高海拔对机车供风能力的影响研究*

段明民

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081）

按照国家“十三五”规划，川藏铁路开始全面启动规划建设。这是继青藏铁路之后的第2 条进藏通道，也是一条典型的高原铁路。按照川藏铁路规划方案，该线为客货共线铁路，其中大部分线路位于海拔高度3 000 m以上，部分超过4 000 m。机车风源系统作为列车压缩空气的唯一来源，为空气制动系统及受电弓、撒沙装置、空气弹簧、集便装置等用风设备提供压缩空气，是列车安全运行的重要保障。现有铁路机车的风源系统均采用容积式空气压缩机，其性能受到高海拔运用环境的影响。因此，在进行列车供风能力设计时，需考虑高原低气压环境对空压机容积流量的影响。

1 高原铁路机车供风能力现状

我国现有高原铁路以青藏线、拉日线等为代表，其中青藏线格拉段及拉日线为单线非电气化铁路，青藏线西格段为双线电气化铁路，采用的主要牵引机型有NJ2型、HXN3型内燃机车和 HXD1C型、HXD1D型电力机车。各型机车的主要情况及供风能力分别如下。

（1） NJ2型内燃机车

NJ2型内燃机车是由美国通用电气公司制造的客（货）型交流传动内燃机车，共78 台，全部配属青藏集团公司。青藏线开通运营伊始，NJ2型机车作为唯一的牵引机型，承担青藏线全线的客货列车牵引运输任务，西格段电气化后其担当区段变为格尔木至拉萨。该机车采用WLGC9B 型往复式空压机，柴油机为额定转速1 050 r/min 时的容积流量为9.2 m3/min。机车设有3个总风缸，总容积为1 200 dm3，均采用车体下部安装方式。该型机车的空气压缩机技术参数如表1。

表1 NJ2 型机车空压机主要技术参数

（2） HXN3型内燃机车

HXN3型（高原过渡方案）机车是在4 474.27 kW 6 000 马力HXN3型交流传动内燃机车技术平台的基础上进行高原适应性调整而成的。为适应高原运用环境，机车在主传动参数、电气系统、冷却性能、柴油机等方面进行了适应性调整，机车功率可随海拔高度自动修正，并增加了制氧系统、CMD 系统和6A 系统。制动及风源系统与HXN3型机车保持一致，每台机车装有两台螺杆式空气压缩机，最大总风压力下的单台空压机供风量不小于 2.4 m³/min。机车设有 3 个总风缸，第 1、第 2 总风缸为制动系统提供风源，第3 风缸为柴油机起动提供风源。总风缸总容量≥1 200 dm3，采用车体下部安装方式。HXN3型机车的空压机主要技术参数如表2。

（3） HXD1（C高原型）电力机车

HXD1C（高原型）机车是在HXD1C基础上进行高原环境适应性改进的六轴交流传动货运电力机车，目前运用于青藏集团公司西格线（西宁至格尔木），担当货运牵引任务。该机车配备两台TSA−230ADVII 或SL20−5−113 型双螺杆式空压机，公称容积流量2.4 m3/min。总风缸由第1 总风缸和第2 总风缸串联组成，第1 总风缸容积为1 000 dm3，第2 总风缸容积为600 dm3。该型机车的空压机主要技术参数如表3。

表2 HXN3 型机车空压机主要技术参数

表3 HXD1C 型机车空压机主要技术参数

（4） HXD1（D高原型）电力机车

HXD1D（高原型）机车是在HXD1D基础上进行高原环境适应性改进的六轴交流传动客运电力机车，机车持续功率7 200 kW，最高运营速度160 km/h。该机车配备两台 TSA−230ADVII 或 BT−2.4−10AD1 型螺杆式空压机，容积流量为2.4 m3/min。总风缸总容积为1 400 dm3，在车内安装有2 个200 dm3的总风缸，车下安装有2 个500 dm3的总风缸。该型机车的空压机主要技术参数如表4。

综合上述参数可见，现有高原机车不同机型的容积流量存在较大差异，对高原机车的供风能力还缺乏统一的标准。NJ2型机车的空压机容积流量与柴油机转速存在一定联系。当柴油机转速为1 050 r/min 时，容积流量高达9.2 m3/min；当柴油机转速为怠速440 r/min 时，容 积 流 量 也 达 到 3.8 m3/min。 而 HXN3、HXD1C和HXD1D型机车由于均为在现有技术平台上进行高原环境适应性的改造方案，对空压机的容积流量并没有进行相应改变，仍然保持为2.4 m3/min。

