CRH3型動車組用風管路積水的調研分析

李 巍， 湛 青， 趙穩平

(中車唐山機車車輛有限公司， 河北唐山 063035)

CRH3型動車組的主空壓機采用SL22-54型帶噴油冷卻的雙軸旋轉式空壓機，工作轉速1 750 r/min,在1 000 kPa工作壓力下輸送氣體1 300 dm3/min。

CRH3型動車組管路中的積水是壓縮空氣中的冷凝水，從主空壓機的干燥系統進行攻關,確定此問題調研方向為空氣干燥器、外界空氣溫濕度環境和運用檢修3方面。

1 主空壓機干燥系統研究分析

1.1 雙塔干燥器原理

雙罐型冷卻再生吸附干燥設備同時運行兩個工序，即干燥階段和再生階段并行。當一個干燥罐中主氣流被干燥時，另一干燥罐中的干燥劑則再生。在通過一個塔中的干燥劑(由鋁硅酸鹽制成，能夠吸附水分子)時，空氣中尚含的水分被吸走，使壓縮空氣從風缸中流出時的相對濕度小于35%。一部分已干燥的空氣被分流出來，被送入相反方向，這種空氣也稱為再生空氣，它從需要再生的干燥劑中吸走了水分。當干燥劑即將達到飽和極限時，通過電子控制裝置換接，使雙塔作用互換。

待壓縮的空氣經空氣濾清器過濾后導入壓縮機單元，空壓縮后經過機油粗分離器和集油器后去油，再經過空氣冷卻器進入壓縮空氣輸出口后通過干燥塔進行干燥，輸出到精細濾油器再次進行油氣分離，最后無油、干燥的壓縮空氣進入到用風管路及設備中。

如果主空壓機輸出的壓縮空氣在進入干燥塔前不能有效的除油，則會使過多的油隨著壓縮空氣進入到干燥塔中，污染干燥粒子，使其干燥性能不良，從而導致管路中壓縮空氣相對濕度增大，在降溫過程中析出更多的冷凝水。

1.2 空氣必須進行干燥處理的原因

大氣中總是含有水蒸氣，只要水分以蒸氣形式存在，它始終與空氣結合在一起，直到超過飽和極限(=100% 空氣相對濕度)，水分才以雨滴、霧或雪的形式落下。飽和極限視溫度而變化，隨著溫度的升高，空氣能吸收更多的水分。所以在主空壓機的壓縮過程中由于溫度的升高不會凝結出水，而只有當輸送的壓縮空氣在二次冷卻器中重新冷卻時才會凝結出水。

一個簡單的計算示例可以說明這一過程：

相對濕度用RH表示。相對濕度的定義是單位體積空氣內實際所含的水氣密度(用d1表示)和同溫度下飽和水氣密度(用d2表示)的百分比，即RH(%)=d1/d2×100%，如表1所示不同溫度下的含水量表。

根據理想氣體狀態方程pV=nRT(式中各字母的意義：p壓強、V體積、n物質的量、T溫度、R是氣體普適常數)，可知在同一溫度、相同體積下空壓機壓縮后的空氣中的含水量為

H=ρw×P相對壓力

式中H為含水量，ρw為絕對濕度，P相對壓力為壓縮后的空氣壓力。

1 m3空氣在相對濕度100%的情況下，由T2溫度下降到T1溫度時，析出的冷凝水為

HT1=(ρwT2-ρwT1)

式中ρw為絕對濕度，ρwT為T溫度下的絕對濕度，單位是g/m3,ρw50代表50℃的絕對濕度，查表1可知空氣飽和情況下ρw50=82.65 g/m3，ρw20=17.27 g/m3，ρw10=9.39 g/m3。

表1 絕對濕度與相對濕度對應表(大氣壓：100 kPa)

