔式空气干燥器的结构原理图，由图可知它主要由油水分离器、干燥筒、排泄阀、电磁阀、再生储风缸和消声器等组成。在油水分离器中存有许多拉希格圈（一种用铜片或铝片做成的有缝的小圆筒），干燥筒则是一个网形的大圆筒，其中盛满颗粒状的吸附剂。

图5.19　单塔式空气干燥器

1—空气干燥筒；2—弹簧；3—单向阀；4—带孔挡板；5—干燥筒筒体；6—吸附剂；
7—油水分离器；8—拉希格圈；9—排泄阀；10—消声器；11—弹簧；12—活塞；
13—电磁阀；14—线圈；15—排气阀；16—衔铁；17—带排气的截断塞门；
18—再生储风缸；19—节流孔

空气干燥器工作过程如下：空气压缩机输出的压力空气从干燥塔中部的进口管进入干燥塔后，首先到达油水分离器。当含有油分的压缩空气与拉希格圈相接触时，由于液体表面张力的原因使空气中的油滴很容易地吸附在拉希格圈的缝隙中，这样就将空气中的油分大部分就被排去了；然后空气再进入干燥筒内并通过吸附剂，吸附剂能大量地吸收空气中的水分。只要干燥筒上方输出的空气湿度ψ＜35%，即可满足车辆各用气系统的需要。洁净而干燥的压力空气输向主储风缸，而分离后留在干燥塔内的油和水还要进行再处理。从空气干燥塔输出的干燥空气有一部分通过干燥塔顶部的另一小孔储入再生储风缸。当总储风缸压力达到储风缸的通路设有单向阀，故主储风缸的压力空气不能倒回至干燥塔内，而这时再生储风缸内干燥的压力空气将回冲至干燥器内，并且沿干燥筒、油水分离器一直到干燥塔下部的积水积油腔内。在下冲的过程中，回冲干燥空气不仅吸收了吸附剂中的水分，同时还冲掉了拉希格圈上的油滴，使吸附剂和拉希格圈都得到还原，使之在以后的净化和干燥中可以继续发挥作用。再生储风缸还有一条管路通向积水积油腔底部的排污阀门。管路中间有一个电磁阀，其电磁线圈与空气压缩机的压力开关相接。当空气压缩机关闭时，电磁阀线圈失电，气路导通，再生储风缸内的压力空气顶开积水积油腔底部的排泄阀门，使积水积油腔内的水和油通过消声器迅速排向大气。当压力达到3.5×105Pa时，空气压缩机即停止工作，干燥塔顶的压力也将迅速降低。

4.双塔式空气干燥器

双塔干燥器安装在每一辆拖车的压力空气供给和制动控制合成模块上，它的再生干燥剂采用活性氧化铝并且安装在空气压缩机的后面为全列车用风系统提供干燥清洁的压力空气。空气干燥器单元的再生吸附功能采用双塔干燥器并且干燥剂采用活性氧化铝。双塔运转的形式采用平行工作制，当潮湿空气在一个塔中进行干燥时则另一个干燥塔的干燥剂正在再生。当潮湿的压力空气从空气压缩机中出来后进入双塔干燥器，在这里压力空气中的水和油将被彻底分离出来，当压力空气经过一个塔的干燥剂后，出来的压力空气的相对湿度为35%。

电磁阀的打开和关闭是通过安装在电磁阀体内的计时芯片产生的信号进行控制的，电磁阀位于空气干燥器支架的底部。一些干燥的空气将流出、膨胀经过正在干燥的干燥塔，通过干燥和膨胀干燥塔中再生和湿透的干燥剂来吸附其中的水分，最后将饱和的湿空气排入大气中。

通常用来控制干燥器空气走向的部分被安装在铝管支架上，在干燥器上所有管路和电器接口都已做好，双塔干燥器也被安放在支架的顶部，同样支架也作为这个单元的安装面，并用螺栓固定好。双塔式空气干燥器示意图如图5.17所示。

