高速動(dòng)車組供風(fēng)單元干燥器車載故障診斷方案

辛志強(qiáng),許文瑤,喬 峰

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部,吉林 長(zhǎng)春 130000)

我國動(dòng)車組自2007年投入運(yùn)用至今,已成為國民出行的主要交通選擇,為了滿足日益增長(zhǎng)的客流需求,新的動(dòng)車組線路紛紛開行,動(dòng)車組的足跡也踏向了我國北部高寒地區(qū)。

動(dòng)車組空氣系統(tǒng)主要包括空氣制動(dòng)系統(tǒng)、空氣懸掛系統(tǒng)、氣動(dòng)塞拉門、空調(diào)新風(fēng)機(jī)構(gòu)等各種用風(fēng)系統(tǒng),供風(fēng)單元的主要功能是為空氣系統(tǒng)提供充足、干燥、清潔的壓縮空氣。干燥的壓縮空氣對(duì)于空氣系統(tǒng)來說尤為重要,因?yàn)槌睗竦膲嚎s空氣極有可能在空氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生冷凝水,這些冷凝水將會(huì)對(duì)空氣系統(tǒng)部件造成極大的影響。

壓縮空氣的干燥程度通常通過露點(diǎn)溫度來衡量,我國常見的動(dòng)車組對(duì)于供風(fēng)單元輸出壓縮空氣的露點(diǎn)要求為ISO 8573:1:2010《壓縮空氣 第1部分:雜質(zhì)和質(zhì)量等級(jí)》中的2級(jí)露點(diǎn),即-40 ℃。

高寒地區(qū)因其冬季氣溫低,動(dòng)車庫內(nèi)外溫差大且南北向長(zhǎng)大交路運(yùn)營途經(jīng)多個(gè)溫度帶,導(dǎo)致了途經(jīng)、運(yùn)行于高寒地區(qū)的動(dòng)車組空氣系統(tǒng)較其他動(dòng)車組更易產(chǎn)生冷凝水。因此作為空氣系統(tǒng)風(fēng)源的供風(fēng)單元,其干燥器功能正常與否、如有異常是否能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理至關(guān)重要。

1 干燥器的工作原理

1.1 冷凝水的來源

空氣中始終溶解有一定量的水分,水分的多少以含水量體現(xiàn)(如20 g/m3)。然而空氣中的含水量存在上限,超過上限的水分將以液態(tài)或蒸汽形式從大氣中析出,含水量達(dá)到上限時(shí)空氣即為飽和狀態(tài)。

不同溫度條件下空氣飽和狀態(tài)的含水量是不同的,如圖1所示。隨著空氣溫度的上升,空氣飽和狀態(tài)的含水量也隨之升高,反之則下降。當(dāng)前空氣的含水量與同等壓力和溫度條件下空氣飽和狀態(tài)含水量的比值即為當(dāng)前空氣的相對(duì)濕度。

圖1 含水量、相對(duì)濕度與溫度的關(guān)系

從圖1可知,當(dāng)溫度下降時(shí),空氣的相對(duì)濕度將上升,當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí),空氣達(dá)到飽和,多余的水分將以冷凝水的形式出現(xiàn)。

空氣壓力也會(huì)對(duì)相對(duì)濕度產(chǎn)生影響,氣壓升高將使得單位容積的空氣含水量增加,使相對(duì)濕度升高。

供風(fēng)單元吸入外界空氣后將對(duì)空氣進(jìn)行壓縮,壓縮后的空氣壓力上升,含水量也將上升,但壓縮過程中的空氣溫升也使得壓縮空氣暫時(shí)不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。然而隨著壓縮空氣通過供風(fēng)單元進(jìn)入空氣系統(tǒng)后的自然冷卻,冷凝水也將會(huì)在系統(tǒng)中析出,因此供風(fēng)單元必須配備干燥設(shè)備。

