HXD1機車風源系統自動除水除油裝置的研究

曹記勝，冀 彬，王俊勇

（1 太原鐵路局 機務處，山西太原030013；2 西南交通大學 機械工程學院，四川成都610031）

機車風源系統是機車空氣管路與制動系統的基礎，它為機車車輛制動系統及全列車氣動輔助裝置提供連續的、穩定的、潔凈的壓縮空氣。HXD1型大功率交流傳動電力機車是鐵道部為大秦鐵路重載運煤專線技術引進的8軸重聯機車，經過長時間的運用和檢修，發現HXD1型電力機車風源及凈化裝置的除水除油效果不太理想，曾多次造成機車制動系統電子電氣部件故障和TCU模塊故障，嚴重影響HXD1型機車運行安全。同時，由于司機乘務員采用手動方式排油，從而導致機械間內的環境衛生較差。因此，研制開發用于HXD1型電力機車風源及凈化裝置的自動除水除油裝置，對確保大秦線2萬t重載組合列車運輸安全具有重要意義。

1 機車風源系統自動除水除油裝置的研制前提

制動系統是大秦線2萬t重載組合列車的核心關鍵部件，壓縮空氣的質量直接影響機車制動系統的作用可靠性，并進而影響大秦線運輸安全，根據ISO 8573-1標準，壓縮空氣質量等級標準如下所述：

（1）固體顆粒2級：含塵≤1μm；固體顆粒3級：含塵≤5μm；

（2）水1級即壓力露點：-70℃；水2級即壓力露點：-40℃；水3級即壓力露點：-20℃；水4級即壓力露點：+3℃；

（3）油2級：含油≤0.1mg／m3；油3級：含油≤1 mg／m3；油4級：含油≤6mg／m3，即含油≤5ppm（1 ppm約等于1.2mg／m3）。

而高速動車組和鐵路機車對于風源空氣質量的要求分別是2-2-2級和2-2-3級。對于HXD1型電力機車風源的空氣質量，目前只能達到3-4-4級。即壓縮空氣中含水含油比例較高，因此帶來了如下嚴重問題：

①TCU模塊故障較多；

②機車制動系統的制動緩解電磁閥、總風遮斷電磁閥、緊急電磁閥、隔離電磁閥、壓力開關、EBV自動制動閥等電氣部件故障較多。

如圖1所示制動系統內部的主要部件拆解后發現有積水現象，自2008年HXD1型電力機車在大秦線批量上線運用以來，到2009年上半年，因壓縮空氣含油、水汽較高，造成了許多起安全運用事故，主要集中在TCU模塊和制動系統電氣部件故障方面，這就給大秦線2萬t重載組合列車運輸安全帶來嚴重不利影響。

圖1 HXD1制動模塊故障后的拆解圖

2 設計目標與原則

2.1 設計原則

一般條件下，機車風源及凈化裝置由螺桿式空氣壓縮機和雙塔式空氣干燥器組成，沒有安裝自動除水除油裝置。HXD1型電力機車壓縮空氣質量，經壓縮機出口后可達到ISO 8573-1標準的3-4-4級；經干燥器出口后可達到3-3-4級。

機車空氣干燥器的吸附劑一般只能凈化水蒸氣和少部分的水滴，不可能凈化壓縮空氣中油、水。因此，機車運用時間如果超過1年，機車空氣干燥器的吸附劑容易被壓縮機產出的油污染，從而導致吸附劑失效。所以需要在干燥器之前壓縮機出口之后增加一個有效降低壓縮空氣水、油含量的設備以提高干燥劑使用壽命，并保證干燥器出口的空氣質量。

2.2 系統目標功能要求及描述

針對前面所述的該特殊工況設計，該自動除水除油裝置主要包含水過濾器WSDR25和除油過濾裝置PDR60組成，完成主要的除水除油功能，同時由DC 110V12W電磁閥完成過濾器的周期排空，其排空周期與干燥器的雙塔切換周期一致，其中 WSDR25過濾器的基本參數如下：

另外考慮到低溫運行環境，增加AC 220V30W PTC板式加熱電阻片用于電磁閥的加熱，整個系統的工作循環及控制方式統一由裝置的控制器控制。所以整個除水除油裝置的控制與空氣干燥器相配合，按一定的時序順序工作。當環境溫度下降到接近冰點時，控制器會自動向除水除油裝置上的PTC板式加熱板供電進行加熱，從而防止設備結冰。原理圖如圖2所示。

圖2 自動除水除油裝置原理圖

根據設計要求，除水除油裝置作為壓縮機組、空氣干燥器的配套系統，它要按一定的時序要求配合空氣干燥器進行工作，其時序要求如圖3所示。因此除水除油裝置上電磁閥的工作應接受空氣干燥器的A、B塔電空閥的控制。

