雙塔式空氣干燥裝置在城軌車(chē)輛上的應(yīng)用

王海峰

(大連公交客運(yùn)集團(tuán)有限公司 金馬快軌運(yùn)營(yíng)分公司車(chē)輛段，遼寧 大連 116000)*

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京、上海、廣州、南京、深圳等地鐵公司的城軌車(chē)輛都曾發(fā)生過(guò)由于空氣壓縮系統(tǒng)中的水汽過(guò)量導(dǎo)致的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備腐蝕以及過(guò)度磨損，沒(méi)有什么有效的預(yù)防措施.因此制動(dòng)系統(tǒng)管路中的水汽含量超標(biāo)已成為城軌車(chē)輛運(yùn)營(yíng)早期影響車(chē)輛正常運(yùn)營(yíng)的重要問(wèn)題［1］.對(duì)其進(jìn)行分析研究，探討解決方法，對(duì)保證城軌車(chē)輛的正常運(yùn)營(yíng)、降低維護(hù)成本非常重要.本文所描述的KNORR LTZ型雙塔式空氣干燥裝置目前應(yīng)用于大連快軌3號(hào)線(xiàn)及延伸線(xiàn)的所有城軌車(chē)輛上，其在正常的使用狀態(tài)中能夠?qū)⒅苿?dòng)系統(tǒng)管路中的壓縮空氣干燥至其殘余水分可以忽略不計(jì)的水平.但是不當(dāng)?shù)氖褂没蛉狈^好的維護(hù)，仍然會(huì)出現(xiàn)水汽超標(biāo)的現(xiàn)象.因此本文以大連快軌3號(hào)線(xiàn)多年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)此套干燥裝置的運(yùn)用進(jìn)行了評(píng)論，以及其日常的故障和維護(hù)進(jìn)行了分析.

1 水汽在制動(dòng)系統(tǒng)中的形成與危害

大氣中總是含有水蒸汽.只要水氣以水蒸汽的形式存在，它就肯定在空氣中.只有在超出飽和度極限 (=100%相對(duì)濕度)時(shí)，水氣會(huì)凝結(jié)為以水滴、霧或雪.

圖1顯示了飽和度如何隨溫度的變化而變化，空氣會(huì)隨著溫度的上升而吸收更多的水分.這說(shuō)明為什么在壓縮的過(guò)程中沒(méi)有水分凝結(jié)，因?yàn)榭諌簷C(jī)中的空氣溫度高于某一水平.只有當(dāng)空壓機(jī)中出來(lái)空氣再次在中冷器中冷卻下來(lái)后凝結(jié)才會(huì)發(fā)生.

圖1 飽和度與溫度的關(guān)系

如圖1，對(duì)空氣壓縮機(jī)吸入的空氣進(jìn)行一下分析.當(dāng)環(huán)境溫度為+30℃、相對(duì)濕度為80%時(shí)，吸入1 m3的空氣中便會(huì)含有一定量以水蒸汽形式存在的水.然而當(dāng)吸入的空氣被壓縮至壓力為105Pa時(shí)，1 m3的空氣中的含水量便會(huì)增加10倍.空氣溫度隨著壓力的增高而升高.當(dāng)空氣溫度再冷卻至50℃時(shí)，處于飽和狀態(tài)的空氣中的水蒸汽含量便會(huì)降低至圖1中的標(biāo)準(zhǔn)，這就是說(shuō)有近大半的的水分被冷凝出來(lái).但據(jù)圖1所示，仍然會(huì)有少半的水以水蒸氣的形式存在于壓縮空氣當(dāng)中.

上述闡述可以很清楚的表明壓縮空氣系統(tǒng)中的空氣在冷卻后總是飽和的.因此，因自然冷卻而使溫度再度下降會(huì)使水分冷凝出來(lái).然而即使空氣在空壓機(jī)中得到很好的冷卻，并且除去了產(chǎn)生的冷凝水，在壓縮空氣系統(tǒng)中仍有相當(dāng)一部分水以水蒸汽的形式繼續(xù)存在，相應(yīng)地就會(huì)出現(xiàn)設(shè)備發(fā)生腐蝕和凍結(jié)等相關(guān)的問(wèn)題.

2 雙塔式空氣干燥裝置的應(yīng)用

通過(guò)國(guó)外軌道交通部門(mén)長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，如果將系統(tǒng)中的空氣干燥到相對(duì)濕度低于35%的范圍內(nèi)，制動(dòng)系統(tǒng)中的壓縮空氣便可以有效而可靠地工作.低于這個(gè)“臨界濕度”水平以下，即使空氣中含有少量的腐蝕刺激性物質(zhì)——如酸，也不太可能會(huì)發(fā)生設(shè)備的腐蝕.

