HXD2B 型電力機(jī)車(chē)升弓管路凍結(jié)原因分析及防治措施

王海元 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京東機(jī)務(wù)段

1 前言

南京東機(jī)務(wù)段共配屬HXD2B 型機(jī)車(chē)124 臺(tái)，主要擔(dān)當(dāng)京滬線貨運(yùn)運(yùn)輸任務(wù)，且與濟(jì)南西機(jī)務(wù)段實(shí)行長(zhǎng)交路跨局輪乘。由于該型機(jī)車(chē)輪乘的部分區(qū)段處于北方寒冷地段，冬季氣溫較低，尤其冰凍雨雪等惡劣天氣下極限氣溫可以達(dá)到零下150C 以下，給HXD2B 型機(jī)車(chē)防寒工作帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。近兩年，北方出現(xiàn)極端惡劣天氣，由于我段前期防寒工作預(yù)想不充分，導(dǎo)致在蚌埠折返點(diǎn)、徐州北庫(kù)內(nèi)停留的部分HXD2B 機(jī)車(chē)出現(xiàn)升弓風(fēng)路逆止閥凍結(jié)，受電弓無(wú)法升起的故障，造成機(jī)車(chē)短期內(nèi)供應(yīng)不足，嚴(yán)重干擾了運(yùn)輸秩序。

2 升弓空氣管路閥件凍結(jié)原因分析

受電弓氣路系統(tǒng)由升弓電磁閥、空氣過(guò)濾器、單向節(jié)流閥、精密調(diào)壓閥、壓力表、安全閥、車(chē)內(nèi)空氣連接管、氣囊、快速排氣閥、ADD 關(guān)閉閥、ADD 試驗(yàn)閥等部件組成，如圖1 所示。受電弓升弓時(shí)，電磁閥得電，氣路打開(kāi)，壓縮空氣通過(guò)電控閥,經(jīng)過(guò)濾器、單向節(jié)流閥、精密調(diào)壓閥、反向安裝的單向節(jié)流閥、安全閥、通過(guò)管路到達(dá)車(chē)頂、白色絕緣管、進(jìn)入受電弓升弓裝置。一路向氣囊沖氣，同時(shí)另一路向受電弓碳滑板器氣腔充風(fēng)，當(dāng)氣囊內(nèi)氣壓達(dá)到一定壓力時(shí)，氣囊膨脹變形帶動(dòng)鋼絲繩，鋼絲繩再帶動(dòng)下臂桿運(yùn)動(dòng)，下臂桿在拉桿的協(xié)助下托起上臂桿及弓頭，弓頭在平衡桿的作用下，在工作高度范圍內(nèi)始終保持水平狀態(tài)，整個(gè)升弓過(guò)程在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。具體升弓氣路原理見(jiàn)圖1。

圖1 受電弓氣路原理圖

其中精密調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)受電弓接觸壓力，輸出壓力恒定的壓縮空氣，其精度偏差為±0.002 MPa。單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)升弓時(shí)間，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)扭，向上轉(zhuǎn)動(dòng)，過(guò)風(fēng)量減小則受電弓運(yùn)動(dòng)減慢，反之加快。反向安裝的單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)降弓時(shí)間。如果精密調(diào)壓閥出現(xiàn)故障，安全閥會(huì)起到保護(hù)氣路的作用。上述閥件是升弓氣路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能好壞直接決定能否正常升弓。

眾所周知，升弓氣路閥件凍結(jié)需要具備兩個(gè)必要條件：一是環(huán)境溫度必須持續(xù)零度以下。二是升弓氣路中含有水分，且水分含量達(dá)到某一臨界值。由于外部環(huán)境溫度屬于自然現(xiàn)象，無(wú)法干預(yù)。因此升弓氣路中為何會(huì)出現(xiàn)水分以及如何消除或者減少水分，才是我們需要研究的課題。

2.1 升弓管路系統(tǒng)沒(méi)有采用防寒措施

目前我段HXD2B 型電力機(jī)車(chē)空氣管路系統(tǒng)防寒措施主要還是參照內(nèi)燃機(jī)車(chē)冬季防寒包扎要求，對(duì)機(jī)車(chē)外部空氣管路及各主要閥件用防寒保溫材料進(jìn)行包扎，但對(duì)機(jī)車(chē)升弓空氣管路系統(tǒng)未采取任何防寒措施。主要原因是考慮到HXD2B 型電力機(jī)車(chē)升弓氣路大部分集中在機(jī)械間內(nèi)，機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)由于大多數(shù)電器元件發(fā)熱，通過(guò)利用冬夏季可調(diào)節(jié)的通風(fēng)系統(tǒng)將發(fā)熱部件產(chǎn)生的熱量保留在機(jī)械間內(nèi)，所以機(jī)械間內(nèi)部溫度是普遍高于車(chē)體外部的，并且機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)由主壓縮機(jī)供風(fēng)，風(fēng)源經(jīng)過(guò)干燥處理，含水分相對(duì)較少，所以一般情況下（非極寒天氣），機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)是不會(huì)發(fā)生升弓氣路閥件凍結(jié)問(wèn)題。

