趙 未 陳建海

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

國內(nèi)某有軌電車項目在運營兩年后，多列車在正線運營時開始頻繁地出現(xiàn)受電弓無法升弓或突然降弓的故障，導(dǎo)致列車下線。該項目列車使用的是氣囊升弓式受電弓，出現(xiàn)無法升弓最可能的原因就是供氣的氣源出現(xiàn)了問題。檢查故障原因，發(fā)現(xiàn)測量升弓用空氣壓縮機(jī)輸出的氣量幾乎為零，空氣壓縮機(jī)內(nèi)部也有明顯的漏氣聲，確定故障點在空氣壓縮機(jī)內(nèi)部。

1 輔助壓縮機(jī)的工作原理

空氣壓縮機(jī)的內(nèi)部如圖1所示，壓縮機(jī)在電機(jī)帶動下，經(jīng)空氣過濾器后將空氣吸入壓縮，再通過空氣冷卻器進(jìn)行冷卻。冷卻后的空氣繼續(xù)經(jīng)過緩沖器進(jìn)入PDR過濾器對其中的水分進(jìn)行過濾，排污電磁閥會在空壓機(jī)停止打氣時將冷卻水排出。干燥后的空氣經(jīng)過單向閥進(jìn)入膜式干燥器再次干燥后由最小壓力閥輸出，向50 L的風(fēng)缸供氣。壓力開關(guān)負(fù)責(zé)控制空氣壓縮機(jī)的啟停，當(dāng)檢測到氣壓達(dá)到設(shè)定值900 kPa后壓縮機(jī)停止工作，氣壓降至設(shè)定值700 kPa時壓縮機(jī)開始工作。

圖1 壓縮機(jī)內(nèi)部正面圖

2 漏氣原因分析

通過對多臺故障空氣壓縮機(jī)的檢查，確定故障現(xiàn)象分兩種:(1)排污電磁閥排水口持續(xù)排氣，斷合空氣壓縮機(jī)電源，重啟空氣壓縮機(jī)后故障現(xiàn)象可能會消失；(2)膜式干燥器反吹排氣口漏風(fēng),故障現(xiàn)象不會消失。

2.1 排污閥漏氣分析

排污電磁閥工作原理如圖2所示，當(dāng)氣壓未達(dá)到設(shè)定值時，PSC壓力開關(guān)閉合，KM1接觸器線圈得電，觸點閉合，空氣壓縮機(jī)開始工作，排污閥加熱器開始加熱，同時Y3電磁閥線圈得電，其內(nèi)部的閥芯在頂針的推動下克服彈簧力，將氣孔堵住，排氣口處于閉合狀態(tài)；當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)定值后，PSC斷開，KM1線圈失電，Y3線圈失電，排污閥閥芯在彈簧力推動下被頂開，空氣帶動冷凝水從排氣口排出。

圖2 空氣壓縮機(jī)控制電路圖

拆開排污電磁閥，發(fā)現(xiàn)里面有較多的水跡，閥芯呼吸孔為側(cè)面切口，閥芯及其密封塞已經(jīng)氧化變色，按壓密封塞時有明顯的頓挫感，容易出現(xiàn)卡在一半的情況?？梢耘袛啵收蠎?yīng)該出現(xiàn)在空氣壓縮機(jī)啟動的時刻，閥芯在動作時與閥體內(nèi)壁出現(xiàn)干涉，沒有完全動作到位，密封塞無法堵住氣孔，導(dǎo)致空氣全部從排水口排出。如果斷合空氣壓縮機(jī)電源，電磁閥會重新得電，閥芯可以二次動作到位，故障現(xiàn)象就會消失。

2.2 膜式干燥器漏氣分析

膜式干燥器的工作原理為潮濕的壓縮空氣通過上端入口進(jìn)入中空滲膜管[1]，膜管由數(shù)以千計的中空纖維組成，纖維上鍍有高分子膜(僅允許水分子通過)，然后流經(jīng)滲膜管到達(dá)底部(見圖3)。因為在滲膜內(nèi)部和外部水蒸氣分壓不同，因此水分子就從分壓較大的滲膜內(nèi)部向分壓較小的滲膜外部擴(kuò)散，在底部就獲取了較干燥的壓縮空氣[2]。