KNORR雙塔式空氣干燥裝置采用無(wú)熱再生式吸附原理，可以將空氣干燥到相對(duì)濕度低于35%的范圍內(nèi)，并且通過(guò)國(guó)內(nèi)多家軌道公司的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，該干燥裝置在軌道車(chē)輛上尤為可靠，同時(shí)也是最經(jīng)濟(jì)的.

其工作原理主要以一系列物理過(guò)程為基礎(chǔ):潮濕的壓縮空氣流經(jīng)晶體金屬鋁硅酸鹽干燥劑，這些干燥劑憑借其超大而特殊的內(nèi)表面的分子結(jié)構(gòu)，從經(jīng)過(guò)的空氣中抽取水分.然而它只允許吸附水分子，而較大的油分子不能一并吸附.所以需要在空氣系統(tǒng)中另行采用濾油器.

3 KNORR雙塔式空氣干燥裝置

LTZ型雙塔式空氣干燥裝置有兩種型式，一種是 LTZOl5..型，不帶加熱器;另一種是 LTZOl5..H型，帶加熱器.這兩種型式的干燥裝置在干燥塔的尺寸和再生縮口的直徑上有所區(qū)別，因此它們可以更廣泛地與各種可能的工作工況相匹配.

3.1 簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)介紹

LTZ型雙塔式空氣干燥裝置的主要部件有:

兩個(gè)干燥塔，每個(gè)上面都裝有油水分離器;支架;排污用消音器的雙鞲鞴閥;電磁閥和一塊用于周期定時(shí)的電子板.

每個(gè)干燥塔有一個(gè)壓力指示器顯示其工作狀態(tài).例如，當(dāng)左塔有壓力時(shí)(即在其干燥階段)，一個(gè)紅色的指針在左壓力指示器上顯示.當(dāng)壓力卸載后(即當(dāng)干燥塔處于其再生階段)，指針自動(dòng)復(fù)位.

3.2 工作原理及周期定時(shí)

(1)工作原理

雙塔式無(wú)熱再生吸附裝置同時(shí)在兩個(gè)階段工作，即干燥和再生同時(shí)進(jìn)行.在一個(gè)塔內(nèi)干燥主氣流的同時(shí)另一個(gè)塔內(nèi)的干燥劑進(jìn)行再生.

來(lái)自空壓機(jī)的潮濕壓縮空氣進(jìn)入干燥器，在那里首先將冷凝的水和油送給油水分離器.隨后通過(guò)含有吸附式干燥劑的塔，很多水分被吸走，在空氣干燥器的出口主氣流的相對(duì)濕度≤35%.干燥過(guò)的一部分空氣從主氣流中分流出來(lái)，經(jīng)過(guò)再生縮口膨脹然后經(jīng)過(guò)第二個(gè)塔中的飽和干燥劑排至大氣.經(jīng)膨脹而徹底被干燥的空氣從第二個(gè)塔中需要再生的干燥劑中吸走上一干燥階段吸附的水氣.在這種情況下，主氣流在塔內(nèi)干燥，干燥劑在塔內(nèi)再生.

(2)周期定時(shí)

雙塔式干燥裝置有自己固定的控制裝置，控制裝置中有一塊用于記錄兩個(gè)干燥塔工作周期轉(zhuǎn)換的電子板，電子板主要由周期定時(shí)器構(gòu)成.圖2顯示了周期定時(shí)和不同的工作階段.周期定時(shí)器通過(guò)車(chē)輛硬線(xiàn)與空壓機(jī)在同一時(shí)間接通110VDC控制電源.此時(shí)電子板內(nèi)部根據(jù)固定的程序控制電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，進(jìn)而控制兩個(gè)干燥塔工作周期的轉(zhuǎn)換.圖4中的T=4 min，因此每隔2 min應(yīng)能聽(tīng)到電磁閥的交替動(dòng)作聲.每到第二次轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)有一股短促的氣流從排氣口排出，帶出鞲鞴閥內(nèi)存積的水分.