2.2 螺桿式空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)性能問(wèn)題

自然界中的空氣中通常含有水蒸氣，空氣與水蒸氣的混合物稱(chēng)為濕空氣。濕空氣在一定壓力下有其露點(diǎn)溫度，所謂露點(diǎn)溫度就是該空氣在壓力不變情況下被冷卻，濕空氣中水蒸氣以小水珠形式析出時(shí)的溫度。不同的壓力下，濕空氣的露點(diǎn)溫度是不同的，比如在一個(gè)大氣壓，濕空氣的露點(diǎn)可以查“濕空氣焓濕圖”得到，而壓縮后空氣其露點(diǎn)是提高的。比如濕空氣在大氣壓下的露點(diǎn)為10℃，那么被壓縮后其露點(diǎn)溫度是隨壓力上升而上升的，有可能達(dá)到40℃-50℃。

由于HXD2B 型電力機(jī)車(chē)采用螺桿式壓縮機(jī)供風(fēng)，出口溫度設(shè)計(jì)為僅高于環(huán)境溫度10-15℃，均小于不同環(huán)境溫度下的壓力露點(diǎn)及壓力露點(diǎn)與環(huán)境溫度差，冷卻管內(nèi)一定會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水；再加上冷卻管對(duì)壓縮空氣的降溫作用，冷卻管中的凝結(jié)水會(huì)隨著壓縮空氣的流動(dòng)而增加。一般情況下，凝結(jié)水會(huì)隨著壓縮空氣進(jìn)入干燥器處理掉，但是由于干燥器指標(biāo)的選擇及干燥器本身質(zhì)量問(wèn)題，凝結(jié)水不容易全部處理干凈，殘留的凝結(jié)水會(huì)隨風(fēng)管路流通。一旦發(fā)生極寒天氣，壓縮空氣與管路溫度長(zhǎng)期處于0℃以下，那么殘留的凝結(jié)水就會(huì)結(jié)冰，久而久之，冰塊越來(lái)越大，最終將升弓風(fēng)管路及相關(guān)閥件凍結(jié)。

2.3 輔助供風(fēng)管路設(shè)計(jì)問(wèn)題

HXD2B 型電力機(jī)車(chē)除了主壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣外，還有一個(gè)專(zhuān)供升弓與合閘使用的輔助壓縮機(jī)組。一般情況下，輔助壓縮機(jī)工作頻次較低，僅在少數(shù)升弓合閘時(shí)使用，其產(chǎn)生的壓縮空氣未經(jīng)過(guò)干燥凈化處理，直接進(jìn)入升弓管路。隨著溫度降低，壓縮空氣中會(huì)有凝結(jié)水析出，并容易集結(jié)在升弓管路中的逆止閥、調(diào)壓閥等處。同時(shí)由于升弓管路逆止閥在干燥器前端，干燥器排水的同時(shí)也會(huì)有部分水汽逆流到逆止閥，進(jìn)而造成逆止閥周?chē)吭龆?，在低溫環(huán)境下極易引發(fā)逆止閥、調(diào)壓閥凍結(jié)，無(wú)法正常升弓。

3 升弓管路凍結(jié)防治措施

綜合上述HXD2B 型機(jī)車(chē)空氣壓縮機(jī)工作原理、干燥器指標(biāo)選擇以及冷凝水形成條件等因素，受電弓供風(fēng)管路中易出現(xiàn)冷凝水是不可避免的。因此在實(shí)際應(yīng)用中，為防止受電弓供風(fēng)管路凍結(jié)，一方面可以考慮盡量減少壓縮空氣中冷凝水的殘留；另一方面可以通過(guò)采取加裝電熱帶形式，提升管路溫度達(dá)到0℃以上，并持續(xù)處于保溫狀態(tài)。