圖3 空氣干燥原理

干燥的壓縮空氣引出一小部分進(jìn)行膨脹減壓，形成極為干燥的壓縮空氣，將其引入到滲膜之外把擴(kuò)散出來的水分子吹掃掉(見圖4)。滲膜外部水分子的流失加大了中空分子膜內(nèi)外的水分子分布梯度，加速水分子的擴(kuò)散速度，在滲膜底部壓縮空氣的濕度急劇下降，從而達(dá)到干燥壓縮空氣的目的。

圖4 空氣干燥流程

由于反吹空氣的存在，膜內(nèi)外始終存在水分子的濃度差，所以干燥可以連續(xù)進(jìn)行。由于高分子膜是靠分子間隙來分離水分子的，具有極高的精密度，因此要想保證干燥膜組可靠工作，壓縮空氣必須滿足如下條件[3]：(1)壓縮空氣不能含有液態(tài)冷凝液；(2)壓縮空氣的含油量必須小于 0.01 mg/m3；(3)不能有大于1 μm 的顆粒雜質(zhì)；(4)壓縮空氣瞬間壓力變化不能超過200 kPa/s；(5)要求的環(huán)境溫度不能超過50 ℃；(6)空氣壓縮機(jī)啟停頻率不可過高(膜式干燥器其內(nèi)部膜管在工作時會承壓膨脹，不工作時，膜管內(nèi)部泄壓收縮，此壓力循環(huán)過程會影響使用壽命)。

所以，膜式干燥器也要遵循以下的安裝原則：(1)滿足過濾精度要求；(2)PDR過濾器和膜式干燥器之間不能有延長的連接管路(防止壓縮空氣冷卻后產(chǎn)生冷凝液)；(3)過濾器和膜式干燥器之間只能使用防腐蝕連接管件；(4)安裝干燥管之前需徹底清潔管路內(nèi)部；(5)不能使用液態(tài)密封劑；(6)安裝時保證不存在安裝應(yīng)力。

列車上的膜式干燥器出現(xiàn)嚴(yán)重的漏氣現(xiàn)象，必定是使用環(huán)境或安裝方式與上述要求存在較大差異。為了找出原因，拆下故障膜式干燥器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其入口處有明顯水跡，相連的單向閥接頭已經(jīng)銹蝕，單向閥內(nèi)部有銹渣，膜式干燥器的反吹排氣口有銹跡。液態(tài)水及銹渣對膜式干燥器的膜絲有明顯損壞作用。查閱空壓機(jī)維護(hù)手冊，其中對出口處最小壓力閥的說明為不具有單向?qū)üδ埽C(jī)后升弓風(fēng)缸中的空氣可以通過膜式干燥器反吹排氣口泄漏出來，加速了氣壓下降的速度，空氣壓縮機(jī)啟動頻繁，膜式干燥器也會頻繁工作。

3 漏氣原因總結(jié)

(1)排污閥選型不合理：該排污電磁閥有效通徑小，而閥芯面積較大，閥芯呼吸孔在側(cè)面進(jìn)行切口，容易發(fā)生卡滯。閥芯卡滯后會導(dǎo)致排氣孔無法閉合，空氣持續(xù)外泄。

(2)排污閥處加熱器長時間得電：空氣壓縮機(jī)啟動即開始對排污閥加熱，導(dǎo)致該處長時間處于高溫，對排污閥的性能也有部分影響。

(3)膜式干燥器膜絲受損：壓縮機(jī)運行過程中，高溫壓縮氣體冷卻過程中產(chǎn)生大量冷凝水，雖然有干燥過濾器，但其除水效果較差，無法滿足干燥要求，導(dǎo)致部分液態(tài)水直接進(jìn)入膜式干燥器；單向閥接頭為碳鋼材質(zhì)，在水環(huán)境下易生銹，由于膜式干燥器安裝于底部且接口向上，銹渣向下直接落入膜式干燥器內(nèi)。水和銹渣導(dǎo)致膜絲受損，漏氣量加大。

(4)壓縮機(jī)停機(jī)后保壓不良：最小壓力閥不具有單向?qū)üδ?，?dǎo)致停機(jī)后風(fēng)缸中的壓力通過破損的膜絲泄漏，加速氣壓下降，提高空氣壓縮機(jī)工作頻率，又進(jìn)一步降低膜式干燥器使用壽命，如此惡性循環(huán)，膜式干燥器很快便達(dá)到壽命極限。

