公交車輛氣路系統(tǒng)壓縮空氣品質的維護研究

呂 立

（北京公共交通控股（集團）有限公司，北京 100161）

引言

公交車輛多以壓縮空氣為制動力介質，此外，乘客門的動力控制、空氣懸架系統(tǒng)的工作均需要氣路系統(tǒng)提供的壓縮空氣。公交車輛的制動性能直接關系著行車安全，故對氣路系統(tǒng)技術狀況有著嚴格的要求，而壓縮空氣品質對氣路系統(tǒng)技術狀況影響很大，關系到公交車輛的安全性、可靠性及舒適性。因此，分析研究氣路系統(tǒng)壓縮空氣品質不良的危害及成因、常壓空氣轉變?yōu)閴嚎s空氣時的濕度變化、壓縮空氣中析出水分對氣路系統(tǒng)的影響，并為此提出解決措施十分必要。

1 公交車輛氣路系統(tǒng)與行車安全

公交車輛氣壓制動系統(tǒng)通過空氣壓縮機、貯氣罐、氣制動閥等裝置提供壓縮氣源和制動控制。隨著車輛技術的發(fā)展，為解決管路中氣壓建立和撤除較慢、作用時間滯后較長（0.3～0.9s）等問題，在氣制動閥到制動氣室和貯氣罐的距離較遠時，加設了二級氣動控制元件——繼動閥或快放閥；為了保證制動系統(tǒng)的安全可靠，在氣路中設置了四回路保護閥，確保實現雙制動回路及其他用氣設備分別供氣和故障保護。隨著復雜的氣路閥件越來越多，對壓縮空氣的品質要求越來越高，于是增加了壓縮空氣品質調整裝置（干燥器、冷凝器、濕罐等），以確保氣路系統(tǒng)壓縮空氣品質滿足控制元件和用氣設備的需求。

如果壓縮空氣不能達到品質標準，會對系統(tǒng)元件造成傷害引發(fā)故障，影響氣路系統(tǒng)技術功能，甚至導致安全隱患或安全事故。因此，確保氣路系統(tǒng)壓縮空氣品質，對公交車輛安全運行至關重要。

2 氣路系統(tǒng)中空氣水分的危害及成因

對公交車輛氣路系統(tǒng)壓縮空氣要求是多方面的，如壓縮空氣壓力、供氣量、干燥度、雜質含量等。氣壓和氣量可通過供氣設備的技術發(fā)展得到解決，而壓縮空氣干燥度和雜質含量會對公交車輛制動裝置、乘客門、空氣懸架氣囊等用氣設備的效能造成影響，其中對制動系統(tǒng)的影響會直接或間接造成安全隱患或安全事故。

2.1 易受壓縮空氣品質因素影響的氣路元件

2.1.1 繼動閥

繼動閥（圖1）用于長管路的末端,制動時可使儲氣筒的壓縮空氣快速充滿制動氣室實施車輛制動，解除制動時又可快速把制動氣室中的壓縮空氣排出。繼動閥進氣口1 接通儲氣筒，出氣口2 接制動氣室。當踩下制動踏板時，氣制動閥輸出的壓縮空氣作為繼動閥的控制壓力從4 口進入，關閉排氣閥c，打開進氣閥b，壓縮空氣由儲氣筒直接進入制動氣室，大大縮短了制動氣室的充氣管路，加速了制動氣室的充氣過程。當松開制動踏板時，4 口的氣壓解除，從而使進氣閥b 關閉，排氣閥c 打開，制動氣室內壓縮空氣經過2 口、排氣閥c 從排氣口3 排出，車輛制動解除。

圖1 繼動閥結構原理圖

2.1.2 四回路保護閥

四回路保護閥的作用是將全車氣路分成四個既有聯系又相互獨立的回路。壓縮空氣由1 口進入四回路保護閥后，分別由21、22、23、24 四個出氣口分為四條相互獨立的管路，分別控制前行車制動、后行車制動、駐車制動以及其他用氣裝置，如乘客門、空氣懸架氣囊等（圖2）。當其中的一條或幾條回路中產生壓力驟降（如管路破裂或大量泄漏等）時，四回路保護閥自動關閉壓力驟降的管路，氣源能照常向其他回路供氣，只是最大氣壓稍許降低，不影響其他回路工作[1]。

