CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組氣路控制箱結(jié)冰問(wèn)題分析及改進(jìn)

樊立新

(中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司 烏魯木齊車(chē)輛段, 新疆 烏魯木齊 830011)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展和人民生活水平日益提高,為滿足廣大乘客在舒適性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面的需求,時(shí)速160 km“復(fù)興號(hào)”CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組”)應(yīng)運(yùn)而生[1]。動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組的投入使用,對(duì)普速客車(chē)實(shí)施了轉(zhuǎn)換升級(jí),逐步推行普速列車(chē)動(dòng)車(chē)化,以夕發(fā)朝至和“三進(jìn)”直通列車(chē)為主[2]。中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司配屬了20組動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組陸續(xù)替換城際列車(chē),逐步替代普速列車(chē),開(kāi)通烏魯木齊站至庫(kù)爾勒、奎屯、博爾塔拉、伊寧、霍爾果斯、克拉瑪依站。冬季動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組途經(jīng)高寒、暴雪、大濕度的運(yùn)行區(qū)段,沿線歷年極端低溫為-40～-30 ℃,北疆的精伊霍線、奎北線相對(duì)濕度為50%～80%。既有動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組在極端低溫及大濕度的運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)營(yíng),出現(xiàn)了多起動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組拖車(chē)氣路控制箱結(jié)冰的問(wèn)題,造成了塞拉門(mén)無(wú)風(fēng)不能正常開(kāi)關(guān),集便器無(wú)法使用,空氣彈簧無(wú)風(fēng)等故障,影響動(dòng)車(chē)組安全運(yùn)行。

1 供風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成介紹

CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組由動(dòng)力車(chē)、拖車(chē)及控制車(chē)組成,動(dòng)力車(chē)使用單節(jié)4軸機(jī)車(chē),拖車(chē)以25T型客車(chē)技術(shù)為基礎(chǔ),可在動(dòng)力車(chē)控制車(chē)之間進(jìn)行雙向操控,具有換向方便、節(jié)約時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)[3]。動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組風(fēng)源系統(tǒng)是動(dòng)車(chē)組空氣管路系統(tǒng)的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)為動(dòng)力車(chē)、拖車(chē)、控制車(chē)的氣動(dòng)器件以及制動(dòng)系統(tǒng)提供高質(zhì)量潔凈、干燥、穩(wěn)定的壓縮空氣。風(fēng)源系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)、空氣干燥器、過(guò)濾器、總風(fēng)缸、輔助壓縮機(jī)、輔助干燥器等[4]。動(dòng)力車(chē)設(shè)置2臺(tái)容積流量不小于1 600 L/min的螺桿式空氣壓縮機(jī),滿足動(dòng)車(chē)組的用風(fēng)需求。由于空氣壓縮機(jī)只在動(dòng)力車(chē)上,控制車(chē)設(shè)有容積為500 L的總風(fēng)缸,控制車(chē)的總風(fēng)缸壓縮空氣由動(dòng)力車(chē)總風(fēng)缸通過(guò)貫穿動(dòng)車(chē)組的總風(fēng)管供給,滿足控制車(chē)作為操縱端時(shí)正常用風(fēng)需求。

動(dòng)力車(chē)將壓縮空氣送入拖車(chē)后,經(jīng)過(guò)汽水分離器、拖車(chē)總風(fēng)缸進(jìn)入到氣路控制箱,氣路控制箱主要由集成閥板、球閥、止回閥、濾塵器等部件組成[5],集成閥板用于安裝球閥,球閥用于氣路的開(kāi)啟和截?cái)?止回閥用于氣路的順向開(kāi)啟和逆向截?cái)?濾塵器用于截堵氣路中雜質(zhì)。經(jīng)對(duì)氣路控制箱進(jìn)行拆解,發(fā)現(xiàn)氣路控制箱止回閥結(jié)冰嚴(yán)重(圖1),造成了塞拉門(mén)不能正常開(kāi)關(guān),集便器無(wú)法使用,空氣彈簧無(wú)風(fēng)等故障,影響動(dòng)車(chē)組安全運(yùn)行。

圖1 氣路控制箱止回閥結(jié)冰照片

2 氣路控制箱結(jié)冰原因分析及改進(jìn)

