沙漠地区用铁路空调机组设计及砂尘试验方法分析

沙漠地区用铁路空调机组设计及砂尘试验方法分析

萧铭威

广州精益运输制冷设备有限公司 510880

摘要：铁路交通网络完善延伸使得铁路机车在炎热沙漠地区的运行频率逐渐增加，受特殊气候条件影响，沙漠地区用机车对空调系统的需求更高。为此本文分析沙漠地区用铁路空调机组的设计方案及砂尘试验方法，为该环境下专用空调系统的开发提供理论参考。

关键词：沙漠地区；铁路空调机组；砂尘试验

引言：沙漠地区常年处于高温、干旱的气候条件下，强沙尘天气时有发生，给经行沙漠地区铁路列车的空调系统性能、稳定性、耐久性提出更严格要求。为充分保证沙漠地区用铁路列车空调系统运行质量，需要对空调机组做差异化设计，重点处理砂尘对空调机组正常运行的影响。

1沙漠地区用铁路空调机组运行特点

沙漠地区用铁路空调机组的运行特点有四：

1. 强光及强紫外线照射导致空调设备部件加速老化。

2. 日间地表温度过高，恶化空调机组运行环境，而昼夜温差大会导致热膨胀系数不同的材料发生不同程度的变形，引发紧固件松动问题，进而带来机组故障风险。

3. 空调机组长期运行于砂尘环境中，其开放结构更容易积累砂尘杂质，引发设备受损问题。例如，空调机组冷凝单元，若防砂措施不到位，会导致单元内部积留大量砂粒，导致预留通道堵塞，部分细小砂粒还可能进入密封腔，随循环系统进入车厢内，影响车厢空气质量。

4. 强沙尘天气可能损害空调机组的薄弱构件，如翅片换热器。砂尘冲击还会导致机组构件外部镀层加速脱落，导致机组使用寿命缩短。

2沙漠地区用铁路空调机组设计方案

2.1系统设计

2.1.1压缩机选型

压缩机具体型号的确定需依照沙漠地区用铁路列车行驶工况特点、发动机转速等参数确定列车内部温湿度保持舒适程度时所需的空调制冷量，然后基于制冷量选择性能相对应的压缩机设备。

铁路列车空调机组冷凝器的热负荷计算公式为 ，其中，Q、Q_e、P、C分别表示冷凝器热负荷、空调机组制冷量、运行消耗功率及负荷系数，一般情况下，有C＞1.4。沙漠地区室外温度较正常区域更高，冷凝器进风的温度也更高，导致其换热效率下降，因此空调机组冷凝器换热量与机组制冷量间的比例要较常规地区运行的铁路列车有明显提升^[1]。另外考虑到沙漠特殊的运行环境，空调机组压缩机还需具备足够的抗振能力，以确保在高温状态下持续、稳定运行。

沙漠运行铁路列车空调机组因运行条件恶劣，其运行过程往往伴随较大的能量消耗，因此在满足以上条件的基础上，可优先选择变频式压缩机，有效降低机组运行能耗。以三相交流异步电动机变频压缩机为例，此类压缩机的控制原理为开环异步控制，相较于传统压缩机设备，其驱动仅需要VVVF电源，且控制方式更加简单，对电磁环境要求不高。同时选用热力膨胀阀作为节流装置，取代原本的毛细管，以对制冷剂流量做精确调整，确保压缩机运行可靠。如图1，为变频空调电气控制系统。

图
1 变频空调电气控制系统

2.1.2冷凝器布置

依照铁路列车空间结构特点，冷凝器可选择安装在车辆顶部或侧部，以在确保其换热效果的同时，减少空调机组对列车内部空间造成的压力。列车驾驶室内运行大量机械设备，设备运行产生大量热，影响冷凝器散热效果，因此将冷凝器设计为双电子扇结构，并将其安装在车架侧部。

2.1.3系统管路设计

空调系统管路设计的重点考察对象为振动对管路运行状态的影响，机组各核心设备出口位置管路可设计为U型，有效消除振动影响。压力引导毛细管可盘绕设置，采用焊接方式进行毛细管与压力控制器及传感设备的连接。长度较大的悬空管路均需使用支架固定。

