关键词：动车组;PI调节器;温度控制算法;能量调节
引言
近年来，中国高速铁路客车的迅猛发展令世界瞩目。CRH系列高速动车组已经在华夏大地上开辟了南北贯通的一条干线，北起哈尔滨，南至广州，我们都能看到白色的和谐号动车组驶过。动车组的开通为人们的出行提供了更加快捷和便利的条件。人们在惊叹“和谐号”动车组速度之快的同时，也对舒适度有了更高的需求。随着生活水平的提高，人们对舒适性的要求越来越高了。对于列车而言，舒适性指标包括多个方面，例如动力学舒适性，即平稳性；设备舒适性，例如座椅的舒适度；还有空调舒适性等。在这里，重点谈一下空调舒适性。
1空调系统制冷基本原理介绍
动车组空调系统的工作原理是当制冷剂蒸发时会从周围的空气中吸收热量从而达到了使空气制冷的效果动车组空调系统工作时其制冷剂的循环和热量转移的基本原理如图1所示其中压缩机可以将从蒸发器流入的低温、低压的制冷剂气体压缩成高温、高压的制冷剂气体从压缩机出来的高温、高压的制冷剂气体进入冷凝器此时制冷剂温度比环境温度高很多通过冷凝器的翅片进行降温这时制冷剂气体在冷凝器内部得到冷凝通过膨胀阀来控制进入蒸发器的制冷剂的流量然后通过蒸发器盘管分配器分配制冷剂从而使制冷剂的压力和温度降低同时伴随制冷剂的蒸发从而达到冷却蒸发器铜管和铝片并通过它们冷却其周围的空气然后被冷却后的空气由蒸发风机吹入动车组车厢内从而达到了乘客车厢制冷的效果。
2高速动车组客室空调温度控制研究
2.1空调温度控制算法
基本型PI调节器虽然能够获得无静差的温度控制结果，但温度控制系统的动态品质较差。要获得精确、快速、稳定的系统要求，通常采用复合式PI温度控制算法。式中:Tsp为目标温度(旅客区温度的额定值Tsp)，℃;Tra为回风温度(旅客区温度的平均值Tim)，℃;Tfa为新风温度(外部气温的平均值Tem)，℃;Tsa为送风温度，℃;Ki为积分系数(回风调节器积分增益);K1为新风温度系数(新风调节器比例增益);K2为回风温度系数(回风调节器比例增益);K3为制冷/制暖系数(送风调节器比例增益);Y为空调控制指数。计算机内部运用的是经过数字化或离散化的调节器算法，其计算公式为:式中:Ts为采样周期，s;n为采样序号;Ｒi(n－1)为第n－1次采样时的回风调节器积分输出值;Y(n)为第n次采样时的调节器输出值。从式中可以看出Y(温度调节器的输出值)代表着空调能量指数，取值范围为－100～+100。含义如下。(1)Y的符号表示空调运行状态:当Y为正值时，空调制热;当Y为负值时，空调制冷。(2)Y的数值表示空调制热量或制冷量的大小，绝对值越大，表示制热量或制冷量越大。不同的车型由于内部空间和布局都有差异，所以比例系数和积分系数都有所不同，可以根据实际的车厢进行参数的整定以得到稳定准确的数值。
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2.2压力波动控制验证
当列车速度大于160km/h时，列车与空气的相互作用变得突出，特别是当2列车以160km/h的速度在隧道内相会时，由于隧道内的空气流动受隧道壁的限制，产生相当大的压力波，这种压力波会使列车上的司机、乘客感到很不舒适。为了检验车内压力波动控制效果，200km/h的CRH6A型城际动车组在成达线运用考核期间进行了压力波动试验。当车辆以200km/h速度通过隧道，对比压力保护装置工作与不工作时车内压力波动，结果见图9。结果表明通过隧道时车内压力波动满足要求，压力保护装置对抑制车内压力波动有明显作用。
2.3加热管故障
空调机组加热管故障主要表现为加热管根部接线柱熔断。由于动车组冬季采暖用的电加热器主要集中在空调机组中，加热管的总功率太大，加热腔的温度过高，接线柱处于高温环境下，造成电线软化，长时间后容易产生熔断。为了解决这一问题，将旧加热管更换为改进的加热管，同时接线端改成螺栓连接，加热管故障率明显降低。另外，空调机组内部电加热器功率太大，造成电加热器表面及加热腔的温度偏高，也存在很大的安全隐患。空调机组内部的电加热器一般由２～３组独立的加热管组成，根据采暖负荷大小和车内空气温度决定启停加热管的数量，在启停加热管的同时进行不同加热管间工作切换，以保证每根加热管的总工作时间相当。在采暖负荷不大时，虽然采用不同加热管间相互切换的模式，但加热管连续通电的时间一般都在５ｍｉｎ以上，加热管表面温度基本都达到最高值。为了解决这一问题，通过加大加热管切换频率，降低加热管连续通电时间，达到了降低加热管表面温度的效果，同时电加热器工作功率低于总功率的７０％，减小了安全隐患。
2.4空调能量调节
客室温度的控制最终要通过空调机组的能量调节得以实现。因各车型的空调机组采用的技术不同，能量调节的方法也有所不同，例如变频空调和定频空调的能量调节方法和手段有很大不同。要结合具体空调产品考虑实施方案。这里以带旁通阀的双制冷循环定频系统为例，说明空调能量调节的实现。整个空调机组包含2套独立的制冷循环系统、2台压缩机、2个旁通阀和2组电加热器，如果车厢内还有其他的空调附属设备也要考虑在内，如车厢加热器等。
2.5空调系统
高速动车组空调系统一般由客室空调机组、空调控制器、连接风道、废排单元、混合箱及压力波组件等组成。在每节车厢压力波组件的外格栅上布置新风的温度传感器用于采集客室外的环境温度值;在车厢内部对角线侧墙上布置两个温度传感器用于采集客室内的环境温度值;在送风的风道内布置一个温度传感器用于采集送风温度值。根据各个传感器采集的温度值，通过控制器合理的温度控制算法使空调工作在全暖、半暖、通风、自动、关、半冷、全冷等模式下，为旅客提供舒适的车内环境。
结语
综述所述，动车组空调系统故障的主要原因可以归结为以下几个方面：（１）动车组主要在武广高速铁路上运营，武广高速铁路是一条多隧道高铁线路，动车组采用被动式压力波保护系统，动作频繁，容易造成压力波保护系统、废排风机、送风机等故障。（２）动车组空调机组沿用欧洲可拆卸维护理念，易损坏制冷元件采用螺纹连接，而不是采用我国铁道车辆空调制冷系统通用的焊接连接方式，而且我国动车组的使用频次远高于欧洲，维护保养时间远低于欧洲，造成制冷剂泄漏率偏高。（３）动车组空调系统是国内第１代高速铁路车辆用空调系统，处于探索阶段，结构和工艺设计尚有不完善之处，导致故障率偏高。
参考文献
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［2］余强，杨雪东，沈寅昶．轨道车辆空调系统出风温度控制的探讨［J］．城市建设理论研究:电子版，2012，(12)．
［3］白东燕，马玮．浅谈轨道车辆空调控制方式［J］．市场与技术，2018，(2):75—76．
论文作者:胡墨臣,李桂琴,李冰,王茂润, 张瑞
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第5期
论文发表时间:2020/4/30
标签：车组论文; 空调论文; 制冷剂论文; 温度论文; 调节器论文; 压力论文; 加热管论文; 《工程管理前沿》2020年第5期论文;