P相對壓力為空壓機壓縮空氣后，最后形成的1.1 MPa絕對壓力。

當室外溫度T為30℃、相對濕度RH為80%時，查表可知空氣含有ρw30=24.25 g/m3，則1 m3被吸入的空氣中水蒸氣含量為24.25 g，而經過空壓機壓縮到1 MPa的1 m3的空氣中下含有H30℃=(ρw30×P相對壓力)= 266.75 g的水。在壓縮過程中空氣溫度上升，當再冷卻到50 ℃時，處于飽和狀態的空氣只能接受下ρw50=82.65 g/m3水蒸氣；這樣1 m3空氣中就要凝結出冷凝水(H30℃-ρw50)=266.75-82.65=184.1 g/m3。這一示例清楚地表明，在壓縮空氣系統中空氣再冷卻后總是處于飽和狀態。這樣由于自然冷卻而進一步降溫時水就會凝結落下，當壓縮空氣再從50 ℃冷卻到20 ℃時，會進一步析出H20℃=(ρw50-ρw20)=82.65-17.27=65.38 g/m3水，再進一步冷卻到10 ℃時，甚至會析出H10℃=(ρw20-ρw10)=17.27-9.39=7.88 g/m3水。這表明仍有不少的水以水蒸氣的形式殘留在壓縮空氣系統中，在逐步的降溫過程中析出冷凝水,從而導致設備腐蝕、凍結等問題。

所以，在壓縮空氣進入用風管路和設備前，必須使壓縮空氣的空氣濕度降低到微不足道的剩余含濕量(相對濕度35%以下)，這樣即使在有腐蝕催化劑的情況下也不會腐蝕，避免氣動組件由于結冰而受損，從而延長氣動組件的壽命，提高可靠性。

1.3 干燥失效分析

對多臺干燥失效的主空壓機進行了拆解分析，發現干式空氣濾清器安全濾芯上有明顯臟污，濾芯的過濾效果不良將直接導致進入主空壓機的空氣質量差，從而污染潤滑油、污染油氣分離器(稱重偏重，判斷濾網中存油)，使油氣分離器功能不良，大量油和雜質隨著空壓機的壓縮輸出到干燥塔中，污染干燥粒子。最終結果是壓縮空氣中存在了過多的水和油。

2 運用維護問題調研

2.1 主空壓機維護項點檢查

對用戶一二級修檢查空壓機維護項點檢查如表2。

表2 對用戶的維護項點檢查核實表

注：維護等級與車組運行里程及運用時間的關系如下表

2.2 用戶主空壓機維護情況

配屬用戶的共計60列CRH3C，13列CRH380BL，47列CRH380B動車組，截止到故障批量發生時共運行了3.006 9×108km(按標準列8輛編組計算)，對用戶主空壓機過濾元件的采購和消耗情況進行統計分析如下表所示：

通過表4統計看出，用戶在對主空壓機的維護中所消耗的精細濾油器過濾元件、空氣濾清器濾芯和空氣濾清器安全元件的數量無法滿足二級修主空壓機更換件的需求，3種過濾元件的實際消耗與最低應消耗的比值分別為26.9%、14.7%和19.3%，所以用戶對空壓機過濾元件的更換維護嚴重不到位。

表3 維護等級與車組運行里程及運用時間的關系表

表4 用戶主空壓機過濾元件更換情況

3 外界天氣情況調研

2016年1月23日庫檢發現某CRH380BL動車組BCU箱內有水跡，檢查后發現管路中存在大量的水和少部分油。對當時車組故障發生時的前10 d的外界溫度及冷凝水析出情況進行統計，只有在車組運行至兩地溫度變化較大時才會析出少量冷凝水。經數據統計，1月22日車組在杭州與青島兩地運行了兩趟折反車次(杭州天氣2 ℃/-5 ℃大雪，青島天氣-1 ℃/-13 ℃)，達到了壓力露點值，析出了0.5 g/m3的水。其他9天均未達到析出冷凝水的臨界點。

