雙塔式空氣干燥裝置在城軌車輛上的應用

王海峰

(大連公交客運集團有限公司 金馬快軌運營分公司車輛段，遼寧 大連 116000)*

0 引言

據統計，北京、上海、廣州、南京、深圳等地鐵公司的城軌車輛都曾發生過由于空氣壓縮系統中的水汽過量導致的制動系統設備腐蝕以及過度磨損，沒有什么有效的預防措施.因此制動系統管路中的水汽含量超標已成為城軌車輛運營早期影響車輛正常運營的重要問題［1］.對其進行分析研究，探討解決方法，對保證城軌車輛的正常運營、降低維護成本非常重要.本文所描述的KNORR LTZ型雙塔式空氣干燥裝置目前應用于大連快軌3號線及延伸線的所有城軌車輛上，其在正常的使用狀態中能夠將制動系統管路中的壓縮空氣干燥至其殘余水分可以忽略不計的水平.但是不當的使用或缺乏較好的維護，仍然會出現水汽超標的現象.因此本文以大連快軌3號線多年的運營經驗對此套干燥裝置的運用進行了評論，以及其日常的故障和維護進行了分析.

1 水汽在制動系統中的形成與危害

大氣中總是含有水蒸汽.只要水氣以水蒸汽的形式存在，它就肯定在空氣中.只有在超出飽和度極限 (=100%相對濕度)時，水氣會凝結為以水滴、霧或雪.

圖1顯示了飽和度如何隨溫度的變化而變化，空氣會隨著溫度的上升而吸收更多的水分.這說明為什么在壓縮的過程中沒有水分凝結，因為空壓機中的空氣溫度高于某一水平.只有當空壓機中出來空氣再次在中冷器中冷卻下來后凝結才會發生.

圖1 飽和度與溫度的關系

如圖1，對空氣壓縮機吸入的空氣進行一下分析.當環境溫度為+30℃、相對濕度為80%時，吸入1 m3的空氣中便會含有一定量以水蒸汽形式存在的水.然而當吸入的空氣被壓縮至壓力為105Pa時，1 m3的空氣中的含水量便會增加10倍.空氣溫度隨著壓力的增高而升高.當空氣溫度再冷卻至50℃時，處于飽和狀態的空氣中的水蒸汽含量便會降低至圖1中的標準，這就是說有近大半的的水分被冷凝出來.但據圖1所示，仍然會有少半的水以水蒸氣的形式存在于壓縮空氣當中.

上述闡述可以很清楚的表明壓縮空氣系統中的空氣在冷卻后總是飽和的.因此，因自然冷卻而使溫度再度下降會使水分冷凝出來.然而即使空氣在空壓機中得到很好的冷卻，并且除去了產生的冷凝水，在壓縮空氣系統中仍有相當一部分水以水蒸汽的形式繼續存在，相應地就會出現設備發生腐蝕和凍結等相關的問題.

2 雙塔式空氣干燥裝置的應用

通過國外軌道交通部門長期的運營經驗驗證，如果將系統中的空氣干燥到相對濕度低于35%的范圍內，制動系統中的壓縮空氣便可以有效而可靠地工作.低于這個“臨界濕度”水平以下，即使空氣中含有少量的腐蝕刺激性物質——如酸，也不太可能會發生設備的腐蝕.

KNORR雙塔式空氣干燥裝置采用無熱再生式吸附原理，可以將空氣干燥到相對濕度低于35%的范圍內，并且通過國內多家軌道公司的運營經驗驗證，該干燥裝置在軌道車輛上尤為可靠，同時也是最經濟的.

其工作原理主要以一系列物理過程為基礎:潮濕的壓縮空氣流經晶體金屬鋁硅酸鹽干燥劑，這些干燥劑憑借其超大而特殊的內表面的分子結構，從經過的空氣中抽取水分.然而它只允許吸附水分子，而較大的油分子不能一并吸附.所以需要在空氣系統中另行采用濾油器.

3 KNORR雙塔式空氣干燥裝置

LTZ型雙塔式空氣干燥裝置有兩種型式，一種是 LTZOl5..型，不帶加熱器;另一種是 LTZOl5..H型，帶加熱器.這兩種型式的干燥裝置在干燥塔的尺寸和再生縮口的直徑上有所區別，因此它們可以更廣泛地與各種可能的工作工況相匹配.

