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    科學技術論文

    高速動車組客室空調溫度控制研究

    時間:2020年05月22日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:在我國進入21世紀以來,我國的經濟在快速的發展,社會在不斷的進步,人們對于出行中舒適度的需求在不斷的提高,高速動車組為了能給旅客提供舒適的乘車環境,車廂需要密閉性好,動車組客室空調系統的主要作用就是在任何氣候環境和正常行駛條件下,通過

      摘要:在我國進入21世紀以來,我國的經濟在快速的發展,社會在不斷的進步,人們對于出行中舒適度的需求在不斷的提高,高速動車組為了能給旅客提供舒適的乘車環境,車廂需要密閉性好,動車組客室空調系統的主要作用就是在任何氣候環境和正常行駛條件下,通過通風、制冷、采暖等方法調節車內的溫度、新風量、車內壓力等參數指標?褪业臏囟日{節是決定車內舒適性的重要因素,使用合理的溫度控制算法才能使溫度控制在人體舒適的范圍內。本文通過對現有某型動車組空調系統組成和結構進行闡述,為了提高溫度控制的合理性和精確性,對空調的溫度控制算法進行研究。

      關鍵詞:動車組;PI調節器;溫度控制算法;能量調節

    鐵道機車與動車

      引言

      近年來,中國高速鐵路客車的迅猛發展令世界矚目。CRH系列高速動車組已經在華夏大地上開辟了南北貫通的一條干線,北起哈爾濱,南至廣州,我們都能看到白色的和諧號動車組駛過。動車組的開通為人們的出行提供了更加快捷和便利的條件。人們在驚嘆“和諧號”動車組速度之快的同時,也對舒適度有了更高的需求。隨著生活水平的提高,人們對舒適性的要求越來越高了。對于列車而言,舒適性指標包括多個方面,例如動力學舒適性,即平穩性;設備舒適性,例如座椅的舒適度;還有空調舒適性等。在這里,重點談一下空調舒適性。

      1空調系統制冷基本原理介紹

      動車組空調系統的工作原理是當制冷劑蒸發時會從周圍的空氣中吸收熱量從而達到了使空氣制冷的效果動車組空調系統工作時其制冷劑的循環和熱量轉移的基本原理如圖1所示其中壓縮機可以將從蒸發器流入的低溫、低壓的制冷劑氣體壓縮成高溫、高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來的高溫、高壓的制冷劑氣體進入冷凝器此時制冷劑溫度比環境溫度高很多通過冷凝器的翅片進行降溫這時制冷劑氣體在冷凝器內部得到冷凝通過膨脹閥來控制進入蒸發器的制冷劑的流量然后通過蒸發器盤管分配器分配制冷劑從而使制冷劑的壓力和溫度降低同時伴隨制冷劑的蒸發從而達到冷卻蒸發器銅管和鋁片并通過它們冷卻其周圍的空氣然后被冷卻后的空氣由蒸發風機吹入動車組車廂內從而達到了乘客車廂制冷的效果。

      2高速動車組客室空調溫度控制研究

      2.1空調溫度控制算法

      基本型PI調節器雖然能夠獲得無靜差的溫度控制結果,但溫度控制系統的動態品質較差。要獲得精確、快速、穩定的系統要求,通常采用復合式PI溫度控制算法。5ea8f3e41cacc_html_51f0d31cc92c4a27.png式中:Tsp為目標溫度(旅客區溫度的額定值Tsp),℃;Tra為回風溫度(旅客區溫度的平均值Tim),℃;Tfa為新風溫度(外部氣溫的平均值Tem),℃;Tsa為送風溫度,℃;Ki為積分系數(回風調節器積分增益);K1為新風溫度系數(新風調節器比例增益);K2為回風溫度系數(回風調節器比例增益);K3為制冷/制暖系數(送風調節器比例增益);Y為空調控制指數。計算機內部運用的是經過數字化或離散化的調節器算法,其計算公式為:5ea8f3e41cacc_html_36e4640f227180e0.png式中:Ts為采樣周期,s;n為采樣序號;Ri(n-1)為第n-1次采樣時的回風調節器積分輸出值;Y(n)為第n次采樣時的調節器輸出值。從式中可以看出Y(溫度調節器的輸出值)代表著空調能量指數,取值范圍為-100~+100。含義如下。(1)Y的符號表示空調運行狀態:當Y為正值時,空調制熱;當Y為負值時,空調制冷。(2)Y的數值表示空調制熱量或制冷量的大小,絕對值越大,表示制熱量或制冷量越大。不同的車型由于內部空間和布局都有差異,所以比例系數和積分系數都有所不同,可以根據實際的車廂進行參數的整定以得到穩定準確的數值。