相对于直流传动车，交流传动车选用的空气压缩机的排气员较小，它停止工作间隙小能满足单塔式空气干燥器再生所需的时间，因此要选用如图5.17所示的双塔式空气干燥器。通过上面的学习我们知道，双塔式空气干燥器的工作原理与单塔式空气干燥器的工作原理类似，只不过它采取的不是时间分段法，即一段时间吸污，下一段时间再生和排污，而是采取双塔轮换法，即一个塔在去油脱水的同时，另一个塔进行再生和排污，过后两个塔的功能对换，以此达到对缩空气可连续进行去油脱水的目的。双塔式空气干燥器没有再生储风缸，而是依靠两个干燥塔互相提供回冲压力空气排污。但它设有一个定时脉冲发生器，使两个干燥塔的电磁阀定时地轮换开、关，以使两个塔的功能能够定时进行轮换。

5.除湿装置

如图5.20所示是西安地铁2号线地铁车辆空气压缩与除湿装置。由图可知除湿装置位于压缩机的下方，储风缸的上方，其功能是去除压缩空气中水蒸气、雾状的油及水，也可去除灰尘。除湿装置还安装有一个单向阀，当空气压缩机发生故障时或空气压缩机管路破损时，可防止压缩空气从原气缸管排出。

图5.20　除湿装置示意图

【任务实施】

本次任务的实施建议在城轨车辆的检修车间进行，让学员现场观察空压机的悬挂方式、组成，并讲解空压机的工作原理、空气干燥器检修。空气压缩机输出的高压压缩空气中含有较高的水分和油分，必须经过空气干燥器将其中的水分和油分排去才能达到车辆上各用气系统对压缩空气的使用要求。空气干燥器无需特殊保养，一般只做常规检查。由于空气干燥器里没有移动部件，因此一般不会有磨损的问题。如果发生故障需要修理时，需作检修

1.空气干燥器分解检查

拆开空气干燥器，必须首先要对分解后的干燥器零部件进行清洁，并检查是否有裂纹、变形或锈蚀等损伤。

2.吸附剂更换

如果在排泄阀的出口处有白色沉淀物或是吸附剂过饱和，必须检查吸附剂，如有必要则要更换。一般来说，吸附剂每4～5年需要更换一次。

3.拉希格圈清洗

用于吸油的拉希格圈，可以用碱性清洁剂清洗，再用清水洗涤，最后用压缩空气吹干即可。

4.进行功能测试

干燥器组装完成后，应对它的功能进行测试，测试应在专用测试设备上进行。测试主要检查干燥器是否有泄漏、排泄功能是否正常、消声器的工作效果等。按照设计要求，经过干燥的压缩空气，其相对湿度应小于35%，这是必须要测试的项目，可以使用压力露点计或相对湿度计来检查其是否达到要求。

5.干式空气滤清器的维护及更换说明

①遵守产品安全手册要求，检修工作只允许由受过专业培训的人员在授权车间进行，使用原装备件时，必须保证在两次检修之间供气设备功能正常。

②内置干式空气滤清器，可通过观察作为附加装置的真空指示器，当发现滤清器内侧脏污时应及时保养维护。

③压缩空气机机组运行1000h或最迟12个月后更换干式空气干燥滤清器。

【效果评价】

评价表

续表

任务4　风源系统辅助设备的认知

【活动场景】

如图为车辆车下制动管路的布置。

【任务要求】

1.认识车下空气管路上各部件的名称及功能。

2.掌握各截断塞门手柄状态与截断塞门通断的关系。

3.熟悉高度调整杆的工作原理。

4.掌握常用电磁阀、紧急电磁阀的结构及导通条件。

【知识准备】

空气制动系统包括的相关设备很多，空气制动管路上安装的设备主要包括风缸、截断塞门、止回阀、减压阀、空气过滤器、安全阀，参与制动控制及给制动计算提供信号的设备有防滑阀、常用电磁阀、紧急电磁阀、高度调整杆等，下面将这些进行一一说明。