表4 HXD1 D 型机车空压机主要技术参数

2 理论分析

2.1 海拔与大气压的关系

大气压力受到许多因素的影响，海拔高度越高，则大气压力越低。铁路行业标准中暂时没有相应的计算公式。按照国家能源局发布的电力行业标准DL/T 5240−2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》，标准第8.2.5 条规定了计算大气压力与海拔高度关系的经验公式见式（1）:

式中，pa为当地平均大气压，kPa；H为当地海拔高度，m。以此计算的各海拔高度下大气压力见表5。

表5 不同海拔高度下的大气压力

2.2 容积流量与大气压的关系

空压机的公称容积流量，又称为排气量，是指在要求的排气压力下，空压机单位时间内排出的气体容积折算到进气状态的量，单位通常为m3/min。容积流量的值并非压力流量，而是与空压机I 级吸气接管处气体状态相对应的容积值。

当空压机在平原地区使用时，由于吸气压力与标准大气压基本相当，此时测得的空压机容积流量为标准大气压下的容积流量；当空压机在高海拔地区使用时，由于空气密度下降，大气压力降低，则根据理想气体状态方程及充罐法的测量原理，如式(2):

式中，M为气体质量；u为气体的摩尔质量；R为普适气体常数；Plow、Phigh分别为空压机在平原地区、高原地区的I 级吸气压力，即大气压力；Vlow、Vhigh分别为空压机在平原地区、高原地区打风时吸入的压力容积。

假定Tlow=Thigh，则据此可得式（3）

此式说明，在理想情况下，空压机在低海拔地区使用时，其容积流量Qlow与高海拔地区时的容积流量Qlow⋅Plow/Phigh相当。由此可见空压机的供风能力与海拔高度（大气压力）是密切相关的。

2.3 影响空压机性能参数的因素

对于容积式空压机，由于余隙容积、吸气与排气压力损失，气体与气缸壁之间的热量交换以及泄漏等因素的影响，其实际容积流量Qva总是小于它的理论容积流量Qvt，可用容积效率λ来表示，见式（4）

容积效率受到容积系数λv、压力系数λp、温度系数λt和泄漏系数λl的影响，可表述为其乘积形式。容积效率综合了影响压缩机实际排气量的各种因素，是评价压缩机性能的重要指标。

高海拔对空压机的容积效率同样会有影响:

（1）高原地区空气稀薄，海拔越高，当地的大气压力越低，使空压机的I 级吸气压力减小，而制动系统要求的总风压力不变，则空压机的压缩比越高。而压缩比增大会影响容压机的容积系数λv，同时会使空压机的功耗增加，影响空压机的容积流量。

（2）海拔越高，空气稀薄使空压机系统的散热效能变差，电机温升会变高，对空压机的性能也会有影响。

3 机车供风能力试验研究

3.1 空压机容积流量的测量

对空压机容积流量的测定均采用间接测量方法。按照TB/T 2711−2005《机车、动车用空气压缩机试验方法》，可用ASME 标准喷嘴容积流量测量方法对空压机的流量进行测定。该方法是采用专门制作的喷嘴测量装置，在系统状态稳定后，通过测量喷嘴前后的压力差，求得空气压缩机的容积流量（排气量）。

喷嘴测量方法是一种高精度测量方法，适用于在试验室内对容积流量的精确测量。机车、动车组的风源系统均安装在设备间（舱）内，对空压机的测试受到时间、空间等条件限制，无法安装喷嘴测量装置。因此通常采用GB/T 15487−2015《容积式压缩机流量测量方法》中的充罐法对空压机的容积流量进行测量。典型的机车总风系统管路如图1 所示。

图1 机车总风系统管路示意图

根据充罐法测量空压机的容积流量有下列式（5）:

式中，Q为空压机的容积流量，L/min；Vk为压力空气风缸容积，L；t为充风时间，min；P0为空压机 I 级吸气压力，为试验地点的大气压力，kPa；T0为空压机I 级吸气温度，K；Pk1、Pk2分别为充气前、后风缸容积内的气体压力，kPa；Tk1、Tk2分别为充气前、后风缸容积内的气体温度，K。根据相关资料[1]，如果忽略空压机打风过程中气体的温度变化，则有下列公式(6):

对于容积管路漏泄量ΔP/Δt，通常较小可忽略。因此从上述公式可以看出，同一台机车在不同海拔高度的试验点进行同样工况的打风试验时，空压机的名义容积流量不变，若大气压力越低，容积效率越低，则机车总风缸管路容积的打风时间越长。打风时间可综合反映容积效率与当地大气压力对空压机供风能力的影响。

