曹記勝，冀 彬，王俊勇

（1 太原鐵路局 機(jī)務(wù)處，山西太原030013；2 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)是機(jī)車空氣管路與制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它為機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)及全列車氣動(dòng)輔助裝置提供連續(xù)的、穩(wěn)定的、潔凈的壓縮空氣。HXD1型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車是鐵道部為大秦鐵路重載運(yùn)煤專線技術(shù)引進(jìn)的8軸重聯(lián)機(jī)車，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)用和檢修，發(fā)現(xiàn)HXD1型電力機(jī)車風(fēng)源及凈化裝置的除水除油效果不太理想，曾多次造成機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)電子電氣部件故障和TCU模塊故障，嚴(yán)重影響HXD1型機(jī)車運(yùn)行安全。同時(shí)，由于司機(jī)乘務(wù)員采用手動(dòng)方式排油，從而導(dǎo)致機(jī)械間內(nèi)的環(huán)境衛(wèi)生較差。因此，研制開發(fā)用于HXD1型電力機(jī)車風(fēng)源及凈化裝置的自動(dòng)除水除油裝置，對(duì)確保大秦線2萬(wàn)t重載組合列車運(yùn)輸安全具有重要意義。

1 機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)自動(dòng)除水除油裝置的研制前提

制動(dòng)系統(tǒng)是大秦線2萬(wàn)t重載組合列車的核心關(guān)鍵部件，壓縮空氣的質(zhì)量直接影響機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的作用可靠性，并進(jìn)而影響大秦線運(yùn)輸安全，根據(jù)ISO 8573-1標(biāo)準(zhǔn)，壓縮空氣質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下所述：

（1）固體顆粒2級(jí)：含塵≤1μm；固體顆粒3級(jí)：含塵≤5μm；

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

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

而高速動(dòng)車組和鐵路機(jī)車對(duì)于風(fēng)源空氣質(zhì)量的要求分別是2-2-2級(jí)和2-2-3級(jí)。對(duì)于HXD1型電力機(jī)車風(fēng)源的空氣質(zhì)量，目前只能達(dá)到3-4-4級(jí)。即壓縮空氣中含水含油比例較高，因此帶來了如下嚴(yán)重問題：

①TCU模塊故障較多；

②機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)緩解電磁閥、總風(fēng)遮斷電磁閥、緊急電磁閥、隔離電磁閥、壓力開關(guān)、EBV自動(dòng)制動(dòng)閥等電氣部件故障較多。

如圖1所示制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的主要部件拆解后發(fā)現(xiàn)有積水現(xiàn)象，自2008年HXD1型電力機(jī)車在大秦線批量上線運(yùn)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(yùn)用事故，主要集中在TCU模塊和制動(dòng)系統(tǒng)電氣部件故障方面，這就給大秦線2萬(wàn)t重載組合列車運(yùn)輸安全帶來嚴(yán)重不利影響。

圖1 HXD1制動(dòng)模塊故障后的拆解圖

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則

2.1 設(shè)計(jì)原則

一般條件下，機(jī)車風(fēng)源及凈化裝置由螺桿式空氣壓縮機(jī)和雙塔式空氣干燥器組成，沒有安裝自動(dòng)除水除油裝置。HXD1型電力機(jī)車壓縮空氣質(zhì)量，經(jīng)壓縮機(jī)出口后可達(dá)到ISO 8573-1標(biāo)準(zhǔn)的3-4-4級(jí)；經(jīng)干燥器出口后可達(dá)到3-3-4級(jí)。

機(jī)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(jī)車運(yùn)用時(shí)間如果超過1年，機(jī)車空氣干燥器的吸附劑容易被壓縮機(jī)產(chǎn)出的油污染，從而導(dǎo)致吸附劑失效。所以需要在干燥器之前壓縮機(jī)出口之后增加一個(gè)有效降低壓縮空氣水、油含量的設(shè)備以提高干燥劑使用壽命，并保證干燥器出口的空氣質(zhì)量。

2.2 系統(tǒng)目標(biāo)功能要求及描述

針對(duì)前面所述的該特殊工況設(shè)計(jì)，該自動(dòng)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(shí)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(shù)如下：

另外考慮到低溫運(yùn)行環(huán)境，增加AC 220V30W PTC板式加熱電阻片用于電磁閥的加熱，整個(gè)系統(tǒng)的工作循環(huán)及控制方式統(tǒng)一由裝置的控制器控制。所以整個(gè)除水除油裝置的控制與空氣干燥器相配合，按一定的時(shí)序順序工作。當(dāng)環(huán)境溫度下降到接近冰點(diǎn)時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)向除水除油裝置上的PTC板式加熱板供電進(jìn)行加熱，從而防止設(shè)備結(jié)冰。原理圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)除水除油裝置原理圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，除水除油裝置作為壓縮機(jī)組、空氣干燥器的配套系統(tǒng)，它要按一定的時(shí)序要求配合空氣干燥器進(jìn)行工作，其時(shí)序要求如圖3所示。因此除水除油裝置上電磁閥的工作應(yīng)接受空氣干燥器的A、B塔電空閥的控制。