1.温度开关

在失油、油量不足、冷却不良等情况时，均可能导致排气温度过高。当排气温度达到温度开关所设定之温度值时，则温度开关断开而停机。检查温度开关时，拔下温度开关上的电线护套，用电阻表测量温度开关两接线柱间的电阻，在温度没有达到断开时该电阻为0。

2.压力开关

每当空气压缩机停机后，油气筒内和进气口处是空载的，因此机器可以在很小的负荷下再次启动。卸压过程不是一个突变的过程，而是通过控制定时的过程。这就是空气压缩机停机后，要等卸压完成才能再次启动的原因。安装在空气压缩机上的膜片式压力开关，可以确保空气压缩机再次在小于300kPa条件下启动。

压力开关受进气阀阀座内压力控制，空气压缩机停机后，油气筒内压力立即传至进气阀阀座内，压力开关断开。随着油气筒内的压力被卸荷阀快速卸除，进气阀阀座内压力也降低，当压力小于300kPa时，压力开关恢复接通，此时压缩机才能再次启动，保证了电动机在低负载下启动，空气压缩机再次启动的最长时间间隔为（7±1）s。空气压缩机运行时，进气阀腔内压力低于大气压力，压力开关处于接通状态。压力开关在出厂前已设定好，请勿随意调整。

3.风缸

如图5.21所示是城轨车辆风缸的实物图，风缸的作用是进行储存压缩空气，为相关设备供风。城轨车辆上安装的风缸主要有总风缸、制动风缸、空气弹簧风缸，个别地铁上还有升弓风缸和门控制风缸等。不同的风缸以及不同地铁的同一风缸容量、尺寸以及悬挂不尽相同，但风缸下面一般都装有排水塞门或排水堵，作用是可以定期进行排出风缸内的冷凝水。

图5.21　风缸实物图

4.截断塞门

如图5.22所示为截断塞门的结构和作用原理图，截断塞门的作用是当空气管路局部故障或需要进行部分隔离时使用的设备。一般情况下截断塞门的手柄与管路平行时为开启状态，手柄与管路垂直为关闭状态，但个别厂家在设计时，为现场人员日常检修方便，截断塞门的正常状态设为手柄与管路平行（此时管路不一定导通），而非正常状态设为手柄与管路垂直（此时管路不一定断开）。

图5.22　截断塞门把手位置与管路通断的关系

按照截断塞门的结构可分为锥形截断塞门和球形截断塞门，按照是否自带排气又可分为带排气口的截断塞门和不带排气口的截断塞门，如图5.23、图5.24所示。

图5.23　锥芯独立式截断塞门

1—阀体；2—塞门芯；3—盖；4—弹簧；5—手柄

图5.24　带排气口的截断塞门

图5.25　单向阀工作原理示意图

1—导座；2—阀；3—弹簧；V—阀座；
A1—进气口；A2—排气口

5.止回阀

止回阀即单向阀，如图5.25所示，当空气供给中断时，单向可防止已输进风缸和风管的空气回流。阀2对打开和关闭会产生一个缓冲作用，以防止阀过早磨耗并减少振动所产生的噪音。缓冲由阀2杆后部导座1上的空气室产生。当阀打开时，空气被压缩并只可从阀杆和导座之间有限的环形间隙漏出；相反，当阀再次关闭时气流进入空气室的速度会降低，由此产生阀的缓冲并减少振动。

6.减压阀

减压阀的作用是将气压高、不稳定的空气经过调节后变成气压稳定且压力在要求范围内的压力空气，然后供给相关设备，具体结构如图5.26所示。

首先进入的压缩空气流经第一孔P并把第二孔A的管座V1打开，它也通过孔C进入D室并对活塞的上端充气e。压缩空气通过均衡口E并进入阀头d上部的F室，活塞e向下推，一旦第二压力和活塞力克服弹簧张力h和i。

当超过第二压力时，压力安全装置起作用，活塞e从阀头d的推杆抬起，排气口G打开，提升的第二压力排至大气中，这个过程持续到第二压力减少到需要值，活塞e随后再一次提起，阀头d的摩擦推杆再一次抬起，关闭排气口G，没有抬起阀头d管座V1。