圖2 四回路保護閥原理圖

2.2 壓縮空氣干燥度及雜質造成的危害

由于車輛氣路系統(tǒng)中的壓縮空氣是通過空氣壓縮機采集的空氣壓縮而成，空氣濕度直接影響壓縮空氣的干燥程度。空氣濕度越大，越容易造成壓縮空氣中水分的析出，析出水分對氣路元件具有腐蝕作用，進而導致壓縮空氣中的雜質增加，從而對氣動元件的功效造成危害。重要的是，北京地區(qū)夏季空氣濕度較大，易造成氣路腐蝕生成雜質；冬季環(huán)境氣溫一般在冰點以下，很容易造成氣路管道或氣動元件的凍結。氣路管道凍結造成管道截面積縮小，過氣量降低，導致用氣設備動作遲緩；氣動元件凍結造成元件控制功能失效，或密封口因冰渣、雜質導致密封不嚴或失效。

2.2.1 氣壓制動系統(tǒng)

（1）氣路管路凍結，過氣量下降，會出現車輛制動遲緩，制動距離增大現象。

（2）四回路保護閥凍結，可造成無氣壓、壓縮空氣泵不上氣、氣壓表壓力顯示異常等現象。

（3）制動時，繼動閥的排氣閥密封因冰渣或雜質導致密封不嚴，可引起制動遲緩。

（4）解除制動時，繼動閥的進氣閥密封因冰渣或雜質導致密封不嚴，可造成制動拖滯。

2.2.2 乘客門

公交車輛乘客門一般通過氣動門泵控制。因管路凍結造成過氣量減弱，會導致乘客門開關動作遲緩甚至無法操控。

2.2.3 空氣懸架氣囊

氣囊受管路過氣量和控制閥的雙重控制，如果發(fā)生管路凍結或凍堵，就會造成氣囊減震調節(jié)效能降低甚至失效的后果。

3 氣路系統(tǒng)析出水分的成因

上述情況表明，控制好壓縮空氣濕度，是確保氣路故障得到有效控制的關鍵環(huán)節(jié)。

3.1 空氣濕度的基本概念

3.1.1 大氣濕度

濕度是表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下，一定體積的空氣中含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。空氣的干濕程度叫做“濕度”，常用絕對濕度、相對濕度、飽和差以及露點等物理量來表示。

3.1.2 絕對濕度

絕對濕度是一定體積的空氣中含有的水蒸氣質量，通常單位是g/m3。絕對濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度。絕對濕度只有與溫度一起才有意義，因為空氣中濕度隨溫度而變化，不同溫度下的絕對濕度不同，隨著溫度的變化，空氣的體積也要發(fā)生變化。但絕對濕度越靠近最高濕度，它隨溫度的變化就越小。

式中：ρw為絕對濕度（kg/m3）；e為蒸汽壓（Pa）；Rw為水的氣體常數，其值為461.52J/(kg·K)；T為溫度（K）；m為空氣中溶解的水的質量（kg）；V為空氣的體積（m3）。

3.1.3 飽和狀態(tài)

化學上指溶液中所含溶質的極限或空氣中所含水蒸氣的極限。

3.1.4 露點

空氣中水汽含量不變，保持氣壓一定的情況下，使空氣冷卻達到飽和時的溫度稱露點溫度，簡稱露點，其單位與氣溫相同。一般把0℃以上稱為“露點”，0℃以下稱為“霜點”。

3.1.5 相對濕度

空氣濕度是指空氣潮濕的程度，可用相對濕度（RH）表示。相對濕度是指空氣中實際所含水蒸氣密度與相同溫度下飽和水蒸氣密度的百分比值。

式中：φ為相對濕度（%）；ρw為絕對濕度（g/m3）；ρw,max為最高濕度（g/m3）；e為水汽壓（Pa）；E為飽和水汽壓（Pa）；s為比濕（g/kg）；S為最高比濕（g/kg）。

