第40卷第6期2020年12月
RAILWAY LOCOMOTIVE&CAR
Vol.40No.6
2020
Dec.
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）
摘要机车风源系统为列车空气制动系统和辅助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。针对我国既有高原铁路机车供风能力差异较大、空压机容积流量缺乏统一标准的现状，通过高原低气压环境对空压机供 风能力影响的理论分析和试验研究，提出了对高原铁路机车空压机容积流量的建议标准要求。 关键词机车；容积流量；空压机；高原铁路
中图分类号：U262.23+2文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2020.06.11
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3000m
以上，部分超过4000m。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1050r/min时的容积流量为9.2m3/min。机车设有3个总风缸，总容积为1200dm3，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。
（2）HXN3型内燃机车
波速测试仪
HXN3型（高原过渡方案）机车是在4474.27kW 6000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2.4m³/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≥1200dm3，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）HXD1C（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），担当货运牵表1NJ2型机车空压机主要技术参数
序号
1
2
3
4
5
6
7
项目
型号
结构形式
工作形式
额定转速/(r⋅min-1)
额定排气压力/kPa
排气量/(m3⋅min-1)
一级压缩空气的冷却方式
参数及说明
WLGC9B
往复式
6缸、二级、水冷
1050
1034
9.2（1050r/min）
3.8（440r/min）
水冷
文章编号：1008-7842（2020）06-0053-05
*中国铁路总公司科技研究开发计划项目（P2018G047）段明民（1979—）男，副研究员（收稿日期：2019-09-12）
铁道机车车辆第40卷
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2.4m3/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1000dm3，第2总风缸容积为600dm3。该型机车的空压机主要技术参数如表3。
（4）HXD1D（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7200kW，最高运营速度160km/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2.4m3/min。总风缸总容积为
1400dm3，在车内安装有2个200dm3的总风缸，车下安装有2个500dm3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1050r/min时，
容积流量高达9.2m3/min；当柴油机转速为怠速440r/min时，容积流量也达到3.8m3/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2.4m3/min。
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）：
p a=103.1×
é
ë
ê
ê
ê
ê1-0.0255×H
1000
æ
è
ç
ç
çç
ç
ç6357
6357+H1000
ö
ø
÷
÷
÷÷
÷
÷
ù
û
ú
ú
ú
ú
一升车5.256
（1）式中，p a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。
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)：
表3HXD1C型机车空压机主要技术参数
序号1 2 3 4 5 6
项目
型号及台数
结构形式
冷却方式
额定功率/kW
额定排气压力/kPa
排气量/(m3⋅min-1)
参数及说明
SL20-5-113/TSA-230ADVII
2台
螺杆式
风冷
21.5/24
1000
2.4
表4HXD1Ｄ型机车空压机主要技术参数
序号1 2 3 4 5 6
项目
型号及台数
结构形式
冷却方式
额定功率/kW
额定排气压力/kPa
产品附加值排气量/(m3⋅min-1)
参数及说明
TSA-230ADVII／BT-2.4-10AD1
2台
螺杆式
风冷
24/24
1000
2.4
表5不同海拔高度下的大气压力
海拔高度/m
2500
3000
3500
4000
4500末日的回响
5000
计算大气压力/kPa
72.9
67.9
63.1
58.6
54.4
50.4
表2HXN3型机车空压机主要技术参数
序号1 2 3 4 5 6 7
项目
型号及台数
结构形式
工作形式
额定转速/(r⋅min-1)
额定排气压力/kPa
排气量/(m3⋅min-1)
一级压缩空气的冷却方式
参数及说明
SL22-56，BT-2.4A/TSA-2.8A
2台
螺杆式
连续式
2650
900
2.4
风冷
54
第6期高海拔对机车供风能力的影响研究
ìíî
ïïïï
ï
ïïïM
u =P low V low RT low =P high V high RT high Q low =
V low t Q high =
V high t （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；P low 、P high 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；V low 、V high 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T low =T high ，则据此可得式（3）
Q high =Q low
P low P high
（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Q low 与高海拔地区时的容积流量Q low ⋅P
low
/P high 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Q va 总是小于它的理论容积流量Q vt ，可用容积效率λ来表示，见式（4）
λ=
Q va
Q vt
汽车板材
=λv λp λt λl
（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。
根据充罐法测量空压机的容积流量有下列式（5）：
Q =
V k ⋅T 0t ⋅P 0(P k2T k2-P k1
T k1
)
（5）
式中，Q 为空压机的容积流量，L/min ；V k 为压力空气风
缸容积，L ；t 为充风时间，min ；P 0为空压机I 级吸气压