在發現積水故障的前兩天為大雨雪天氣，空氣濕度100%，考慮在溫度極端情況下，車組始發或終到站的外界溫度小于壓力露點(按管路中壓縮空氣被干燥塔干燥后的濕度極限值35%計算)，壓縮空氣濕度會飽和并析出極冷凝水。如果主空壓機持續運轉，那么在管路中析出冷凝水的速率為(0.5×1 300/1 000)/11=0.06 (g/min),一臺主空壓機兩年的運行時間為不超過3 000 h，在這種100%濕度且干燥塔功能正常的情況下，車組運行一天管路中析出約14 g水，且大部分會存留在風缸底部形成冷凝水，一個月時間也不會析出超過14×30=420 (g)冷凝水。所以從以上數據證明，如干燥器功能良好，外部天氣對管路積水的影響極小，可以忽略外部天氣的影響，即外部天氣不是管路積水的要因。

4 原因及解決方案

4.1 管路積水的原因

(1)從以上數據證明，如干燥器功能良好，外部天氣對管路積水的影響極小，則可忽略外部天氣的影響，即外部天氣不是管路積水的要因。

(2)空氣濾清器濾芯和安全元件未按標準檢修文件做定期更換，較多的雜質容易進入到空壓機中，影響油氣分離器的濾油功能和使用壽命，使其濾油性能下降，過多的油和雜質隨壓縮空氣進入下游污染干燥器中的干燥粒子，使干燥器干燥效果不良，最終導致管路中的壓縮空氣析出水。

(3)檢修標準文件中要求的M3修露點測試未執行，所以在日常對空壓機的檢測中，無法確認主空壓機干燥塔的功能是否良好，只有在管路和用風設備中發生大量水后才會確認空壓機干燥故障。其實此時空壓機的干燥失效的問題早已發生，發現問題為時過晚，對用風設備造成了不可逆的損傷。

4.2 解決方案

(1)對主空壓機精細濾油器進行排油量檢查，按照空壓機運行100 h精細濾油器排油量不大于56 cm3的標準(按參考值約 2 cm3/h礦物油，約 0.8 cm3/h合成油來計算)，對空壓機油氣分離功能進行評估，并采取以下措施：

① 排油量在0.56～1 cm3/h之間，將M2修程時更換空氣過濾器的濾芯和安全元件調整到M1修進行，在M3修程時更換精細濾油器的濾芯調整到M2修，加密過濾元件的更換周期，并對空壓機油進行更換，持續跟蹤。

② 排油在1 cm3/h以上，直接對主空壓機進行更換。

(2)按檢查標準，采購露點測試儀，按M3修的檢修標準，對主空壓機的干燥功能進行檢查。除此之外，我們在冬季前也要進行一次壓力露點的測試，通過以上手段來評估主空壓機的性能。

5 結 論

(1) 管路中進水的問題是與天氣無關的。即使一年中每天都在下雨，空氣濕度持續飽和，但如果空壓機的干燥性能良好，能夠把管路中的相當溫度降低到35%以下，就不會造成用風管路大量積水的問題。

(2) 動車組的主空壓機是一個很重要且很脆弱的核心部件，相當于制動系統的心臟，給車組源源不斷的提供著血液即壓縮空氣。如果日常不注意保養空壓機，就會出現問題，所以空壓機的保養一定要按標準執行到位。

(3) 通過對空壓機的使用經驗積累和耗油量標準的分析，對SL22型空壓機的濾油濾水性能進行了標準量化，即0.56 cm3/h。這在此前是沒有此標準的，只能通過看外觀、聽異響等方法來判定其好壞，判定結果個體差異很大，且只有在問題嚴重時才會發現，在發現問題時已經對下游的用風設備造成了不可逆的損傷。通過此標準的制定，能更快更好的判定空壓機的性能，并采取“早治療”的方式大大降低了故障影響。