有軌電車空氣壓縮機故障分析及改造

趙 未 陳建海

(中車南京浦鎮車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

國內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受電弓無法升弓或突然降弓的故障，導致列車下線。該項目列車使用的是氣囊升弓式受電弓，出現無法升弓最可能的原因就是供氣的氣源出現了問題。檢查故障原因，發現測量升弓用空氣壓縮機輸出的氣量幾乎為零，空氣壓縮機內部也有明顯的漏氣聲，確定故障點在空氣壓縮機內部。

1 輔助壓縮機的工作原理

空氣壓縮機的內部如圖1所示，壓縮機在電機帶動下，經空氣過濾器后將空氣吸入壓縮，再通過空氣冷卻器進行冷卻。冷卻后的空氣繼續經過緩沖器進入PDR過濾器對其中的水分進行過濾，排污電磁閥會在空壓機停止打氣時將冷卻水排出。干燥后的空氣經過單向閥進入膜式干燥器再次干燥后由最小壓力閥輸出，向50 L的風缸供氣。壓力開關負責控制空氣壓縮機的啟停，當檢測到氣壓達到設定值900 kPa后壓縮機停止工作，氣壓降至設定值700 kPa時壓縮機開始工作。

圖1 壓縮機內部正面圖

2 漏氣原因分析

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

2.1 排污閥漏氣分析

排污電磁閥工作原理如圖2所示，當氣壓未達到設定值時，PSC壓力開關閉合，KM1接觸器線圈得電，觸點閉合，空氣壓縮機開始工作，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；當氣壓達到設定值后，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 空氣壓縮機控制電路圖

拆開排污電磁閥，發現里面有較多的水跡，閥芯呼吸孔為側面切口，閥芯及其密封塞已經氧化變色，按壓密封塞時有明顯的頓挫感，容易出現卡在一半的情況。可以判斷，故障應該出現在空氣壓縮機啟動的時刻，閥芯在動作時與閥體內壁出現干涉，沒有完全動作到位，密封塞無法堵住氣孔，導致空氣全部從排水口排出。如果斷合空氣壓縮機電源，電磁閥會重新得電，閥芯可以二次動作到位，故障現象就會消失。

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入中空滲膜管[1]，膜管由數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)，然后流經滲膜管到達底部(見圖3)。因為在滲膜內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部向分壓較小的滲膜外部擴散，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外的水分子分布梯度，加速水分子的擴散速度，在滲膜底部壓縮空氣的濕度急劇下降，從而達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，膜內外始終存在水分子的濃度差，所以干燥可以連續進行。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；(4)壓縮空氣瞬間壓力變化不能超過200 kPa/s；(5)要求的環境溫度不能超過50 ℃；(6)空氣壓縮機啟停頻率不可過高(膜式干燥器其內部膜管在工作時會承壓膨脹，不工作時，膜管內部泄壓收縮，此壓力循環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部；(5)不能使用液態密封劑；(6)安裝時保證不存在安裝應力。

列車上的膜式干燥器出現嚴重的漏氣現象，必定是使用環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行檢查，發現其入口處有明顯水跡，相連的單向閥接頭已經銹蝕，單向閥內部有銹渣，膜式干燥器的反吹排氣口有銹跡。液態水及銹渣對膜式干燥器的膜絲有明顯損壞作用。查閱空壓機維護手冊，其中對出口處最小壓力閥的說明為不具有單向導通功能，停機后升弓風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，空氣壓縮機啟動頻繁，膜式干燥器也會頻繁工作。

3 漏氣原因總結

(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，閥芯呼吸孔在側面進行切口，容易發生卡滯。閥芯卡滯后會導致排氣孔無法閉合，空氣持續外泄。

(2)排污閥處加熱器長時間得電：空氣壓縮機啟動即開始對排污閥加熱，導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：壓縮機運行過程中，高溫壓縮氣體冷卻過程中產生大量冷凝水，雖然有干燥過濾器，但其除水效果較差，無法滿足干燥要求，導致部分液態水直接進入膜式干燥器；單向閥接頭為碳鋼材質，在水環境下易生銹，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。水和銹渣導致膜絲受損，漏氣量加大。

(4)壓縮機停機后保壓不良：最小壓力閥不具有單向導通功能，導致停機后風缸中的壓力通過破損的膜絲泄漏，加速氣壓下降，提高空氣壓縮機工作頻率，又進一步降低膜式干燥器使用壽命，如此惡性循環，膜式干燥器很快便達到壽命極限。

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車機械接頭，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過長期的高頻次動作驗證，確保可靠性；

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

4.2 排污閥加熱控制改進

排污閥處加熱器長時間得電，增加溫度開關(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

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，舍棄原管路中的銹蝕碳鋼材質接頭。

圖6 增加油水分離器

4.4 膜式干燥器出口端增加單向閥

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

圖7 空氣壓縮機出口改造

4.5 增加空氣壓縮機動作計時計數器

為監控壓縮機的運行狀況，在控制盒上增設計時計數器(見圖8)，對壓縮機啟動次數及啟動總時間進行監控，定期進行時間檢查及記錄。

圖8 控制盒增加計時計數器

5 方案驗證

改造后的1臺空氣壓縮機在列車上試裝驗證：(1)通電開機完成氣密性測試，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；(4)壓力開關啟停測試，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，效果良好，可以進行批量改造。

6 改造后維護及監控說明

由于改造中增加了新部件，原先的空氣壓縮機維護要求需要進行更新：(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；(2)對增設的計時器定期進行開機及運行時間記錄；(3)在庫內定期(建議每周)進行初充風(0～900 kPa)時間測試，記錄充風時間；(4)其他部件為原機組產品，維護工作參照原機組維護手冊執行。

7 結論

通過對列車升弓用空氣壓縮機漏氣的原因進行系統分析，并制定相應的整改措施，解決了空氣壓縮機漏氣導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定性，也為目前軌道交通車輛的空氣壓縮機故障漏氣故障的處理提供了依據。