      2.2壓力波動控制驗證

      當列車速度大于160km/h時,列車與空氣的相互作用變得突出,特別是當2列車以160km/h的速度在隧道內相會時,由于隧道內的空氣流動受隧道壁的限制,產生相當大的壓力波,這種壓力波會使列車上的司機、乘客感到很不舒適。為了檢驗車內壓力波動控制效果,200km/h的CRH6A型城際動車組在成達線運用考核期間進行了壓力波動試驗。當車輛以200km/h速度通過隧道,對比壓力保護裝置工作與不工作時車內壓力波動。結果表明通過隧道時車內壓力波動滿足要求,壓力保護裝置對抑制車內壓力波動有明顯作用。

      2.3加熱管故障

      空調機組加熱管故障主要表現為加熱管根部接線柱熔斷。由于動車組冬季采暖用的電加熱器主要集中在空調機組中,加熱管的總功率太大,加熱腔的溫度過高,接線柱處于高溫環境下,造成電線軟化,長時間后容易產生熔斷。為了解決這一問題,將舊加熱管更換為改進的加熱管,同時接線端改成螺栓連接,加熱管故障率明顯降低。另外,空調機組內部電加熱器功率太大,造成電加熱器表面及加熱腔的溫度偏高,也存在很大的安全隱患。

      空調機組內部的電加熱器一般由2~3組獨立的加熱管組成,根據采暖負荷大小和車內空氣溫度決定啟停加熱管的數量,在啟停加熱管的同時進行不同加熱管間工作切換,以保證每根加熱管的總工作時間相當。在采暖負荷不大時,雖然采用不同加熱管間相互切換的模式,但加熱管連續通電的時間一般都在5min以上,加熱管表面溫度基本都達到最高值。為了解決這一問題,通過加大加熱管切換頻率,降低加熱管連續通電時間,達到了降低加熱管表面溫度的效果,同時電加熱器工作功率低于總功率的70%,減小了安全隱患。

      2.4空調能量調節

      客室溫度的控制最終要通過空調機組的能量調節得以實現。因各車型的空調機組采用的技術不同,能量調節的方法也有所不同,例如變頻空調和定頻空調的能量調節方法和手段有很大不同。要結合具體空調產品考慮實施方案。這里以帶旁通閥的雙制冷循環定頻系統為例,說明空調能量調節的實現。整個空調機組包含2套獨立的制冷循環系統、2臺壓縮機、2個旁通閥和2組電加熱器,如果車廂內還有其他的空調附屬設備也要考慮在內,如車廂加熱器等。

      2.5空調系統

      高速動車組空調系統一般由客室空調機組、空調控制器、連接風道、廢排單元、混合箱及壓力波組件等組成。在每節車廂壓力波組件的外格柵上布置新風的溫度傳感器用于采集客室外的環境溫度值;在車廂內部對角線側墻上布置兩個溫度傳感器用于采集客室內的環境溫度值;在送風的風道內布置一個溫度傳感器用于采集送風溫度值。根據各個傳感器采集的溫度值,通過控制器合理的溫度控制算法使空調工作在全暖、半暖、通風、自動、關、半冷、全冷等模式下,為旅客提供舒適的車內環境。

      結語

      綜述所述,動車組空調系統故障的主要原因可以歸結為以下幾個方面:(1)動車組主要在武廣高速鐵路上運營,武廣高速鐵路是一條多隧道高鐵線路,動車組采用被動式壓力波保護系統,動作頻繁,容易造成壓力波保護系統、廢排風機、送風機等故障。(2)動車組空調機組沿用歐洲可拆卸維護理念,易損壞制冷元件采用螺紋連接,而不是采用我國鐵道車輛空調制冷系統通用的焊接連接方式,而且我國動車組的使用頻次遠高于歐洲,維護保養時間遠低于歐洲,造成制冷劑泄漏率偏高。(3)動車組空調系統是國內第1代高速鐵路車輛用空調系統,處于探索階段,結構和工藝設計尚有不完善之處,導致故障率偏高。

      車輛交通論文投稿刊物:鐵道機車與動車宣傳和貫徹國家關于內燃牽引方面的技術方針政策,實現理論與實踐、普及與提高相結合的原則,交流和推廣內燃機車及相關專業方面的試驗、研究、運用、檢修、教學等方面的經驗和成果,推動內燃牽引專業的發展。

      參考文獻

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