3.1 干燥器干燥指標(biāo)的選擇

前面介紹了濕空氣基本概念及壓縮空氣中凝結(jié)水的產(chǎn)生原因。這些凝結(jié)水一般隨著壓縮空氣進(jìn)入干燥器進(jìn)行干燥凈化處理，一旦干燥器干燥效果不理想，那么相對(duì)空氣濕度及溫度較高的壓縮空氣將直接進(jìn)入升弓管路中，隨著溫度降低，冷凝水析出，從而引發(fā)管路凍結(jié)情況發(fā)生。因此首先要確定合理方案提高干燥器干燥能力。根據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，只要壓縮空氣的相對(duì)濕度（壓力狀態(tài)下）全部控制到低于35%，使用壓縮空氣系統(tǒng)（含設(shè)備與管路）將不會(huì)出現(xiàn)銹蝕與腐蝕，更不會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)水結(jié)冰的現(xiàn)象，基本能滿(mǎn)足壓縮空氣系統(tǒng)高效可靠的運(yùn)行。所以壓縮空氣的相對(duì)濕度控制在35%以下，就是我們機(jī)車(chē)空氣管路系統(tǒng)對(duì)壓縮空氣干燥質(zhì)量的基本要求。

目前，HXD2B 型車(chē)采用雙塔型的再生式空氣干燥器（北京賽德JKG2 型雙塔空氣干燥器），其吸附劑（干燥劑）通常使用粒狀或者球狀的硅膠、活性氧化鋁（Al2O3），由吸附劑（干燥劑）吸附壓縮空氣中的水分，又在循環(huán)的基礎(chǔ)上不斷的把水分從吸附劑（干燥劑）中去除。

干燥筒內(nèi)的吸附劑（干燥劑）因受吸附能力及裝填容積的影響，輸出的經(jīng)干燥處理后的壓縮空氣的相對(duì)濕度從低于1%開(kāi)始，隨吸附時(shí)間增加，其相對(duì)濕度會(huì)逐漸提高。控制干燥筒的吸附時(shí)間，就可以控制其輸出壓縮空氣的相對(duì)濕度。但空氣干燥器處理后輸出的壓縮空氣的相對(duì)濕度取值多少為好，不能簡(jiǎn)單定為不大于35%。因?yàn)榧僭O(shè)輸出的壓縮空氣相對(duì)濕度不大于35%，但其溫度高于環(huán)境溫度，壓縮空氣會(huì)由于自然冷卻而降溫，其最終相對(duì)濕度肯定大于35%。所以空氣干燥器輸出的壓縮空氣的相對(duì)濕度（控制指標(biāo)）或者干燥筒的吸附時(shí)間，一定要考慮干燥器輸出壓縮空氣溫度與環(huán)境溫度的溫差；當(dāng)然還要考慮處理壓縮空氣的壓力與流量計(jì)吸附劑（干燥劑）的吸附能力（包括溫度對(duì)其的影響）等。

空氣干燥器采用的吸附劑（干燥劑）的吸附能力與溫度的關(guān)系，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，隨著壓縮空氣溫度的上升，吸附劑（干燥劑）的吸附能力逐漸下降。這就是機(jī)車(chē)空氣干燥器在夏季普遍出現(xiàn)干燥效果下降的根本原因。由于壓縮空氣溫度越高，壓縮空氣中吸附的水分就越多，而吸附劑（干燥劑）的吸水量與其表面積有關(guān)，基本上不隨溫度而變化，因而在高溫情況下，其吸附能力將下降。

圖2 吸附劑（干燥劑）的吸附能力與溫度的關(guān)系

表1 為JKG2 型雙塔空氣干燥器（硅膠直徑為5 mm-8 mm）常溫到高溫下的干燥效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中，空氣干燥器的轉(zhuǎn)換周期等參數(shù)保持不變。試驗(yàn)表明溫度上升，空氣干燥器干燥效果下降。

表1 JKG2 型空氣干燥器不同溫度干燥效果

由壓縮機(jī)輸送到空氣干燥器處理的壓縮空氣應(yīng)盡可能接近環(huán)境溫度，從而使盡可能多的水分在壓縮空氣進(jìn)入空氣干燥器前冷卻析出，減少吸附劑（干燥劑）的工作負(fù)擔(dān)。但實(shí)際上為防止冬季冷卻管內(nèi)結(jié)冰，不可能將進(jìn)入干燥器的壓縮空氣冷卻到與環(huán)境溫度相同，這就使經(jīng)空氣干燥器處理后的壓縮空氣與環(huán)境溫度存在一個(gè)溫差。所以空氣干燥器輸出的壓縮空氣相對(duì)濕度的控制指標(biāo)一定要考慮這一溫差。圖3 為壓縮空氣不同溫度下的壓力露點(diǎn)與相對(duì)濕度的關(guān)系圖，圖中相對(duì)濕度為35%的曲線是對(duì)壓縮空氣的最終控制目標(biāo)。如果將上述溫差（螺桿式空壓機(jī)一般為15℃）考慮進(jìn)去，并保證不同環(huán)境溫度下的壓縮空氣干燥效果，則空氣干燥器的干燥控制指標(biāo)應(yīng)確定為相對(duì)濕度5%-8%。當(dāng)然5%-8%應(yīng)是壓力為900 kPa，溫度高于環(huán)境溫度15℃左右，流量為空氣干燥器額定處理量下測(cè)得的干燥器出風(fēng)口處的壓縮空氣相對(duì)濕度值。