2.1 運(yùn)行環(huán)境分析

冬季烏魯木齊、伊寧年均暴雪天數(shù)3～4天[6],研究分析30年間的氣象數(shù)據(jù),奎北線冬季沿線歷年極端低溫為-40～-30 ℃,如圖2所示。蘭新客專(zhuān)、南疆線的相對(duì)濕度最低,北疆的精伊霍線、奎北線相對(duì)濕度較高,為50%～80%,冬季相對(duì)濕度最大,春季相對(duì)濕度最小,如圖3所示。由于冬季北疆線路氣溫低、濕度大,因此冬季北疆線路較其他線路更容易造成氣路控制箱結(jié)冰,得出冬季北疆運(yùn)行線路低溫、大濕度是氣路控制箱結(jié)冰的外部原因。

圖2 冬季極端低溫分布

圖3 冬季相對(duì)濕度分布

2.2 雙塔干燥器邏輯分析及改進(jìn)

雙塔干燥器是動(dòng)車(chē)組的重要部件,能使壓縮空氣的含濕量降至極低,可防止因壓縮空氣中的濕氣引起腐蝕和凍結(jié)危險(xiǎn)。當(dāng)干燥器出現(xiàn)故障時(shí)將影響動(dòng)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)及其他用風(fēng)系統(tǒng)的壓縮空氣質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成制動(dòng)系統(tǒng)及其他用風(fēng)系統(tǒng)的故障,存在安全隱患[7]。當(dāng)干燥器出現(xiàn)故障不能有效去除壓縮空氣中的水分時(shí),主供風(fēng)系統(tǒng)輸出的壓縮空氣濕度將會(huì)大于35%,甚至?xí)Y(jié)出水。如果是冬季會(huì)造成管路、設(shè)備凍結(jié),最終導(dǎo)致系統(tǒng)性故障[8],影響動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全。

動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)空壓機(jī)采用延時(shí)工作模式,空壓機(jī)工作過(guò)程有打風(fēng)與空轉(zhuǎn)兩個(gè)工況。檢查發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)工況時(shí)干燥器A、B干燥塔并未停止轉(zhuǎn)換,仍按固定周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換。分析控制邏輯發(fā)現(xiàn)干燥器啟停由空壓機(jī)接觸器輔助觸點(diǎn)控制,既干燥器啟停與空壓機(jī)啟停同步,而非與空壓機(jī)打風(fēng)同步。由于動(dòng)車(chē)組耗風(fēng)的不確定性,造成空壓機(jī)從空轉(zhuǎn)工況向打風(fēng)工況轉(zhuǎn)換的時(shí)間不確定,從而導(dǎo)致干燥器啟停與空壓機(jī)打風(fēng)不同步。這種不同步會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)打風(fēng)工況時(shí),投入干燥功能的干燥塔為未完成再生的干燥塔,因此干燥功能會(huì)大幅減弱,干燥劑處于潮濕狀態(tài)(圖4),從而使未完全干燥的總風(fēng)輸入拖車(chē),冬季低溫時(shí)在氣路控制箱內(nèi)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,影響塞拉門(mén)、空氣彈簧、集便器的正常使用。

圖4 干燥器潮濕

因此需要對(duì)干燥器控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化,確保干燥器啟停與空壓機(jī)打風(fēng)工況同步,干燥器啟停由空壓機(jī)接觸器輔助觸點(diǎn)控制優(yōu)化為由空壓機(jī)卸荷閥狀態(tài)控制繼電器控制,實(shí)現(xiàn)干燥器啟停與空壓機(jī)打風(fēng)保持同步,避免空壓機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)該干燥塔未完成再生過(guò)程,而連續(xù)進(jìn)入工作狀態(tài)過(guò)程。

2.3 供風(fēng)管路分析及改進(jìn)