4 改造方案

4.1 排污電磁閥型號更換

排污電磁閥卡滯，更換新型號排污電磁閥，遵循以下幾個原則：

(1)新排污電磁閥必須直接沿用現(xiàn)車機(jī)械接頭，減少變更量，降低變更成本；

(2)新排污電磁閥的閥芯動作必須經(jīng)過長期的高頻次動作驗證，確?？煽啃?；

(3)最終選擇的排污電磁閥可直接沿用現(xiàn)車機(jī)械接頭，僅加熱器固定片安裝孔位置與原先不一致，重新設(shè)計加熱器固定片即可。閥芯結(jié)構(gòu)與原排污電磁閥閥芯總體結(jié)構(gòu)類似，有效通徑相同，但閥芯面積小，呼吸孔為小孔，不容易發(fā)生卡滯。該電磁閥在既有的項目上已經(jīng)長期使用，在每天動作200次的情況下，連續(xù)3年未出現(xiàn)過故障。

4.2 排污閥加熱控制改進(jìn)

排污閥處加熱器長時間得電，增加溫度開關(guān)(見圖5)，控制排污閥處加熱器在溫度低于5 ℃時工作，降低排污閥的工作溫度。

圖5 控制盒增加溫度開關(guān)

4.3 改造過濾器

膜式干燥器膜絲受損,改造過濾器位置，在原過濾器處替換為油水分離器(見圖6)。將原PDR過濾器移出箱體，并增加自動排污電磁閥及加熱器，與原電磁閥及加熱器同步控制。過濾器后端管路影響原銘牌位置，將銘牌移位。管路采用不銹鋼材質(zhì)，舍棄原管路中的銹蝕碳鋼材質(zhì)接頭。

圖6 增加油水分離器

4.4 膜式干燥器出口端增加單向閥

壓縮機(jī)停機(jī)后保壓不良，在出口處最小壓力閥后端增加出口單向閥(見圖7)。更換壓力開關(guān)取氣口的軟管及其連接接頭。出口處尺寸發(fā)生變化，對外部接管進(jìn)行重新配管。

圖7 空氣壓縮機(jī)出口改造

4.5 增加空氣壓縮機(jī)動作計時計數(shù)器

為監(jiān)控壓縮機(jī)的運行狀況，在控制盒上增設(shè)計時計數(shù)器(見圖8)，對壓縮機(jī)啟動次數(shù)及啟動總時間進(jìn)行監(jiān)控，定期進(jìn)行時間檢查及記錄。

圖8 控制盒增加計時計數(shù)器

5 方案驗證

改造后的1臺空氣壓縮機(jī)在列車上試裝驗證：(1)通電開機(jī)完成氣密性測試，外圍管路各部無泄漏；(2)充氣時間測試，0～900 kPa充氣時間為6 min；(3)保壓測試，5 min壓力下降15 kPa以內(nèi)；(4)壓力開關(guān)啟停測試，啟停壓力分別為700 kPa及902 kPa；(5)排污電磁閥動作測試：停機(jī)排污，動作無異常；(6)1個月后測試0～900 kPa充氣時間為6 min，5分鐘氣壓下降15 kPa以內(nèi)，效果良好，可以進(jìn)行批量改造。

6 改造后維護(hù)及監(jiān)控說明

由于改造中增加了新部件，原先的空氣壓縮機(jī)維護(hù)要求需要進(jìn)行更新：(1)對油水分離器及外置PDR過濾器的排污處(排污口已通過軟管引至箱體底部)須定期查看排污狀態(tài)；(2)對增設(shè)的計時器定期進(jìn)行開機(jī)及運行時間記錄；(3)在庫內(nèi)定期(建議每周)進(jìn)行初充風(fēng)(0～900 kPa)時間測試，記錄充風(fēng)時間；(4)其他部件為原機(jī)組產(chǎn)品，維護(hù)工作參照原機(jī)組維護(hù)手冊執(zhí)行。

7 結(jié)論

通過對列車升弓用空氣壓縮機(jī)漏氣的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，并制定相應(yīng)的整改措施，解決了空氣壓縮機(jī)漏氣導(dǎo)致列車在正線運營中無法升弓的問題，提高了列車運營的穩(wěn)定性，也為目前軌道交通車輛的空氣壓縮機(jī)故障漏氣故障的處理提供了依據(jù)。