圖3 壓力露點(diǎn)與相對(duì)濕度的關(guān)系圖

3.2 受電弓供風(fēng)管路加裝電熱套

根據(jù)凝結(jié)水易集結(jié)在管路彎道、各類(lèi)閥類(lèi)部件等處的特點(diǎn)，可以考慮在這些關(guān)鍵部位加裝電熱套進(jìn)行加熱，使其溫度升至冰點(diǎn)以上并保溫。加熱裝置電源采用低壓直流電，優(yōu)先選用蓄電池電源，為防止蓄電池虧電，可以在保證溫升效果的前提下，盡可能采用功率較小的加熱裝置。為防止產(chǎn)生火災(zāi)隱患，要求加熱裝置材料、接線選用阻燃材料，功率不宜過(guò)大、溫度不宜過(guò)高。功率可以設(shè)計(jì)在不超過(guò)30 W，工作電流不到0.3 A，保證加熱10 min 能使輔助風(fēng)路逆止閥溫升達(dá)到15℃左右，就能快速解決內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)問(wèn)題。

為保證加熱裝置的正常使用，防止蓄電池發(fā)生虧電問(wèn)題，可以采用電源控制自動(dòng)保護(hù)開(kāi)關(guān)（正負(fù)端均能斷開(kāi)隔離），供電延時(shí)開(kāi)關(guān)，同時(shí)為保證加熱裝置溫度不宜過(guò)高，加裝溫度控制保護(hù)開(kāi)關(guān)。在機(jī)車(chē)防寒期外，只需將加熱裝置的插頭拔下，就能完全拆除，恢復(fù)也相當(dāng)方便。

3.3 受電弓輔助供風(fēng)通路改進(jìn)

前面已經(jīng)講明HXD2B 型電力機(jī)車(chē)輔助壓縮機(jī)組產(chǎn)生的壓縮空氣未經(jīng)過(guò)干燥凈化處理直接進(jìn)入升弓管路，冬季溫度較低時(shí)，冷凝水極易結(jié)冰進(jìn)而堵塞升弓合閘管路，影響機(jī)車(chē)使用。最好能在輔助壓縮機(jī)后設(shè)置一臺(tái)小型空氣干燥器，但從目前國(guó)內(nèi)外電力機(jī)車(chē)來(lái)看，均未采用這一方案。據(jù)此，實(shí)際運(yùn)用中可以采取以下措施：

（1）冬季要盡量減少輔助空壓機(jī)工作時(shí)間，以免工作時(shí)間超長(zhǎng)后壓縮空氣溫度高，凝結(jié)水隨壓縮空氣流動(dòng)降溫而出現(xiàn)在升弓通路各閥件處。最好是在輔助風(fēng)缸內(nèi)將冷凝水析出，而輔助風(fēng)缸應(yīng)串在輔助壓縮機(jī)輸出管路上。

（2）冰凍雨雪惡劣天氣下，減少使用輔助壓縮機(jī)頻次，以避免產(chǎn)生水汽而影響后續(xù)管路系統(tǒng)。庫(kù)內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)機(jī)車(chē)要及時(shí)升弓打溫，保證總風(fēng)風(fēng)壓充足。

（3）減少升弓合閘通路上不必要和重復(fù)設(shè)置的閥類(lèi)部件，如受電弓自帶有調(diào)壓閥，升弓管路上沒(méi)必要再設(shè)置。

4 結(jié)束語(yǔ)

HXD2B 型電力機(jī)車(chē)防寒工作經(jīng)過(guò)幾年的摸索，目前已經(jīng)積累一定的經(jīng)驗(yàn)，為確保機(jī)車(chē)能在極寒地區(qū)更好的運(yùn)用，減少責(zé)任設(shè)備故障，建議從優(yōu)化機(jī)車(chē)整體布置，提高干燥器冷卻效果與可靠性，增加升弓管路除水措施以及加裝加熱裝置等方面考慮機(jī)車(chē)防寒，并通過(guò)進(jìn)行相關(guān)低溫試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步提高空氣管路系統(tǒng)在低溫下工作可靠性。