李 巍， 湛 青， 趙穩(wěn)平

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司， 河北唐山 063035)

CRH3型動車組的主空壓機(jī)采用SL22-54型帶噴油冷卻的雙軸旋轉(zhuǎn)式空壓機(jī)，工作轉(zhuǎn)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(jī)的干燥系統(tǒng)進(jìn)行攻關(guān),確定此問題調(diào)研方向為空氣干燥器、外界空氣溫濕度環(huán)境和運用檢修3方面。

1 主空壓機(jī)干燥系統(tǒng)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(shè)備同時運行兩個工序，即干燥階段和再生階段并行。當(dāng)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(fēng)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(dāng)干燥劑即將達(dá)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(jīng)空氣濾清器過濾后導(dǎo)入壓縮機(jī)單元，空壓縮后經(jīng)過機(jī)油粗分離器和集油器后去油，再經(jīng)過空氣冷卻器進(jìn)入壓縮空氣輸出口后通過干燥塔進(jìn)行干燥，輸出到精細(xì)濾油器再次進(jìn)行油氣分離，最后無油、干燥的壓縮空氣進(jìn)入到用風(fēng)管路及設(shè)備中。

如果主空壓機(jī)輸出的壓縮空氣在進(jìn)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(jìn)入到干燥塔中，污染干燥粒子，使其干燥性能不良，從而導(dǎo)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(jìn)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(jié)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(jī)的壓縮過程中由于溫度的升高不會凝結(jié)出水，而只有當(dāng)輸送的壓縮空氣在二次冷卻器中重新冷卻時才會凝結(jié)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(nèi)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(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT(式中各字母的意義：p壓強(qiáng)、V體積、n物質(zhì)的量、T溫度、R是氣體普適常數(shù))，可知在同一溫度、相同體積下空壓機(jī)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(yīng)表(大氣壓：100 kPa)

P相對壓力為空壓機(jī)壓縮空氣后，最后形成的1.1 MPa絕對壓力。

當(dāng)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(jīng)過空壓機(jī)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(dāng)再冷卻到50 ℃時，處于飽和狀態(tài)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(jié)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(tǒng)中空氣再冷卻后總是處于飽和狀態(tài)。這樣由于自然冷卻而進(jìn)一步降溫時水就會凝結(jié)落下，當(dāng)壓縮空氣再從50 ℃冷卻到20 ℃時，會進(jìn)一步析出H20℃=(ρw50-ρw20)=82.65-17.27=65.38 g/m3水，再進(jìn)一步冷卻到10 ℃時，甚至?xí)龀鯤10℃=(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(tǒng)中，在逐步的降溫過程中析出冷凝水,從而導(dǎo)致設(shè)備腐蝕、凍結(jié)等問題。

所以，在壓縮空氣進(jìn)入用風(fēng)管路和設(shè)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(jié)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(jī)進(jìn)行了拆解分析，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致進(jìn)入主空壓機(jī)的空氣質(zhì)量差，從而污染潤滑油、污染油氣分離器(稱重偏重，判斷濾網(wǎng)中存油)，使油氣分離器功能不良，大量油和雜質(zhì)隨著空壓機(jī)的壓縮輸出到干燥塔中，污染干燥粒子。最終結(jié)果是壓縮空氣中存在了過多的水和油。

2 運用維護(hù)問題調(diào)研

2.1 主空壓機(jī)維護(hù)項點檢查

對用戶一二級修檢查空壓機(jī)維護(hù)項點檢查如表2。

表2 對用戶的維護(hù)項點檢查核實表

注：維護(hù)等級與車組運行里程及運用時間的關(guān)系如下表

2.2 用戶主空壓機(jī)維護(hù)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(fā)生時共運行了3.006 9×108km(按標(biāo)準(zhǔn)列8輛編組計算)，對用戶主空壓機(jī)過濾元件的采購和消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計分析如下表所示：

通過表4統(tǒng)計看出，用戶在對主空壓機(jī)的維護(hù)中所消耗的精細(xì)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(shù)量無法滿足二級修主空壓機(jī)更換件的需求，3種過濾元件的實際消耗與最低應(yīng)消耗的比值分別為26.9%、14.7%和19.3%，所以用戶對空壓機(jī)過濾元件的更換維護(hù)嚴(yán)重不到位。

表3 維護(hù)等級與車組運行里程及運用時間的關(guān)系表

表4 用戶主空壓機(jī)過濾元件更換情況

3 外界天氣情況調(diào)研

2016年1月23日庫檢發(fā)現(xiàn)某CRH380BL動車組BCU箱內(nèi)有水跡，檢查后發(fā)現(xiàn)管路中存在大量的水和少部分油。對當(dāng)時車組故障發(fā)生時的前10 d的外界溫度及冷凝水析出情況進(jìn)行統(tǒng)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(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)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(dá)到了壓力露點值，析出了0.5 g/m3的水。其他9天均未達(dá)到析出冷凝水的臨界點。

在發(fā)現(xiàn)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(fā)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(jī)持續(xù)運轉(zhuǎn)，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(jī)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(fēng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)檢修文件做定期更換，較多的雜質(zhì)容易進(jìn)入到空壓機(jī)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(zhì)隨壓縮空氣進(jìn)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(dǎo)致管路中的壓縮空氣析出水。

(3)檢修標(biāo)準(zhǔn)文件中要求的M3修露點測試未執(zhí)行，所以在日常對空壓機(jī)的檢測中，無法確認(rèn)主空壓機(jī)干燥塔的功能是否良好，只有在管路和用風(fēng)設(shè)備中發(fā)生大量水后才會確認(rèn)空壓機(jī)干燥故障。其實此時空壓機(jī)的干燥失效的問題早已發(fā)生，發(fā)現(xiàn)問題為時過晚，對用風(fēng)設(shè)備造成了不可逆的損傷。

4.2 解決方案

(1)對主空壓機(jī)精細(xì)濾油器進(jìn)行排油量檢查，按照空壓機(jī)運行100 h精細(xì)濾油器排油量不大于56 cm3的標(biāo)準(zhǔn)(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(jī)油氣分離功能進(jìn)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(diào)整到M1修進(jìn)行，在M3修程時更換精細(xì)濾油器的濾芯調(diào)整到M2修，加密過濾元件的更換周期，并對空壓機(jī)油進(jìn)行更換，持續(xù)跟蹤。

② 排油在1 cm3/h以上，直接對主空壓機(jī)進(jìn)行更換。

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

5 結(jié) 論

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

(2) 動車組的主空壓機(jī)是一個很重要且很脆弱的核心部件，相當(dāng)于制動系統(tǒng)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(yǎng)空壓機(jī)，就會出現(xiàn)問題，所以空壓機(jī)的保養(yǎng)一定要按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行到位。

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