1.2 干燥器原理

目前國內(nèi)常見動(dòng)車組的干燥器均采用雙室型無熱再生吸附干燥器,其特點(diǎn)是2個(gè)裝有干燥劑的干燥室分別以干燥和再生兩種狀態(tài)工作,兩種狀態(tài)可依靠電磁閥的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)相互切換,因此該干燥器能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)使用。

處于干燥狀態(tài)的干燥室對(duì)空氣壓縮機(jī)組產(chǎn)生的壓縮空氣進(jìn)行干燥,通過干燥劑吸附空氣中的水分,降低空氣的相對(duì)濕度;處于再生狀態(tài)的干燥室利用部分干燥后的空氣使干燥劑再生。如圖2所示,壓縮機(jī)組輸出的壓縮空氣由A1口進(jìn)入干燥器,此時(shí)閥口V5、V8在彈簧的作用下處于打開狀態(tài),V6、V7關(guān)閉,空氣經(jīng)閥口V5進(jìn)入干燥室a,經(jīng)過干燥劑的吸濕處理后,再由干燥室中間的通路到達(dá)溢流閥24a,打開其閥口V1,然后到達(dá)溢流閥71,最終由A2口輸出至空氣系統(tǒng)中。少量經(jīng)過干燥室a干燥的空氣在溢流閥24a處經(jīng)由節(jié)流閥50到達(dá)了干燥室b,這些空氣由中間通路從干燥室b中的干燥劑中流過,帶走了干燥劑中的水分,實(shí)現(xiàn)干燥劑的再生,最終這些空氣經(jīng)由閥口V8從K3口排出至大氣。因此上述過程中,干燥室a處于干燥狀態(tài),干燥室b處于再生狀態(tài)。

圖2 干燥器原理

然而隨著時(shí)間繼續(xù),干燥室a中的干燥劑逐漸達(dá)到飽和,干燥效果開始下降,干燥室b中的干燥劑逐漸再生完成,這時(shí)干燥器附帶的電控裝置將激活電磁閥43動(dòng)作,打開閥口V2,使壓縮空氣能夠作用于雙活塞閥34,使閥口V6、V7打開,V5、V8關(guān)閉,這時(shí)A1口的空氣經(jīng)閥口V7進(jìn)入干燥室b,干燥室b處于干燥狀態(tài),經(jīng)干燥室b干燥后的空氣沿相似通路通過A2口輸出至空氣系統(tǒng)中,少量空氣經(jīng)節(jié)流閥50到達(dá)干燥室a,使干燥室a處于再生狀態(tài),干燥室的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了切換。因此通過定時(shí)激活和取消激活電磁閥43可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)干燥室狀態(tài)的循環(huán)切換。

綜上可知,干燥室中的干燥劑并不能長(zhǎng)時(shí)間使用,干燥劑飽和后干燥能力將喪失。為了實(shí)現(xiàn)干燥器長(zhǎng)時(shí)間可靠工作,干燥室必須按設(shè)計(jì)要求定時(shí)切換。

1.3 現(xiàn)狀

目前,我國多數(shù)動(dòng)車組的干燥器僅設(shè)置了干燥室工作狀態(tài)指示器,通過視覺信號(hào)提示每個(gè)干燥室的工作狀態(tài)。運(yùn)維人員需要目視檢查指示器的切換狀態(tài)或通過聽覺確認(rèn)干燥器切換時(shí)的短時(shí)排風(fēng)聲音。這些檢查方法不僅工作量大、容易造成錯(cuò)檢或漏檢,且無法做到對(duì)干燥器故障的實(shí)時(shí)掌控和及時(shí)處理。

以下列舉了一些運(yùn)用過程中發(fā)現(xiàn)的干燥器失效未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致的空氣系統(tǒng)進(jìn)水甚至凍結(jié)故障:

(1) 冬季空氣彈簧供風(fēng)電磁閥進(jìn)水凍結(jié)導(dǎo)致空簧無法充風(fēng)(圖3);

圖3 電磁閥進(jìn)水凍結(jié)