冬季北疆的精伊霍線、奎北線相對(duì)濕度為50%～80%,均大于35%的要求,因此冬季干燥器相對(duì)其他季節(jié)比較重要。干燥器正常工作時(shí),在環(huán)境溫度不低于-36.7 ℃(壓力露點(diǎn)溫度)的情況下,經(jīng)過(guò)干燥器干燥清潔處理后的壓縮空氣在管路中不會(huì)析出液態(tài)水。當(dāng)溫度繼續(xù)降低,低于-36.7 ℃以下時(shí),管路中就可能會(huì)析出液態(tài)水,然而新疆冬季最低溫度可能下降至-50 ℃,但析出的水分也很少,現(xiàn)有的風(fēng)源設(shè)計(jì)完全能滿足實(shí)際運(yùn)用需要,因此在干燥器工作正常時(shí)可以滿足要求[9]。當(dāng)干燥器的干燥性能受到影響,空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣中含油量超標(biāo)、電磁閥等故障時(shí),干燥劑性能降低,壓力露點(diǎn)溫度會(huì)升高,因此需要通過(guò)拖車(chē)汽水分離器(圖5)在氣路控制箱之前的管路、風(fēng)缸、水汽分離器使水分盡量多的析出,避免水分在氣路控制箱內(nèi)部析出。由于氣路控制箱內(nèi)部止回閥通路直徑小于總風(fēng)管直徑,一旦有水析出逐漸會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,進(jìn)而堵塞通路,造成塞拉門(mén)、空氣彈簧等無(wú)風(fēng)源的嚴(yán)重故障。文獻(xiàn)[10]研究表明,來(lái)自空壓機(jī)的壓縮空氣首先經(jīng)冷卻器冷卻降溫,能分離一部分液態(tài)油、水。檢查發(fā)現(xiàn)拖車(chē)供風(fēng)管路取點(diǎn)在總風(fēng)缸Ⅰ之前(圖6),空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣直接流向拖車(chē)用風(fēng)設(shè)備,未經(jīng)過(guò)總風(fēng)缸Ⅰ。為了降低壓縮空氣的溫度,盡早達(dá)到壓力露點(diǎn)溫度,使得水在控制箱之前析出,將供風(fēng)管路取點(diǎn)由總風(fēng)缸Ⅰ前改為總風(fēng)缸Ⅰ后,如圖7所示,利用總風(fēng)缸Ⅰ起到一定程度的降溫作用,同時(shí)加強(qiáng)了總風(fēng)缸Ⅰ壓縮空氣的流動(dòng)性。

圖5 拖車(chē)汽水分離器原理

A07—安全閥;A06—逆止閥;

圖7 優(yōu)化后拖車(chē)供風(fēng)管路取點(diǎn)

3 冬季運(yùn)用維修優(yōu)化

3.1 冬季排水作業(yè)

夜晚溫度下降后,總風(fēng)缸中會(huì)析出液態(tài)水,進(jìn)而結(jié)冰堵住排水塞門(mén)[11],動(dòng)車(chē)組入庫(kù)進(jìn)行D1修作業(yè)時(shí),在有壓縮空氣的情況下進(jìn)行動(dòng)力車(chē)的總風(fēng)缸Ⅰ、總風(fēng)缸Ⅱ(圖8)排水作業(yè);在有壓縮空氣的情況下使用三角鑰匙打開(kāi)拖車(chē)總風(fēng)缸(圖9)及拖車(chē)汽水分離器(圖10)排水閥進(jìn)行排水作業(yè);對(duì)干燥塔采用手動(dòng)方式按下干燥器控制器面板下方黃色左、右排水按鈕各2～3 s(圖11),手動(dòng)驅(qū)動(dòng)電磁閥排水,防止其凍結(jié)。在外長(zhǎng)期停留的動(dòng)車(chē)組應(yīng)先進(jìn)行排水作業(yè)后安排長(zhǎng)期停放。

圖8 動(dòng)力車(chē)總風(fēng)缸

圖9 拖車(chē)總風(fēng)缸

圖10 拖車(chē)汽水分離器

3.2 干燥器檢查

對(duì)于干燥器來(lái)說(shuō),環(huán)境因素是影響干燥器性能的一個(gè)很大因素,比如因嚴(yán)寒天氣造成干燥器露點(diǎn)溫度降低,空氣濕度較大引起干燥器負(fù)荷較大[12],在實(shí)際運(yùn)用中,有時(shí)風(fēng)源系統(tǒng)可能有多個(gè)故障同時(shí)出現(xiàn),需仔細(xì)觀察,查明原因,逐個(gè)排除[13]。

首先,在排水作業(yè)中水較多時(shí),需要對(duì)干燥器的工作狀態(tài)及干燥器內(nèi)部的干燥劑進(jìn)行檢查,同時(shí)對(duì)汽水分離器進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)干燥塔干燥劑不飽滿,有破損現(xiàn)象時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換;其次,冬季在外溫-20 ℃左右時(shí)需要對(duì)配屬動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)后第1輛拖車(chē)氣路控制箱進(jìn)行拆解檢查,對(duì)有結(jié)冰跡象的動(dòng)車(chē)組查明原因,對(duì)易結(jié)冰的動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組可安排在南疆相對(duì)濕度較低的線路上運(yùn)行;最后,干燥器常見(jiàn)的故障有空壓機(jī)卸載壓力開(kāi)關(guān)故障,干燥器活塞閥故障,干燥器溫控開(kāi)關(guān)、控制電路、電磁閥等故障,在D1修時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)雙塔干燥器的檢查,確保干燥器功能正常。