正常耗气时，阀的气压正常下降，也从第二孔A漏气。这打乱了平衡状态并允许活塞e由弹簧h和i向上推，摩擦作用，阀头d的推杆也向上移动，打开管座V1，后者开着直到压缩空气由第一口P加入。压缩弹簧h和i力的平衡重新建立。充气开始并且过量充气结束，非常低。

图5.26　减压阀结构

7.空气过滤器

如图5.27所示是空气过滤器的结构示意图，空气过滤器是用于防止杂质和潮气渗进安装在空气制动系统顺流方向的敏感部件。可以保护这些敏感的设备不受损坏。空气过滤器对在多尘环境下运行的列车的制动系统可靠性具有极其重要的作用。

图5.27　空气过滤器

（1—壳；2—过滤器芯；3—锁紧螺栓）

图5.28　安全阀

1—阀体；2—活塞；3—弹簧；4—顶杆；
5—调节螺母；6—上盖；B—排气口；V—阀口

8.安全阀

安全阀是空气制动系统中保证空气压力不至于过高的重要部件。安全阀的结构如图5.28所示，在它中间的顶杆是个导向杆，底部的阀门可以上下滑动。调整螺母将一个弹簧压在阀门上面，弹簧压力使阀门关闭，弹簧压力可由调整螺母调节。当空气压力超过规定压力时，则空气压力抵消弹簧力，将阀口顶开，释放压力空气。有时空气压力没有超过规定压力，但需要释放压力，也可以用工具向上拔起阀杆，即可打开阀口。

当车上的主风缸压力开关调节不当或排气管线上有堵塞现象而致使油气筒内压力高出安全阀整定值时，安全阀即会自动起跳而卸压，使压力降至设定的排气压力以下。安全阀于出厂前已经过整定（一般整定值为1250kPa），请勿随意调整。此安全阀必须考虑作为最后一级的安全条件。在实际情况下，还有一个安全阀安装在空气处理单元的下游用来保护各种设备。这个安全阀在作用上等同于第一个安全阀，它的压力设定值为1.06MPa。

9.防滑阀

（1）非滑行时

因为滑行检测器的信号是OFF，保持阀、排气阀均是OFF状态，处于制动位置。如图5.29所示，BC压力空气从进气口（IN）流入，经排气阀侧的电磁阀，流入排气阀侧膜片的背压室d，引起排气阀侧膜片关闭。a室的压力空气，依靠自身的压力将保持阀侧膜片推开，流入出气口（OUT）。因此，BC压力空气从进气口（IN）供到出气口（OUT）。

（2）滑行时

根据滑行检测器的指令，进行缓解、重叠、制动的3个位置的作用。

①缓解作用。如图5.29所示，根据缓解指令，保持阀、排气阀均励磁，处于缓解位置。进气口（IN）的压力空气流入保持阀侧膜片的背压室b，引起保持阀侧膜片关闭。另外，排气阀侧膜片的背压室d的压力空气，经排气阀侧电磁阀，流出到排气口（EX）。c室的压力空气，依靠自身的压力将排气阀侧膜片推开，流出到排气口（EX）。因此，制动缸侧的压力空气，从出气口（OUT）经c室流出到大气中，进入缓解状态。

图5.29　缓解（排气）位置

②重叠状态。如图5.30所示，根据保持指令，只有排气阀去磁，处于制动位置。进气口（IN）的压力空气，经排气阀侧电磁阀，流入排气阀侧膜片的背压室d，引起排气阀侧膜片关闭。因为保持阀侧膜片是闭合状态，所以制动缸侧的压力空气能够保持一定量的状态，进入重叠状态。

图5.30　重叠（保持）位置

③制动作用。如图5.31所示，根据供给指令，保持阀也去磁，处于制动位置。排气阀已去磁，导致制动缸侧压力空气的排气被切断。保持阀侧膜片的背压室b的压力空气，经电磁线阀流出到排气口（EX）。因为a室的压力空气，依靠自身的压力将保持阀侧膜片推开，流入到出气口（OUT），所以BC压力空气再次从进气口（IN）供到出气口（OUT），进入制动状态。