圖2 一個(gè)工作周期圖

當(dāng)空壓機(jī)關(guān)閉或空轉(zhuǎn)時(shí)，周期定時(shí)器會(huì)自己判斷記錄空壓機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，并在空壓機(jī)再一次接通時(shí)繼續(xù)計(jì)時(shí).這樣，干燥裝置可以保證無(wú)論上一階段空壓機(jī)工作終止于何階段，在下一階段將要再生的干燥劑可以完全被干燥，并且干燥劑重新位于任何工作周期都不會(huì)過(guò)飽和.空氣干燥裝置是這樣控制的，如果轉(zhuǎn)換裝置發(fā)生故障，仍可以通過(guò)其中的一個(gè)干燥塔提供壓縮空氣.但此狀態(tài)如果長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，一直工作的干燥塔內(nèi)的干燥劑將過(guò)飽和并且失效.干燥裝置將不再能保證系統(tǒng)內(nèi)得到標(biāo)準(zhǔn)的干燥壓縮空氣.

4 干燥器常見(jiàn)故障分析

4.1 排污口大量排氣

KNORR LTZ型雙塔式空氣干燥裝置主要機(jī)械部分由2個(gè)空氣干燥塔及一個(gè)用于執(zhí)行雙塔工作周期轉(zhuǎn)換功能的鞲鞴閥，該裝置本身機(jī)械結(jié)構(gòu)整體可靠.但當(dāng)鞲鞴閥內(nèi)用于執(zhí)行周期轉(zhuǎn)換的雙鞲鞴閥的閥座臟污或損壞，或閥座的橡膠密封圈破損時(shí)，鞲鞴閥下面的排污排氣口將出現(xiàn)大量排氣且不止的情況.初期故障時(shí)，檢修人員對(duì)出現(xiàn)此故障的鞲鞴閥進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)，均為鞲鞴閥閥座橡膠老化破損造成漏氣.如圖3(a)顯示為正常閥座，圖3(b)為閥座橡膠破損后的閥座.

圖3 閥座示意圖

經(jīng)過(guò)大連快軌3號(hào)線(xiàn)及其續(xù)建線(xiàn)經(jīng)過(guò)近10年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，共計(jì)更換過(guò)幾十個(gè)鞲鞴閥閥座，經(jīng)過(guò)分析主要與該閥座頻繁轉(zhuǎn)換動(dòng)作造成，生產(chǎn)商KNORR公司也對(duì)此故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并準(zhǔn)備研發(fā)更適合此閥座的閥頭橡膠進(jìn)行替換.

4.2 雙塔工作周期自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能故障

以下情況可能會(huì)導(dǎo)致雙塔工作周期自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能故障:①干燥塔裝置中用于周期定時(shí)的電子板故障;②電磁閥故障;③與周期定時(shí)器相連的控制電路硬線(xiàn)故障;④用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換的雙鞲鞴閥內(nèi)部機(jī)械故障.

干燥塔自動(dòng)周期轉(zhuǎn)換功能故障后，將只有一個(gè)干燥塔處于工作周期內(nèi)，干燥劑將不再進(jìn)入再生周期，長(zhǎng)期持續(xù)后，干燥劑將失效，進(jìn)而導(dǎo)致干燥裝置無(wú)法有效控制系統(tǒng)內(nèi)壓縮空氣中的含水量.經(jīng)過(guò)檢查會(huì)發(fā)現(xiàn)有大量的水積存在總風(fēng)缸內(nèi)，此時(shí)必須徹底排空總風(fēng)缸里的水，水中夾雜著已經(jīng)失效的干燥劑.如下圖.打開(kāi)總風(fēng)缸后部的濾油器會(huì)發(fā)現(xiàn)，紅色的海綿體濾芯已完全被水浸泡，并已失去濾油功能.

當(dāng)雙塔式干燥裝置出現(xiàn)上述故障后，整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)水蒸氣的含量便會(huì)嚴(yán)重超標(biāo)，隨之帶來(lái)的就是各種設(shè)備提前腐蝕的惡劣后果.圖4為基礎(chǔ)制動(dòng)裝置(單元制動(dòng)機(jī))內(nèi)部部件的水腐蝕情況，嚴(yán)重影響了制動(dòng)系統(tǒng)的正常使用性能.

圖4 制動(dòng)裝置內(nèi)部部件水腐蝕圖

4.3 有關(guān)干燥劑常態(tài)的問(wèn)題

在干燥裝置出現(xiàn)上述故障后，隨之可能伴隨的就是干燥劑失效的問(wèn)題，在通常良好的狀態(tài)下，干燥劑的壽命實(shí)際上是比較長(zhǎng)的.一般在車(chē)輛進(jìn)行100萬(wàn)km大修時(shí)更換干燥劑便已能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求.但是，下列情況會(huì)導(dǎo)致干燥劑常態(tài)失效，需要進(jìn)行處置.