3.3 應(yīng)急措施

動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組氣路控制箱結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致空氣彈簧無(wú)風(fēng),影響運(yùn)輸組織及動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全,需要限速120 km/h。當(dāng)牽引風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至50 Hz時(shí),溫差迅速縮小,且空壓機(jī)2油溫下降明顯[14],對(duì)不同模式下空壓機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度進(jìn)行了測(cè)量,數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同工況下空壓機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度 ℃

通過(guò)表1分析可得APU1模式為50 Hz,空壓機(jī)2排風(fēng)模式、機(jī)牽引通風(fēng)旁通模式均為夏季模式時(shí),空壓機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度相對(duì)較低。因此冬季在北疆運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組,出現(xiàn)干燥塔故障無(wú)法工作時(shí),為了使壓縮空氣壓力露點(diǎn)溫度在控制箱前出現(xiàn)并析出水分,應(yīng)將牽引風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至50 Hz,空壓機(jī)2排風(fēng)模式、機(jī)牽引通風(fēng)旁通模式調(diào)整為夏季模式以降低壓縮空氣溫度,并在折返站停留期間對(duì)總風(fēng)缸Ⅰ、總風(fēng)缸Ⅱ、拖車(chē)總風(fēng)缸、汽水分離器進(jìn)行排水作業(yè),同時(shí)檢查空氣彈簧、塞拉門(mén)及集便器等用風(fēng)設(shè)備。

4 結(jié)論

本文針對(duì)CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組在新疆冬季高寒、大濕度環(huán)境下多發(fā)的氣路控制箱結(jié)冰問(wèn)題,從制動(dòng)系統(tǒng)工作原理、制動(dòng)管路、干燥塔邏輯、運(yùn)用維修方面進(jìn)行了分析以及優(yōu)化改進(jìn),得出以下結(jié)論:

(1) 北疆線路冬季高寒、濕度大是氣路控制箱結(jié)冰問(wèn)題產(chǎn)生的外部氣象原因。

(2) 拖車(chē)供風(fēng)管路取點(diǎn)未經(jīng)過(guò)動(dòng)力車(chē)總風(fēng)缸Ⅰ,空氣壓力未得到有效的冷凝,使得水蒸汽進(jìn)入拖車(chē)控制箱內(nèi)結(jié)冰,針對(duì)此問(wèn)題,對(duì)供風(fēng)管路取點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化,使壓縮空氣經(jīng)過(guò)動(dòng)力車(chē)總風(fēng)缸Ⅰ進(jìn)行冷凝。

(3) 空壓機(jī)打風(fēng)與干燥器啟停不同步,空壓機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)該干燥器的干燥塔未完成再生,干燥功能大幅減弱,通過(guò)空壓機(jī)卸荷閥的狀態(tài)控制繼電器,可實(shí)現(xiàn)干燥器啟停與空壓機(jī)打風(fēng)保持同步。

(4) 在D1修對(duì)動(dòng)力車(chē)總風(fēng)缸Ⅰ、總風(fēng)缸Ⅱ、干燥塔及拖車(chē)的汽水分離器、總風(fēng)缸進(jìn)行排水作業(yè),發(fā)現(xiàn)排水量較多時(shí),對(duì)氣路控制箱止回閥及干燥塔進(jìn)行拆解檢查。

(5) 冬季北疆運(yùn)行的動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組發(fā)生干燥塔故障時(shí),應(yīng)將牽引風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至50 Hz,空壓機(jī)2排風(fēng)模式、機(jī)牽引通風(fēng)旁通模式調(diào)整為夏季模式,并在折返站進(jìn)行排水作業(yè)。

(6) 通過(guò)對(duì)CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組氣路控制箱結(jié)冰進(jìn)行分析及改進(jìn),有效地抑制了氣路控制箱結(jié)冰問(wèn)題,改進(jìn)后未發(fā)生氣路控制箱結(jié)冰造成塞拉門(mén)、集便器、空氣彈簧無(wú)風(fēng)的故障,有效地保證了動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全。