图5.31　制动（供给）位置

10.常用电磁阀

（1）常用电磁阀部

常用电磁阀部装有本体、铁芯、电磁芯棒、线圈、线圈盖、O型密封圈、弹簧等各两个，主要部件全部由本体和线圈盖覆盖着。各线圈的两根导线露在上部。

电磁阀部通过两个电磁阀的ON/OFF，来组成供给、重叠、排气3个位置，控制中继阀指令压力（AC压力）。常用电磁阀具有下述特征：

①因为是直动型，所以响应性好。

②橡胶阀、O型密封圈的使用及部件的个数较少，容易维护。

图5.32　常用电磁阀结构

（2）工作原理

1）供给作用

如果在线圈1、2上都施加电流，铁芯就会克服弹簧被磁力吸上，脱离电磁芯棒下部的阀座，在电磁阀上部的阀座上就位。因此，断开了与AC1和排气口的连接，停止排气的同时，SR的空气经过通路SR—AC1向AC1侧供给。

2）重叠作用

只在线圈2上施加电流，线圈2的铁芯克服弹簧被磁力吸上，脱离电磁芯棒下部的阀座，在电磁芯棒上部的阀座就位。因此，断开了与AC1和排气口的连接，处于重叠位置。

3）排气作用

线圈1，2被消磁，铁芯被弹簧力压到下方，脱离电磁芯棒上部的阀座，在电磁芯棒下部的阀座上就位。因此，断开了与SR和AC1的连接，断开SR侧空气的同时，AC1侧的空气经过通路AC1—排气口从排气口向大气排出。

图5.33　常用电磁阀工作原理

11.紧急电磁阀

（1）基本组成及特点

紧急电磁阀部是由本体、铁芯、电磁芯棒、线圈、线圈盖、O型密封圈、弹簧等组成，主要部件全部由本体和线圈盖覆盖着。线圈的两根导线露在上部。

紧急电磁阀部是以小型、轻量为主要目的设计的ON/OFF型电磁阀，其具有下述特征：

①因为是直动型，所以响应性好。

②橡胶阀、O型密封圈的使用及部件的个数较少，容易维护。

图5.34　紧急电磁阀结构

（2）基本工作原理

1）供给作用

如果线圈消磁，铁芯被弹簧力压到下方，脱离电磁芯棒上部的阀座，在电磁芯棒下部的阀座上就位。因此，断开了与排气口和AC2的连接，排气停止的同时，VL空气经过通VL—AC2 向AC2侧供给。

2）排气作用

如果在线圈上施加电流，铁芯就会克服弹簧被磁力吸上，脱离电磁芯棒下部的阀座，在电磁芯棒上部的阀座上就位。因此，断开了与AC2和VL的连接，断开VL空气的同时，AC2空气经过通路AC2—排气口从排气口向大气排出。

图5.35　紧急电磁阀工作原理图

12.高度调整杆

如图5.36（a）所示，空气弹簧由于车体载荷的增加被压缩，杠杆向上倾斜，经过一定时间以后活塞开始动作，打开供气阀，主储气槽里的高压空气流到空气弹簧里，空气弹簧随其逐渐充满，杠杆退回到水平位置的同时，供气阀会立即关闭。

相反，减轻车体荷载时，在图5.36（b）所示，空气弹簧恢复原状压下杠杆，使它向下倾斜后，还等经过一定时间，活塞向图5.36（a）所示的相反方向动作，而放开排气阀。空气弹簧内的空气经过排气孔排放在大气中。然后，空气弹簧被压缩而杠杆回到水平位置的同时，立即关闭排气阀。