(2) 總風(fēng)壓力傳感器進(jìn)水導(dǎo)致傳感器誤報(bào)總風(fēng)壓力高,使供風(fēng)單元無法工作。

2 干燥器診斷方案

干燥器的2個(gè)干燥室中處于干燥狀態(tài)的干燥室中存在空氣壓力,而處于再生狀態(tài)的干燥室壓力很小。根據(jù)此特點(diǎn)可以分別在2個(gè)干燥室設(shè)置壓力開關(guān),利用壓力開關(guān)的反饋信號(hào)監(jiān)控干燥器的切換狀態(tài)。干燥器診斷方案見圖4。

圖4 干燥器診斷方案

車載監(jiān)控裝置與干燥器及空壓機(jī)同時(shí)供電,車載監(jiān)控裝置供電后將進(jìn)行約5 s的自檢,自檢過程中故障診斷持續(xù)輸出故障信號(hào),如圖5所示。自檢完成后如果系統(tǒng)無任何故障則將干燥器故障信號(hào)復(fù)位,否則將持續(xù)輸出故障信號(hào)。列控系統(tǒng)在空壓機(jī)啟動(dòng)后可適當(dāng)設(shè)置延時(shí),避免誤報(bào)干燥器故障。

圖5 監(jiān)控裝置信號(hào)

車載監(jiān)控裝置根據(jù)2個(gè)壓力開關(guān)的反饋信號(hào)判斷干燥器工作狀態(tài),判斷干燥器故障的置位條件為:

(1) 兩壓力開關(guān)信號(hào)同時(shí)存在;

(2) 兩壓力開關(guān)信號(hào)同時(shí)不存在的時(shí)間超過要求(具體車型可具體確定);

(3) 相鄰兩次切換的時(shí)間間隔超出切換時(shí)間范圍。

干燥器故障的復(fù)位條件為:相鄰兩次切換的時(shí)間間隔在切換時(shí)間范圍內(nèi)。

為確保干燥劑不會(huì)由于隨機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間導(dǎo)致運(yùn)用時(shí)間變長(zhǎng)出現(xiàn)過飽和的情況,干燥器內(nèi)部計(jì)時(shí)器將自動(dòng)記錄上次停機(jī)時(shí)干燥室的中斷時(shí)間,以便在下一次啟動(dòng)時(shí),從中斷時(shí)間開始繼續(xù)工作。此外,空壓機(jī)初送電至達(dá)到工作狀態(tài)和干燥器內(nèi)部壓力達(dá)到要求等過程均需要時(shí)間,因此車載監(jiān)控裝置在自檢成功后的前2個(gè)切換周期內(nèi)將自動(dòng)屏蔽干燥器故障,防止誤報(bào)。

干燥器的切換狀態(tài)也存在偶發(fā)的切換失敗(如壓力開關(guān)反饋故障等),而偶發(fā)的切換失敗并不會(huì)立即造成空氣系統(tǒng)產(chǎn)生冷凝水的后果,因此列控系統(tǒng)可在接收到干燥器故障時(shí)設(shè)置適當(dāng)?shù)难訒r(shí),屏蔽偶發(fā)故障。

3 總結(jié)

(1) 為保證空氣系統(tǒng)用風(fēng)的安全性,供風(fēng)單元必須配置干燥器來保證壓縮空氣的干燥。干燥器持續(xù)可靠工作的前提為干燥器能夠正常切換2個(gè)干燥室的工作狀態(tài)。

(2) 目前干燥器狀態(tài)檢查主要依托人工檢查,通過肉眼觀察切換指示器或聽覺確認(rèn)切換排風(fēng)聲進(jìn)行,工作量大,容易出現(xiàn)錯(cuò)漏。

(3) 通過在2個(gè)干燥室設(shè)置壓力開關(guān),可利用其反饋信號(hào)監(jiān)控干燥器工作狀態(tài);通過制定合理的參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)干燥器的在線診斷,通過列控系統(tǒng)故障代碼提示運(yùn)維人員,減少了運(yùn)維成本,在國內(nèi)一些動(dòng)車組上應(yīng)用,效果良好。