3.2 公交車輛氣路系統(tǒng)中的濕度

3.2.1 北京地區(qū)空氣常年濕度及空氣溫度

根據2016-2020 年《中國統(tǒng)計年鑒》中的資源與環(huán)境數據[2]，北京地區(qū)近5 年的平均氣溫與濕度見表1、表2。

表1 主要城市平均氣溫（2015-2019） 單位：℃

3.2.2 以平均相對濕度確定車輛氣路系統(tǒng)內絕對濕度

無論是對于自由大氣中的空氣而言，還是對密閉容器中的特定氣體而言，但凡是氣體和水汽的混合物，都可以作為濕度的研究對象，濕度研究的一般理論大多都是通用的。

根據表2，2015 至2019 年全年平均相對濕度在48%至56%之間，其中七、八、九月的雨熱季期間平均相對濕度在53%至74%之間。

表2 主要城市平均相對濕度（2015-2019） 單位：%

以雨熱季平均相對濕度的中間值65%為基準（2016 年8 月），按表1，其對應的平均溫度為27.5℃，根據表3 得到相應飽和濕度為26.5g/m3，由式2，絕對濕度ρw=φ·ρw,max=65%×26.5=17.23g/m3。

3.2.3 車輛空氣壓縮機壓縮后的絕對濕度

3.2.3.1 空氣壓縮機工作原理及相關數據

以目前北京公交集團應用的耐力AZF 系列車用滑片式空壓機為例，其結構原理如圖3 所示，主要技術參數見表4[4]。

圖3 車用滑片式空氣壓縮機結構原理

3.2.3.2 壓縮后的濕空氣體積

將濕空氣近似地看作為理想氣體，則可用理想氣體狀態(tài)方程式來表示干空氣和水蒸氣的主要狀態(tài)參數壓力、溫度、比容等的相互關系[5]，即：

式中：Pg、Pq為干空氣與水蒸氣的壓力（Pa）；V為濕空氣的容積（m3）；mg、mq為干空氣與水蒸氣的質量（kg）；Rg、Rq為干空氣與水蒸氣的氣體常數，其值分別為287J/(kg·K)、461J/(kg·K)；T為濕空氣的熱力學溫度（K）。

根據壓縮機規(guī)格參數表得到壓縮后的最高空氣溫度為110℃（實際取值100℃，即373K），壓縮機排氣壓力為1MPa，由式（3）+式（4）和空壓機數據（以AZF1.5H 壓縮機為例）可得出濕空氣壓縮后的體積V（1m3的空氣質量等于1294.64g，壓縮前空氣絕對濕度為17.23g/m3，而在封閉的氣路系統(tǒng)中，壓縮前后空氣中水蒸氣質量無變化）。

3.2.3.3 壓縮后空氣的絕對濕度

根據式1，計算壓縮后空氣的絕對濕度ρw。

ρw=m/V=17.23/0.1397=123.34g/m3

隨著溫度從100℃降低到環(huán)境溫度，由于壓力值保持不變，將進一步析出水分。

根據表3，環(huán)境溫度降至27-28℃時飽和濕度為25.73-27.19g/m3（取中間值26.5g/m3），因此，當壓縮機壓縮相對濕度為65%的濕空氣時，將會析出水分123.34-26.5=96.84g/m3，約為0.097kg/m3。

3.3 析出水分帶來的問題

通過前文定量計算，當車輛空氣壓縮機工作時，特別是在夏季的大部分時間里，每壓縮1m3的常溫常壓濕空氣，都會有相應數量的水分析出（約為0.097kg），隨著壓縮空氣的溫度逐步降低至常溫，又將析出部分水分。這些水分如不及時排除，就會對氣路中的管路、元件起到腐蝕作用，嚴重影響氣路系統(tǒng)的正常工作。

4 氣路中析出水分的防范

4.1 技術防范

4.1.1 氣路的空氣處理裝置

（1）盤管：具有一定長度的盤管與空氣壓縮機排氣口連接，通常要保證空氣壓縮機與空氣干燥器之間的管路長度＞6m，目的給高溫高壓的壓縮空氣散熱，使排出的壓縮空氣溫度迅速下降。

（2）濕罐：濕罐進氣口連接盤管，出氣口與冷凝器連接。壓縮空氣進入濕罐時流速減慢，其作用就是將超濕空氣析出的水分集中在濕罐內，并通過排污閥排出，確保通過濕罐的空氣絕對濕度不超過飽和濕度。

（3）冷凝器：冷凝器進氣口連接濕罐，出氣口與干燥器連接，冷凝器的作用是進一步將壓縮空氣的溫度降低，還可將壓縮空氣中的油水與空氣分離，并在超壓時及時排除分離出的油水。為防止冬季低溫凍結，冷凝器排液口一般配置加溫裝置。

