高速動車組供風單元干燥器車載故障診斷方案

辛志強,許文瑤,喬 峰

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉向架研發部,吉林 長春 130000)

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

動車組空氣系統主要包括空氣制動系統、空氣懸掛系統、氣動塞拉門、空調新風機構等各種用風系統,供風單元的主要功能是為空氣系統提供充足、干燥、清潔的壓縮空氣。干燥的壓縮空氣對于空氣系統來說尤為重要,因為潮濕的壓縮空氣極有可能在空氣系統內產生冷凝水,這些冷凝水將會對空氣系統部件造成極大的影響。

壓縮空氣的干燥程度通常通過露點溫度來衡量,我國常見的動車組對于供風單元輸出壓縮空氣的露點要求為ISO 8573:1:2010《壓縮空氣 第1部分:雜質和質量等級》中的2級露點,即-40 ℃。

高寒地區因其冬季氣溫低,動車庫內外溫差大且南北向長大交路運營途經多個溫度帶,導致了途經、運行于高寒地區的動車組空氣系統較其他動車組更易產生冷凝水。因此作為空氣系統風源的供風單元,其干燥器功能正常與否、如有異常是否能被及時發現并處理至關重要。

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(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或蒸汽形式從大氣中析出,含水量達到上限時空氣即為飽和狀態。

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

圖1 含水量、相對濕度與溫度的關系

從圖1可知,當溫度下降時,空氣的相對濕度將上升,當相對濕度達到100%時,空氣達到飽和,多余的水分將以冷凝水的形式出現。

空氣壓力也會對相對濕度產生影響,氣壓升高將使得單位容積的空氣含水量增加,使相對濕度升高。

供風單元吸入外界空氣后將對空氣進行壓縮,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不會達到飽和狀態。然而隨著壓縮空氣通過供風單元進入空氣系統后的自然冷卻,冷凝水也將會在系統中析出,因此供風單元必須配備干燥設備。

1.2 干燥器原理

目前國內常見動車組的干燥器均采用雙室型無熱再生吸附干燥器,其特點是2個裝有干燥劑的干燥室分別以干燥和再生兩種狀態工作,兩種狀態可依靠電磁閥的動作實現相互切換,因此該干燥器能夠長時間持續使用。

處于干燥狀態的干燥室對空氣壓縮機組產生的壓縮空氣進行干燥,通過干燥劑吸附空氣中的水分,降低空氣的相對濕度;處于再生狀態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,壓縮機組輸出的壓縮空氣由A1口進入干燥器,此時閥口V5、V8在彈簧的作用下處于打開狀態,V6、V7關閉,空氣經閥口V5進入干燥室a,經過干燥劑的吸濕處理后,再由干燥室中間的通路到達溢流閥24a,打開其閥口V1,然后到達溢流閥71,最終由A2口輸出至空氣系統中。少量經過干燥室a干燥的空氣在溢流閥24a處經由節流閥50到達了干燥室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,實現干燥劑的再生,最終這些空氣經由閥口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,干燥室b處于再生狀態。

圖2 干燥器原理

然而隨著時間繼續,干燥室a中的干燥劑逐漸達到飽和,干燥效果開始下降,干燥室b中的干燥劑逐漸再生完成,這時干燥器附帶的電控裝置將激活電磁閥43動作,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關閉,這時A1口的空氣經閥口V7進入干燥室b,干燥室b處于干燥狀態,經干燥室b干燥后的空氣沿相似通路通過A2口輸出至空氣系統中,少量空氣經節流閥50到達干燥室a,使干燥室a處于再生狀態,干燥室的狀態實現了切換。因此通過定時激活和取消激活電磁閥43可以實現2個干燥室狀態的循環切換。

綜上可知,干燥室中的干燥劑并不能長時間使用,干燥劑飽和后干燥能力將喪失。為了實現干燥器長時間可靠工作,干燥室必須按設計要求定時切換。

1.3 現狀

目前,我國多數動車組的干燥器僅設置了干燥室工作狀態指示器,通過視覺信號提示每個干燥室的工作狀態。運維人員需要目視檢查指示器的切換狀態或通過聽覺確認干燥器切換時的短時排風聲音。這些檢查方法不僅工作量大、容易造成錯檢或漏檢,且無法做到對干燥器故障的實時掌控和及時處理。

以下列舉了一些運用過程中發現的干燥器失效未能及時發現而導致的空氣系統進水甚至凍結故障:

(1) 冬季空氣彈簧供風電磁閥進水凍結導致空簧無法充風(圖3);

圖3 電磁閥進水凍結

(2) 總風壓力傳感器進水導致傳感器誤報總風壓力高,使供風單元無法工作。

2 干燥器診斷方案

干燥器的2個干燥室中處于干燥狀態的干燥室中存在空氣壓力,而處于再生狀態的干燥室壓力很小。根據此特點可以分別在2個干燥室設置壓力開關,利用壓力開關的反饋信號監控干燥器的切換狀態。干燥器診斷方案見圖4。

圖4 干燥器診斷方案

車載監控裝置與干燥器及空壓機同時供電,車載監控裝置供電后將進行約5 s的自檢,自檢過程中故障診斷持續輸出故障信號,如圖5所示。自檢完成后如果系統無任何故障則將干燥器故障信號復位,否則將持續輸出故障信號。列控系統在空壓機啟動后可適當設置延時,避免誤報干燥器故障。

圖5 監控裝置信號

車載監控裝置根據2個壓力開關的反饋信號判斷干燥器工作狀態,判斷干燥器故障的置位條件為:

(1) 兩壓力開關信號同時存在;

(2) 兩壓力開關信號同時不存在的時間超過要求(具體車型可具體確定);

(3) 相鄰兩次切換的時間間隔超出切換時間范圍。

干燥器故障的復位條件為:相鄰兩次切換的時間間隔在切換時間范圍內。

為確保干燥劑不會由于隨機的啟動時間導致運用時間變長出現過飽和的情況,干燥器內部計時器將自動記錄上次停機時干燥室的中斷時間,以便在下一次啟動時,從中斷時間開始繼續工作。此外,空壓機初送電至達到工作狀態和干燥器內部壓力達到要求等過程均需要時間,因此車載監控裝置在自檢成功后的前2個切換周期內將自動屏蔽干燥器故障,防止誤報。

干燥器的切換狀態也存在偶發的切換失敗(如壓力開關反饋故障等),而偶發的切換失敗并不會立即造成空氣系統產生冷凝水的后果,因此列控系統可在接收到干燥器故障時設置適當的延時,屏蔽偶發故障。

3 總結

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

(2) 目前干燥器狀態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切換排風聲進行,工作量大,容易出現錯漏。

(3) 通過在2個干燥室設置壓力開關,可利用其反饋信號監控干燥器工作狀態;通過制定合理的參數能夠實現干燥器的在線診斷,通過列控系統故障代碼提示運維人員,減少了運維成本,在國內一些動車組上應用,效果良好。