由上述可知，开放供气阀或排气阀时，给它安排规定的延迟时间，相反，关闭阀门时极快速地闭合，这是本阀门的最大特征。这项动作是以活塞来控制。下面进行更详细的说明。

在图5.36（a）所示杠杆顶上去，缓冲弹簧被扭转，利用其弹簧力来使缓冲悬臂下面的突起部推压活塞，使它向右方移动。活塞备有的吸气阀有止回阀的作用，活塞的右面作为油压室，并与气缸盖上备有的节油器的功能相结合，形成阻尼器的效果。流到节油器而被阻止的油分经过主体背面的通路回流到中央的油室里。此时，节油部分产生抵抗，使它供给延时作用。

此期间活塞的左面成为负压状态，就吸气阀会放开，从中央油室流出来的油来补油。随着这种活塞的动作，缓冲悬臂开始回转，使供气阀放开，同时主储气风缸的空气移动到空气弹簧里。

图5.36　高度调整杆的工作原理示意图

相反，关闭时，缓冲弹簧和缓冲悬臂的突起部推压活塞，而使它退还到中央位置，但本阀机构上此时不致构成缓冲作用。即在图5.37所示，活塞前面有流油的通路a，所流到这里的油不承受抵抗力，更不会受到压缩力的状态从该部位流出来，因此，决无抑制活塞的动作。该通路等到活塞退还到中央位置的同时会阻塞，而形成对下面的活塞动作给予延时功能的机构。

图5.37　活塞部的作用

由这样一系列的动作，即使车辆行走中空气弹簧上发生振动，强迫地动作了弹簧臂，但由于阻止器的抵抗力，可有效防止缓冲悬臂的动作，结果空气弹簧的振动吸收到缓冲弹簧中，有效减少供气、排气的动作，从而能够防止空气的浪费，同时，能使阀门迅速地动作，将能提高控制的稳定性。

如果车辆行走中，万一有漏气，或载荷有倾向等，空气弹簧的高度超过规定位置，高度阀就会立即进行上述的过程来调整高度。

13.空气滤清器及真空指示器

过滤良好的无尘进气，可以降低空气压缩机的磨损，延长使用寿命。因此，在空气压缩机的进气口处都配有组合式空气滤清器。它的特点是最大限度地清除尘埃。当空气从空气滤清器入口切向进入时产生旋流，它使颗粒较粗的尘土沉积在滤清器内壁上，再落入壳体后盖内。粗滤度可达80%，从而大大延长了滤芯的寿命。沉积在壳体后盖的尘土可通过隔膜阀排出。

空气滤清器的滤芯为干式纸质过滤器，它对空气进行精细过滤，过滤精度：3μm的颗粒为99.9%；1μm的颗粒为99%；进行维护工作时，滤芯被卸下，安全滤芯可以防止尘土进入干净的空气口。安全滤芯的寿命很长，只有当滤芯被第五次维修时才需要更换。

真空指示器有助于最大限度地使用安装在空气滤清器中的滤芯。真空指示器可以显示出何时滤芯需要维护，而以这种方式避免不必要的支出。真空指示器是一种气压式工作的精密仪器，带光学显示，通常安装在压缩空气系统的进口。当滤芯上灰尘越积越多，滤芯流体阻力就越大，结果，一个红色指示活塞被逐渐推出，进入外壳的透明部分。当指示活塞能全部看见或箭头指向5kPa时，在此位置锁住，并在螺杆空气压缩机停机时仍保持完全可见，倒掉后盖内尘土或应更换滤清器芯。重新装上空滤器后，按下指示器顶端的复位按钮复位。

14.油路系统流程

油路系统流程由油细分离器、温控阀、油冷却器和油过滤器等组成。润滑油是利用压差原理进行循环，无油泵。当空气压缩机运行时，在油气筒内形成压力，推动油通过油过滤器，然后将油传送到螺杆组的轴承、传动机构以及注油点处。所传输的油用来润滑机器，将转子的叶片在它们的端部密封分隔开，并将压缩作用所产生的热量带走。由空气压缩机所传输的油气混合物流过输出口并打在油气筒中的隔板上，这个过程对油液起粗滤作用。然后空气再通过油细分离器细滤。在这一阶段过滤后的油液被收集在油细分离器的底部，经过空气压缩机油气筒中压力的作用，油通过回油管返回到空气压缩机螺杆组。