力，为试验地点的大气压力，kPa ；T 0为空压机I 级吸气温度，K ；P k1、P k2分别为充气前、后风缸容积内的气体压力，kPa ；T k1、T k2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)：
t =
V k (P k2-P k1)Q ⋅λ⋅P 0-ΔP /Δt ⋅V k
(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）NJ 2型机车试验
NJ 2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
图1
机车总风系统管路示意图
55
铁道机车车辆第40卷
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1050r/min，记录总风缸压力由100kPa升至
900kPa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
1343dm3；玉珠峰及唐古拉试验中按总风系统管路容
积1581dm3进行。NJ2机车的打风试验曲线见图2。
（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600dm3，第3风缸容积为737dm3，附属装置及管路容积计10dm3，总风系统的总容积为1947dm3。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900kPa 的时间。机车打风试验曲线见图3。
（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1600dm3，相关附属管路和风缸容积为40dm3。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900kPa的时间。机车打风试验曲线见图4。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。
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。
δQ=Q Q
=0.0410+0.0093P(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2500m，空压机容积流量的规定
为不小于2.4m3/min，该指标应是指对应于标准大气压下的供风能力，亦即2.4Nm3/min。根据这一规定，高原机车考虑适用范围为海拔2500~5000m，取典型值4000m，则机车的空压机容积流量应不小于4.0m3/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
图2NJ2型机车打风试验曲线
图3HXN3高原型机车打风试验曲线
图4HXD1C高原型机车打风试验曲线
图5不同大气压下的空压机相对容积流量
56
第6期高海拔对机车供风能力的影响研究
化学通报
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2500~5000m，取典型值4000m，机车的主空压机容积流量应不小于4.0m3/min。
参考文献
[1]中国铁路总公司运输局机务部．铁路机车概要[M]．北
京：中国铁道出版社，2017．
[2]汤祥根，张开文.5000t级重载列车供风能力的研究[J]．
铁道学报，1994，16(S1)：119-124．
[3]申瑞源，段明民，杨欣．机车空压机容积流量的确定及
测量方法研究[J]．铁道机车车辆，2010，30(6)：11-13．[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标
准化管理委员会．GB/T3317-2006电力机车通用技术条
件[S]．北京：中国标准出版社，2007．
[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标
准化管理委员会．GB/T3314-2006内燃机车通用技术条
件[S]．北京：中国标准出版社，2006．
[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标
准化管理委员会．GB/T15487-2015容积式压缩机流量
测量方法[S]．北京：中国标准出版社，2016．
[7]中华人民共和国铁道部．TB/T2711-2005机车、动车用
空气压缩机试验方法[S]．北京：中国铁道出版社，2005．[8]铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站．NJ2型内
燃机车检验报告[R].北京：铁道科学研究院，2007．[9]刘豫湘，吴智，卢东涛，等．机车风源系统供风能力的研
究[J]．电力机车与城轨车辆，2003，26(5)：7-11．[10]谢长雄，邓小雷，王宇，等．容积式空气压缩
机ASME喷
嘴法流量测量与实验[J]．现代制造工程，2018(9)：116-120．
[11]胡跃文，彭海清，王伟波．地铁车辆直通电空制动装置风
源系统设计[J]．电力机车与城轨车辆，2008，31(1)：27-30．
Influence of High Altitude on Capacity of Locomotive Air Supply
DUAN Mingmin
（Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing100081,China）Abstract：Air supply system of locomotive provides compressed air for train air brake system and auxiliary equipment,which is an important guarantee for the safe operation of the train.The air supply systems of existing locomotives all use the volumetric air compressors,and their performance is affected by the high-altitude operating environment.Aiming at the fact that there is a large difference in the air supply capacity of the existing plateau locomotives in China and the lack of uniform standards for volumetric flow of the air compressors,through theoretical analysis and experimental research on the influence of the plateau low-pressure environ
ment on the air supply capacity of the air compressors, the recommended standard requirements for volumetric flow of the air compressors of the plateau locomotives are put forward.
Key words：locomotive；volumetric flow；air compressor；plateau railway
57
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