圖3 自動除水除油裝置工作時序圖（橫軸為時間s）

該系統使用CYS-B型自動除水除油裝置控制器控制，與空氣干燥器相配合，利用干燥器兩塔之間電磁閥切換得失電作為觸發信號，控制器內部則根據此控制信號激活排水排油電磁閥得電排空；其工作循環過程為：當干燥器A塔吸附工作時，塔內壓力保持在750～950 kPa，此時B塔再生脫附（排大氣），B塔內壓力排空至0 kPa，時間為70s；然后干燥器進入保壓階段，在這段時間內A塔和B塔需10s時間來建立壓力平衡，進行柔性轉換；在此10s的間隙，自動除水除油裝置的啟動2s激活電磁閥自動排出螺桿壓縮機出口壓縮空氣中的油和水。繼而在轉換至干燥器B塔吸附工作時，A塔再生脫附（排大氣），同樣的工作循環，并且在其循環周期內自動除水除油裝置同樣開啟電磁閥2s時間，自動排出螺桿壓縮機出口壓縮空氣中的油和水。周而往復，循環工作。

當打開控制器的電源開關后，除水除油裝置的DC 110V12W電磁閥處于失電狀態。根據時序圖的要求，每當空氣干燥器A、B塔兩個排氣電空閥中的某一個電空閥的線圈上的電壓由DC 110V降至0V時，其信號通過輸入電纜傳遞給控制器，在經過4s的延遲后，除水除油裝置的DC 110V12W電空閥將得電2s，然后又恢復失電，直到下一個循環。考慮到電磁閥的使用壽命，該系統采取了常閉類型電磁閥，這樣就縮短了電磁閥的帶電時間，延長使用壽命。

3 裝機試驗及驗證效果

3.1 裝車試驗情況

國內目前大部分機車的風源系統沒有除水除油過濾裝置，空壓機提供給干燥器的壓縮空氣總會有一定量的液態油、水混合物、油的氣溶膠、油霧和一些塵埃等固態雜質等，2010-06-02在太原鐵路局湖東電力機務段HXD10104機車上安裝2套自動除水除油裝置用以對比驗證，在空壓機與干燥器之間增加除水除油過濾裝置后的位置及組成原理圖見圖4框內部分所示。

圖4 加裝自動除水除油裝置的風源示意圖（紅框內）

3.2 裝車試驗結果

結果顯示空壓機出口壓縮空氣中的液態油、水與大顆粒水、塵埃雜質由除水過濾器通過旋風式氣液分離法分離出來并排除，而油、水及其氣溶膠、油霧、固體微粒、微生物等則由凝聚式高效除油過濾器過濾并排除，進入干燥器的壓縮空氣除水蒸氣外幾無其他雜質，干燥器的干燥能力充分發揮出來，干燥器出口的壓縮空氣質量得到較大幅度的提高；空氣質量達到了2-2-3級的標準。裝機時測試其空壓機組排氣壓力750～1 000kPa狀態下，過濾器前壓縮空氣含水含油量為4.3，4mg／m3，過濾器后為0.33，0.19mg／m3，顯著改善壓縮空氣質量。在該裝置運用1年后，2011-09-07再次測試過濾器前后壓縮空氣含油量，過濾器前為3.9，4.1mg／m3，過濾器后為0.38，0.21mg／m3。驗證了該自動除水除油裝置工作平穩，性能可靠；達到了設計要求，使得經干燥器出口的壓縮空氣質量達到ISO 8573-1標準2-2-3等級。

4 自動除水除油裝置的經濟效益

由于采用機車風源系統自動除水除油裝置并具有極高的除水除油效果，可以大大減少制動部件的故障率及檢修周期，從而節約了檢修資金。而大部分國產機車如SS3，SS4，DF4，DF8等均未安裝過自動除水除油過濾裝置。因此該裝置具有廣闊的應用前景，一旦全面推廣使用，其經濟利用價值及效益是不可估量的。

［1］王俊勇.準高速DF11機車制動系統研究與分析［J］.西南交通大學學報，1997，32（6）：637-642.

［2］ISO 8573-1：2001.Compressed air—Part1：Contaminants and purity classes［S］.

［3］羅飛平，王俊勇.HXD2電力機車風源及凈化系統［J］.鐵道機車車輛，2011，31（3）：17-21.

［4］王榮恩.機車風源凈化裝置試驗研究［J］.內燃機車，1992，217（3）：15-24.

［5］劉轉華，王俊勇，王其偉，李國平.大秦線20 000t貨物列車ECP制動系統方案探討［J］.鐵道車輛，2003，41（9）：28-30.