（1）油细分离器

油细分离器的滤芯是用多层细密玻璃纤维制成，压缩空气中所含雾状油气经过油细分离器几乎可被完全滤去，排气含油量则可低于5ma。至于润滑油的选择，忌使用假油或再制油。

（2）温控阀

油冷却器前装有一个温控阀，其功能是维持排气温度在压力露点温度以下，避免空气中的水汽在油气筒内凝结而乳化润滑油。刚开机时，润滑油温度低，此时温控阀自动开启通往机体的油路，油不经过油冷却器而进入机体。若油温升高到7℃以上，温控阀被逐渐打开至油冷却器的通路，至93℃时全开，此时油会全部经过油冷却器再进入机体内。

（3）油过滤器

油过滤器是一种纸质的过滤器，其功能为除去油中杂质，如金属微粒、油的劣化物等，以保护轴承及转子。若油过滤器未及时更换则可能导致进油量不足，造成排气温度升高，以致停机；或油过滤器内的旁通阀开启，使脏油未经过滤即进入压缩机内，损伤转子、轴承及壳体。在更换油过滤器时，应使用专用带式扳手，夹住黑色滤筒，按顺时针方向旋转，拆下旧的油过滤器，用手旋上新的油过滤器。

（4）润滑油型号

喷油式螺杆空气压缩机只有在当它的油路系统正常发挥作用时才能平稳工作。为了避免损坏转子部件，润滑油必须在启动后几秒内完成以下功能：

①使啮合的转子与壳体之间的间隙密封。

②吸收并带走压缩过程产生的热量。

③润滑滚动轴承和受载荷的转子面。

正确选择润滑油是极其重要的。因为在正常工作状态下，温度变化范围很大。每一种等级的润滑油都有其本身特定的温度与温度特性。随着温度的降低，油的运动黏度会加大，使空压机低温启动时油的循环难以实现。润滑油对喷油螺杆空压机性能具有决定性的影响，若使用不当或错误，会导致压缩机体的严重损坏。选择原则：坑氧化性、抗乳化性、抗气性、抗泡性、抗融性、抗磨性、抗腐蚀性能好。

【任务实施】

让学员现场观察空气管路各部件的安装位置，并现场分析与认知各部件的规格及作用。

【效果评价】

评价表

项目小结

城市轨道交通车辆制动系统主要由4部分组成，即风压源、空气的传输、制动控制系统以及制动的执行设备。

制动所需要的风源由空压机提供，地铁车辆所使用的空压机一般都采用两级压缩，干燥设备有双塔干燥的，也有真空丝膜结构进行干燥的，其作用都是给制动系统提供干燥的压缩空气。

空气的传输是通过在车底布置的风管进行传输，在风管上安装很多设备，例如用来控制管路内空气通断的截断塞门、用于控制空气倒流的单向阀、用于清洁压缩空气的滤尘器以及用于保证设备承受压力的安全阀等。

关于制动控制系统以及制动的执行设备将在其他项目进行讲解。

思考与练习

1.简单叙述压缩机的工作原理。

2.说明双塔干燥器的工作原理。

3.为减小空压机工作时对底板面造成的震动，在安装空压机时都采取了哪些措施？

4.在空气制动管路中，都在哪些位置设置单向阀，设置单向阀的目的是什么？

5.高度调整杆的作用是什么？如果列车在运行时高度调整杆断裂，车辆会出现什么情况？

6.供风系统由哪些部分组成？

7.供风系统的工作原理是什么？

8.生产压力空气的操作中工作模式有哪些？

9.城轨车辆供风系统中常用的空气压缩机类型有哪些？

10.活塞式空气压缩机的基本工作原理是什么？

11.螺杆式压缩机的工作原理是什么？

12.城轨车辆供风系统中有哪些辅助设备？

13.城轨车辆供风系统为什么采用干燥器？

14.双塔式干燥器的工作过程是怎样的？

15.在供风系统的空气处理单元中为什么采用压力阀？

16.在作用原理上，单塔式干燥器与双塔式干燥器主要不同点是哪些？