(1)如果因空氣干燥裝置故障，如周期定時(shí)短時(shí)間故障而使干燥劑過(guò)飽和，那么無(wú)需更換干燥劑.只要裝置再一次開(kāi)始正常工作，干燥劑便會(huì)自動(dòng)再生.根據(jù)過(guò)飽和的程度，裝置會(huì)耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)，由空壓機(jī)傳送空氣，進(jìn)行反復(fù)再生，直到它完全恢復(fù)為止;

(2)如果干燥劑已過(guò)飽和，干燥裝置再一次正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)消音器的排水口有白色沉淀存在，那么必須更換干燥劑;

(3)因臟污或機(jī)油導(dǎo)致干燥劑被嚴(yán)重污染，那么需要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)干燥壓縮空氣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷，即比預(yù)定的時(shí)間早一些更換干燥劑.

以上所有項(xiàng)目的干燥劑更換后，空氣干燥器再次運(yùn)行前，總風(fēng)缸必須排盡水分并干燥.

4.4 干燥裝置的日常維護(hù)

經(jīng)過(guò)上述分析，可以清楚的看到水汽在制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的成因以及無(wú)法除去帶來(lái)的惡劣后果，因此為了確保系統(tǒng)能得到標(biāo)準(zhǔn)的干燥壓縮空氣，我們必須加強(qiáng)對(duì)干燥裝置的維護(hù).

說(shuō)起對(duì)空氣干燥裝置的維護(hù)，應(yīng)當(dāng)從制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)水蒸汽含量的監(jiān)測(cè)做起，正所謂防患于未然［2-3］.目前行業(yè)內(nèi)部比較主流的監(jiān)測(cè)手段為檢查系統(tǒng)內(nèi)的氣壓露點(diǎn).通過(guò)氣壓露點(diǎn)值來(lái)判斷系統(tǒng)內(nèi)的壓縮空氣干燥程度是否符合標(biāo)準(zhǔn).進(jìn)而可以判斷空氣干燥裝置是否處于正常的工作狀態(tài).

檢查氣壓露點(diǎn)我們通常使用特定的測(cè)量工具氣壓露點(diǎn)計(jì)，用一個(gè)氣壓露點(diǎn)計(jì)可以精確監(jiān)控空氣干燥裝置使其正確運(yùn)轉(zhuǎn).在正常外界溫度下，露點(diǎn)讀數(shù)必須低于35%相對(duì)濕度的極限值(見(jiàn)圖5).

圖5 氣壓露點(diǎn)、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度之間的關(guān)系

大連快軌車(chē)輛段在每年冬季來(lái)臨之前，都會(huì)使用氣壓露點(diǎn)計(jì)測(cè)量氣壓露點(diǎn)，進(jìn)而測(cè)試空氣干燥裝置，車(chē)輛段目前采用的測(cè)量方法如圖6.

圖6 測(cè)量氣壓露點(diǎn)

我們會(huì)不定期對(duì)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓露點(diǎn)值進(jìn)行抽查，看是否處于標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi).另外定期檢查干燥器工作是否正常(須檢查周期定時(shí)器、檢查總風(fēng)缸里是否有水、檢查消音器上的排污口有無(wú)堵塞及漏氣.在每次霜凍天氣來(lái)臨之前，也必須檢查空氣干燥裝置的雙鞲鞴閥轉(zhuǎn)換工作是否正常.

5 結(jié)論

制動(dòng)系統(tǒng)管路中的水蒸氣含量超標(biāo)已成為影響城軌車(chē)輛正常運(yùn)用的重要問(wèn)題.大連作為一座沿海城市，空氣濕度較內(nèi)地其他城市要大，因此開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，提高空氣干燥裝置性能，對(duì)降低壓縮空氣中水含量、改善車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)、降低使用維護(hù)費(fèi)用等具有更為重要及深遠(yuǎn)的意義.

［1］樊貴新，曹忠林，李學(xué)峰.城軌車(chē)輛國(guó)產(chǎn)制動(dòng)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2007(6):34-39.

［2］張桂華，舒同泰.貨車(chē)車(chē)輪踏面擦傷問(wèn)題的分析［J］.鐵道車(chē)輛，2010(5):32-34.

［3］王曉東.廣州地鐵4號(hào)線(xiàn)地鐵車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)［J］.鐵道車(chē)輛，2010(11):18-22.