（4）空氣干燥器：空氣干燥器進氣口與冷凝器連接，要保證其進口溫度低于65℃，出氣口通過四回路保護閥后接入各用氣裝置。空氣干燥器的作用是對壓縮空氣進行除濕處理，由于環(huán)境溫度和供氣壓力都沒有變化，經過除濕處理的空氣其濕度已低于飽和濕度，在經過儲氣罐、控制元件、用氣設備時不會進一步析出水分，從而使車輛氣路系統(tǒng)得到了保護。

（5）反吹罐：反吹罐與空氣干燥器連接。一般情況下反吹罐接收干燥常溫的壓縮空氣，需要時對空氣干燥器內的干燥劑進行反吹再生處理，以延長空氣干燥器的使用壽命。

4.1.2 氣路的技術維護

北京公交集團對氣路的技術維護分為低級維護和高級維護兩種級別。

（1）低級維護。低級維護的目的是保持車輛技術性能。就氣路系統(tǒng)而言是確保其密閉性和功能性，通過清潔、檢查、緊固，確保氣路系統(tǒng)各機件性能完好有效。

（2）高級維護。高級維護的目的是恢復車輛技術性能。氣路系統(tǒng)在此階段要更換干燥器，清理冷凝器，檢修排污閥、控制元件和氣動設備，使氣路各元件全面恢復安全行車的技術條件。

4.2 人為防范

人為防范措施是通過人為手段使經過空氣干燥器處理的壓縮空氣不會析出水分，從而確保氣路控制元件和氣動設備的正常使用。

4.2.1 排污日常化

由于一年四季的溫差較大，在夏季環(huán)境溫度下不會析出水分的空氣在冬季環(huán)境溫度下存在再次析出水分的可能。實際情況是每年冬季首次降溫容易造成大面積氣路凍凝故障，從而影響運營生產。在首次降溫后，各維修單位派出專業(yè)人員上路進行處理，處理后再次降溫，雖然溫度進一步降低，但凍結問題卻沒有首次降溫的影響大。說明首次降溫處理的水分就是其他季節(jié)吸收的濕空氣，通過處理后，再次吸入空氣的環(huán)境溫度即為冬季當時的溫度，通過干燥器后不會再次析出水分。

為此，北京公交將排污工作納入駕駛員每天收車時必須履行的措施，并制定了具體的排污標準，確保落實。

4.2.2 排污標準化

（1）將排污工作落實到駕駛員，確保每日收車后落實排污。

（2）排污部位僅為濕罐的排污閥，其他儲氣罐排污閥通過維護作業(yè)進行排污，駕駛員不得做其他儲氣罐的排污工作。這樣做的原因一是排污的目的是確保通過空氣干燥器的壓縮空氣不會析出水分，二是防止制動系統(tǒng)等關鍵裝置的儲氣罐排污閥損壞而造成安全隱患。

（3）排污必須排到低壓警報器啟動。由于短暫排污容易造成排污不徹底問題，因此要求必須排污到低壓警報器啟動。

北京公交運營車輛濕罐的排污形式有手動和電動兩種，手動排污到低壓警報器啟動可以同時檢驗低壓警報器的功效，并通過設置排污標志，以便提醒、檢查、監(jiān)督。電動排污是通過電控排污閥進行排污，需將氣壓降低到低壓警報器啟動后排污閥才能啟動，因此要求電動排污應排到低壓警報器啟動壓力的下一格壓力值。

4.2.3 日常維護

（1）加強對排污閥的檢查，確保其完好與功效。

（2）加強對氣路泄漏的檢查，確保氣路系統(tǒng)的密閉性。

（3）加強對儀表顯示功能的檢查，確保排污過程的監(jiān)視功能。

5 結論與維護效果

加強氣路系統(tǒng)維護的目的是確保壓縮空氣品質符合氣路元件和裝置的要求，排污工作是確保壓縮空氣濕度達標的關鍵措施，只有排污到位，才能確保空氣干燥器充分發(fā)揮功能效用，以保證氣路系統(tǒng)安全可靠。

在2020-2021 年冬季期間，北京公交集團通過技術防范和人為防范共同施策，在降低氣路系統(tǒng)故障上取得了較好成效，總故障頻率由上年同期的1.72 次/萬km 降至1.60 次/萬km（萬公里減少0.12 次、下降6.98%），其中，氣路系統(tǒng)故障頻率由上年同期的0.26 次/萬km 下降至0.15 次/萬km（萬公里減少0.11 次、下降42.3%），可見防范維護效果良好。