3.2 高原机车供风能力试验

基于以上分析，针对目前青藏铁路在用的各型高原机车，分别在青藏铁路沿线车站进行机车供风能力试验，测试不同海拔高度和大气压下机车总风缸管路容积的打风时间。

3.2.1 试验方法及结果

（1） NJ2型机车试验

NJ2型机车的容积流量试验分别在青藏铁路的格尔木站、玉珠峰站和唐古拉站进行。试验时关闭除总风缸以外的空气管路，启动柴油机后，将柴油机转速提高到额定转速1 050 r/min，记录总风缸压力由100 kPa 升至900 kPa 的充风时间。格尔木试验时切断3#总风缸出口塞门，3 个总风缸及空压机至总风缸管路容积为1 343 dm3；玉珠峰及唐古拉试验中按总风系统管路容积1 581 dm3进行。NJ2机车的打风试验曲线见图2。

图2 NJ2型机车打风试验曲线

（2） HXN3高原型机车试验

HXN3型机车的容积流量试验分别在青藏铁路的格尔木站和不冻泉站进行。试验时将总风缸的压缩空气完全排空后，关闭总风缸出口塞门。机车的第1 风缸和第2 风缸容积均为600 dm3，第3 风缸容积为737 dm3，附属装置及管路容积计10 dm3，总风系统的总容积为1 947 dm3。通过空压机“强泵”开关强迫供风，记录2 台空气压缩机分别打风时，总风缸压力由0 升到900 kPa的时间。机车打风试验曲线见图3。

图3 HXN3高原型机车打风试验曲线

（3） HXD1C高原型机车试验

HXD1C型机车的容积流量试验分别在北京环行铁道试验基地和关角站进行。试验时将总风缸的压缩空气完全排空后，关闭总风缸出口塞门A24。机车总风缸容积为1 600 dm3，相关附属管路和风缸容积为40 dm3。通过空压机“强泵”开关强迫供风，记录两台空气压缩机分别打风时，总风缸压力由0 升到900 kPa 的时间。机车打风试验曲线见图4。

图4 HXD1C高原型机车打风试验曲线

3.2.2 试验方法及结果

为方便不同机型，不同海拔高度的试验结果分析比较，引入相对容积流量δQ=Q/Q0。综合上述试验数据，整理得到相对容积流量与大气压力的试验结果如图5 所示。

图5 不同大气压下的空压机相对容积流量

由试验结果可以看到，空压机相对容积流量与大气压力可近似采用线性关系表示。对离散的试验数据采用最小二乘法进行线性拟合，可得空压机相对容积流量δQ与大气压力P的关系如式7。

3.3 高原机车空压机容积流量标准

机车在配置风源系统时，空压机的容积流量均需根据列车的耗风量来进行计算校核，机车的风源系统需满足在一定技术作业时间内将制动系统管路及辅助设备风缸容积充满的要求，充风流量为压力流量。

按照我国铁路机车现行的技术标准，机车的运用环境一般不超过海拔2 500 m，空压机容积流量的规定为不小于2.4 m3/min，该指标应是指对应于标准大气压下的供风能力，亦即2.4 Nm3/min。根据这一规定，高原机车考虑适用范围为海拔2 500～5 000 m，取典型值4 000 m，则机车的空压机容积流量应不小于4.0 m3/min。

4 结 论

（1）机车的风源系统供风能力由主空压机的容积流量决定。空压机的容积流量是指空压机单位时间内排出的气体容积，折算到进气状态下的容积。因此对于名义容积流量相同的空压机，在低海拔地区使用时，其供风能力远大于在高海拔地区使用时的供风能力。

（2）采用充罐法可测量空压机的容积流量。机车在不同海拔高度的试验点进行同样工况的打风试验时，空压机的名义容积流量不变，若大气压力越低，容积效率越低，则机车总风缸管路容积的打风时间越长。打风时间可综合反映容积效率与当地大气压力对空压机供风能力的影响。

（3）青藏铁路现有主型机车有NJ2型、HXN3型内燃机车和HXD1C型、HXD1D型电力机车。不同机型之间的容积流量存在较大的差异，对高原机车的供风能力还缺乏统一的标准。考虑高原机车的适用范围为海拔2 500～5 000 m，取典型值4 000 m，机车的主空压机容积流量应不小于4.0 m3/min。