2.2防砂措施

从前文对沙漠地区用铁路空调机组运行特点可以看出，砂尘主要通过机组开放式结构及薄弱部分影响空调制冷效果的发挥及设备使用寿命，因此防砂措施主要针对以上两个结构进行。

2.2.1开放式结构防砂

空调机组开放式结构防砂主要通过安装排砂模块实现。机组开放式腔体内部均应安装排砂模块，避免砂尘在机组腔体内长时间滞留而引发机组运行故障。为有效控制砂尘影响范围，开放式腔体与密封式腔体间的连接管路及缝隙必须可靠密封，防止砂粒进入密封腔内。为强化密封腔体的防砂效果，新风入口位置应安装防砂防水装置，确保选用过滤网的过滤等级，在机组日常维保过程中，定期清理滤网，提高车厢内空气质量。位于开放式腔体内的风机、控制器等设备均应具备足够的防砂防水性能，在关键结构表面涂刷防腐层，以有效削弱砂尘对机构的影响。另外，机组换热器翅片间距可适当提高，避免受砂粒等杂质堵塞而影响空调系统换热效果。

2.2.2薄弱部分防砂

沙漠地区用铁路列车空调机组的整体强度必须达到该环境下的特殊要求，因机组各构件的功能属性不同，整体强度设计无法确保每一结构的强指标均能满足沙漠地区空调机组稳定运行的要求，如换热器翅片。针对此类薄弱部分，在机组设计过程中需予以重点强化。例如，提高换热器翅片的抗风速冲击性能、提高空调机组与风道连接风管的抗狂风冲击性能。

3沙漠地区用铁路空调砂尘试验方法

3.1试验参数设计

依照国家或铁道部标准工况，测试铁路列车空调机组在沙漠中运行过程中的制冷情况及运行效果。以样本2倍截面划定试验场地，且要求空间容积不低于样本体积的3.3倍。送风装置及目标机组所在位置需确保砂粒能够有效覆盖样本各薄弱部分，具体参数设计为：吹砂风速为18～29m/s；空气内砂尘浓度控制在0.85～1.35g/m³；试验空间温度在60℃，相对湿度不超过30%；试验用砂粒为次菱角状石英砂，平均圆度因子为0.2，莫氏硬度为7^[2]。

3.2试验设备选择

引入现成的砂尘试验装置系统，系统结构如图2。试验过程中，由供砂装置提供砂粒，可对供砂流量做精确调整，当流量达标后，装置自动调整流量调节阀开闭程度，将流量调节阀开度调整至具体标识处，即可向系统提供试验用流量。

图
2 砂尘试验装置系统

3.3砂尘试验检查

基于以上试验方案，对样本连续进行吹砂试验1.5h，试验过程若需调节机组方向，应保证每一方向的试验持续时长均为1.5h。吹砂试验完成后，检查样本状态，分析机组各项性能是否能够满足沙漠中列车空调机组的运行要求。

具体检查项目包括：第一，开放腔体积砂程度，允许有少量砂粒，且不影响机组正常运行；第二，密闭腔体、送风通道等结构的清洁程度，以衡量机组过滤网性能是否达标；第三，薄弱部件，如冷凝器风机扇叶、换热器翅片等有无破损或变形，以判断机组强度是否达标；第四，通电运行部件，如风机、风量调节阀等构件运行状态；第五，直接受砂尘作用的构件，如扇叶、过滤器等，其表面是否出现破损。

结论：详细分析沙漠地区用铁路空调机组的运行特点，确定空调机组设计目标及需求，以强化机组各构件的防砂能力及自身强度，配合砂尘试验，分析机组设计方案可行性，以找出最佳的空调机组设计方案，提高沙漠运行列车空调机组运行稳定性，优化乘车体验。

参考文献：

[1]吕艳宗,王宏宇,韩冰,等.25型铁路客车变频空调设计研究[J].铁道车辆,2019,57(09):20-22+4.

[2]王晓红.高速列车空调系统设计及节能技术[J].内燃机与配件,2018(15):247-248.