3.1 簡要結構介紹

LTZ型雙塔式空氣干燥裝置的主要部件有:

兩個干燥塔，每個上面都裝有油水分離器;支架;排污用消音器的雙鞲鞴閥;電磁閥和一塊用于周期定時的電子板.

每個干燥塔有一個壓力指示器顯示其工作狀態.例如，當左塔有壓力時(即在其干燥階段)，一個紅色的指針在左壓力指示器上顯示.當壓力卸載后(即當干燥塔處于其再生階段)，指針自動復位.

3.2 工作原理及周期定時

(1)工作原理

雙塔式無熱再生吸附裝置同時在兩個階段工作，即干燥和再生同時進行.在一個塔內干燥主氣流的同時另一個塔內的干燥劑進行再生.

來自空壓機的潮濕壓縮空氣進入干燥器，在那里首先將冷凝的水和油送給油水分離器.隨后通過含有吸附式干燥劑的塔，很多水分被吸走，在空氣干燥器的出口主氣流的相對濕度≤35%.干燥過的一部分空氣從主氣流中分流出來，經過再生縮口膨脹然后經過第二個塔中的飽和干燥劑排至大氣.經膨脹而徹底被干燥的空氣從第二個塔中需要再生的干燥劑中吸走上一干燥階段吸附的水氣.在這種情況下，主氣流在塔內干燥，干燥劑在塔內再生.

(2)周期定時

雙塔式干燥裝置有自己固定的控制裝置，控制裝置中有一塊用于記錄兩個干燥塔工作周期轉換的電子板，電子板主要由周期定時器構成.圖2顯示了周期定時和不同的工作階段.周期定時器通過車輛硬線與空壓機在同一時間接通110VDC控制電源.此時電子板內部根據固定的程序控制電磁閥的開關時間，進而控制兩個干燥塔工作周期的轉換.圖4中的T=4 min，因此每隔2 min應能聽到電磁閥的交替動作聲.每到第二次轉換時，應有一股短促的氣流從排氣口排出，帶出鞲鞴閥內存積的水分.

圖2 一個工作周期圖

當空壓機關閉或空轉時，周期定時器會自己判斷記錄空壓機實際工作狀態，并在空壓機再一次接通時繼續計時.這樣，干燥裝置可以保證無論上一階段空壓機工作終止于何階段，在下一階段將要再生的干燥劑可以完全被干燥，并且干燥劑重新位于任何工作周期都不會過飽和.空氣干燥裝置是這樣控制的，如果轉換裝置發生故障，仍可以通過其中的一個干燥塔提供壓縮空氣.但此狀態如果長時間持續，一直工作的干燥塔內的干燥劑將過飽和并且失效.干燥裝置將不再能保證系統內得到標準的干燥壓縮空氣.

4 干燥器常見故障分析

4.1 排污口大量排氣

KNORR LTZ型雙塔式空氣干燥裝置主要機械部分由2個空氣干燥塔及一個用于執行雙塔工作周期轉換功能的鞲鞴閥，該裝置本身機械結構整體可靠.但當鞲鞴閥內用于執行周期轉換的雙鞲鞴閥的閥座臟污或損壞，或閥座的橡膠密封圈破損時，鞲鞴閥下面的排污排氣口將出現大量排氣且不止的情況.初期故障時，檢修人員對出現此故障的鞲鞴閥進行拆解后發現，均為鞲鞴閥閥座橡膠老化破損造成漏氣.如圖3(a)顯示為正常閥座，圖3(b)為閥座橡膠破損后的閥座.

圖3 閥座示意圖

經過大連快軌3號線及其續建線經過近10年的運營經驗總結，共計更換過幾十個鞲鞴閥閥座，經過分析主要與該閥座頻繁轉換動作造成，生產商KNORR公司也對此故障現象進行了分析，并準備研發更適合此閥座的閥頭橡膠進行替換.

4.2 雙塔工作周期自動轉換功能故障

以下情況可能會導致雙塔工作周期自動轉換功能故障:①干燥塔裝置中用于周期定時的電子板故障;②電磁閥故障;③與周期定時器相連的控制電路硬線故障;④用于執行轉換的雙鞲鞴閥內部機械故障.