圖3 自動(dòng)除水除油裝置工作時(shí)序圖（橫軸為時(shí)間s）

該系統(tǒng)使用CYS-B型自動(dòng)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(fā)信號(hào)，控制器內(nèi)部則根據(jù)此控制信號(hào)激活排水排油電磁閥得電排空；其工作循環(huán)過程為：當(dāng)干燥器A塔吸附工作時(shí)，塔內(nèi)壓力保持在750～950 kPa，此時(shí)B塔再生脫附（排大氣），B塔內(nèi)壓力排空至0 kPa，時(shí)間為70s；然后干燥器進(jìn)入保壓階段，在這段時(shí)間內(nèi)A塔和B塔需10s時(shí)間來建立壓力平衡，進(jìn)行柔性轉(zhuǎn)換；在此10s的間隙，自動(dòng)除水除油裝置的啟動(dòng)2s激活電磁閥自動(dòng)排出螺桿壓縮機(jī)出口壓縮空氣中的油和水。繼而在轉(zhuǎn)換至干燥器B塔吸附工作時(shí)，A塔再生脫附（排大氣），同樣的工作循環(huán)，并且在其循環(huán)周期內(nèi)自動(dòng)除水除油裝置同樣開啟電磁閥2s時(shí)間，自動(dòng)排出螺桿壓縮機(jī)出口壓縮空氣中的油和水。周而往復(fù)，循環(huán)工作。

當(dāng)打開控制器的電源開關(guān)后，除水除油裝置的DC 110V12W電磁閥處于失電狀態(tài)。根據(jù)時(shí)序圖的要求，每當(dāng)空氣干燥器A、B塔兩個(gè)排氣電空閥中的某一個(gè)電空閥的線圈上的電壓由DC 110V降至0V時(shí)，其信號(hào)通過輸入電纜傳遞給控制器，在經(jīng)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(fù)失電，直到下一個(gè)循環(huán)?？紤]到電磁閥的使用壽命，該系統(tǒng)采取了常閉類型電磁閥，這樣就縮短了電磁閥的帶電時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。

3 裝機(jī)試驗(yàn)及驗(yàn)證效果

3.1 裝車試驗(yàn)情況

國(guó)內(nèi)目前大部分機(jī)車的風(fēng)源系統(tǒng)沒有除水除油過濾裝置，空壓機(jī)提供給干燥器的壓縮空氣總會(huì)有一定量的液態(tài)油、水混合物、油的氣溶膠、油霧和一些塵埃等固態(tài)雜質(zhì)等，2010-06-02在太原鐵路局湖東電力機(jī)務(wù)段HXD10104機(jī)車上安裝2套自動(dòng)除水除油裝置用以對(duì)比驗(yàn)證，在空壓機(jī)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(nèi)部分所示。

圖4 加裝自動(dòng)除水除油裝置的風(fēng)源示意圖（紅框內(nèi)）

3.2 裝車試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示空壓機(jī)出口壓縮空氣中的液態(tài)油、水與大顆粒水、塵埃雜質(zhì)由除水過濾器通過旋風(fēng)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(jìn)入干燥器的壓縮空氣除水蒸氣外幾無(wú)其他雜質(zhì)，干燥器的干燥能力充分發(fā)揮出來，干燥器出口的壓縮空氣質(zhì)量得到較大幅度的提高；空氣質(zhì)量達(dá)到了2-2-3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。裝機(jī)時(shí)測(cè)試其空壓機(jī)組排氣壓力750～1 000kPa狀態(tài)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(zhì)量。在該裝置運(yùn)用1年后，2011-09-07再次測(cè)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(yàn)證了該自動(dòng)除水除油裝置工作平穩(wěn)，性能可靠；達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，使得經(jīng)干燥器出口的壓縮空氣質(zhì)量達(dá)到ISO 8573-1標(biāo)準(zhǔn)2-2-3等級(jí)。

4 自動(dòng)除水除油裝置的經(jīng)濟(jì)效益

由于采用機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)部件的故障率及檢修周期，從而節(jié)約了檢修資金。而大部分國(guó)產(chǎn)機(jī)車如SS3，SS4，DF4，DF8等均未安裝過自動(dòng)除水除油過濾裝置。因此該裝置具有廣闊的應(yīng)用前景，一旦全面推廣使用，其經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值及效益是不可估量的。

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