干燥塔自動周期轉換功能故障后，將只有一個干燥塔處于工作周期內，干燥劑將不再進入再生周期，長期持續后，干燥劑將失效，進而導致干燥裝置無法有效控制系統內壓縮空氣中的含水量.經過檢查會發現有大量的水積存在總風缸內，此時必須徹底排空總風缸里的水，水中夾雜著已經失效的干燥劑.如下圖.打開總風缸后部的濾油器會發現，紅色的海綿體濾芯已完全被水浸泡，并已失去濾油功能.

當雙塔式干燥裝置出現上述故障后，整個制動系統內水蒸氣的含量便會嚴重超標，隨之帶來的就是各種設備提前腐蝕的惡劣后果.圖4為基礎制動裝置(單元制動機)內部部件的水腐蝕情況，嚴重影響了制動系統的正常使用性能.

圖4 制動裝置內部部件水腐蝕圖

4.3 有關干燥劑常態的問題

在干燥裝置出現上述故障后，隨之可能伴隨的就是干燥劑失效的問題，在通常良好的狀態下，干燥劑的壽命實際上是比較長的.一般在車輛進行100萬km大修時更換干燥劑便已能滿足系統要求.但是，下列情況會導致干燥劑常態失效，需要進行處置.

(1)如果因空氣干燥裝置故障，如周期定時短時間故障而使干燥劑過飽和，那么無需更換干燥劑.只要裝置再一次開始正常工作，干燥劑便會自動再生.根據過飽和的程度，裝置會耗費幾個小時，由空壓機傳送空氣，進行反復再生，直到它完全恢復為止;

(2)如果干燥劑已過飽和，干燥裝置再一次正常運轉時消音器的排水口有白色沉淀存在，那么必須更換干燥劑;

(3)因臟污或機油導致干燥劑被嚴重污染，那么需要根據系統內干燥壓縮空氣的標準來判斷，即比預定的時間早一些更換干燥劑.

以上所有項目的干燥劑更換后，空氣干燥器再次運行前，總風缸必須排盡水分并干燥.

4.4 干燥裝置的日常維護

經過上述分析，可以清楚的看到水汽在制動系統內的成因以及無法除去帶來的惡劣后果，因此為了確保系統能得到標準的干燥壓縮空氣，我們必須加強對干燥裝置的維護.

說起對空氣干燥裝置的維護，應當從制動系統內水蒸汽含量的監測做起，正所謂防患于未然［2-3］.目前行業內部比較主流的監測手段為檢查系統內的氣壓露點.通過氣壓露點值來判斷系統內的壓縮空氣干燥程度是否符合標準.進而可以判斷空氣干燥裝置是否處于正常的工作狀態.

檢查氣壓露點我們通常使用特定的測量工具氣壓露點計，用一個氣壓露點計可以精確監控空氣干燥裝置使其正確運轉.在正常外界溫度下，露點讀數必須低于35%相對濕度的極限值(見圖5).

圖5 氣壓露點、環境溫度和相對濕度之間的關系

大連快軌車輛段在每年冬季來臨之前，都會使用氣壓露點計測量氣壓露點，進而測試空氣干燥裝置，車輛段目前采用的測量方法如圖6.

圖6 測量氣壓露點

我們會不定期對車輛制動系統的氣壓露點值進行抽查，看是否處于標準值內.另外定期檢查干燥器工作是否正常(須檢查周期定時器、檢查總風缸里是否有水、檢查消音器上的排污口有無堵塞及漏氣.在每次霜凍天氣來臨之前，也必須檢查空氣干燥裝置的雙鞲鞴閥轉換工作是否正常.

5 結論

制動系統管路中的水蒸氣含量超標已成為影響城軌車輛正常運用的重要問題.大連作為一座沿海城市，空氣濕度較內地其他城市要大，因此開展相關技術研究，提高空氣干燥裝置性能，對降低壓縮空氣中水含量、改善車輛運行品質、降低使用維護費用等具有更為重要及深遠的意義.

［1］樊貴新，曹忠林，李學峰.城軌車輛國產制動系統的研制及應用［J］.現代城市軌道交通，2007(6):34-39.

［2］張桂華，舒同泰.貨車車輪踏面擦傷問題的分析［J］.鐵道車輛，2010(5):32-34.

［3］王曉東.廣州地鐵4號線地鐵車輛制動系統［J］.鐵道車輛，2010(11):18-22.