HXD1机车风源系统自动除水除油装置的研究

2012-11-27曹记胜王俊勇

铁道机车车辆 2012年4期

曹记胜，冀彬，王俊勇

（1 太原铁路局机务处，山西太原030013；2 西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

机车风源系统是机车空气管路与制动系统的基础，它为机车车辆制动系统及全列车气动辅助装置提供连续的、稳定的、洁净的压缩空气。HXD1型大功率交流传动电力机车是铁道部为大秦铁路重载运煤专线技术引进的8轴重联机车，经过长时间的运用和检修，发现HXD1型电力机车风源及净化装置的除水除油效果不太理想，曾多次造成机车制动系统电子电气部件故障和TCU模块故障，严重影响HXD1型机车运行安全。同时，由于司机乘务员采用手动方式排油，从而导致机械间内的环境卫生较差。因此，研制开发用于HXD1型电力机车风源及净化装置的自动除水除油装置，对确保大秦线2万t重载组合列车运输安全具有重要意义。

1 机车风源系统自动除水除油装置的研制前提

制动系统是大秦线2万t重载组合列车的核心关键部件，压缩空气的质量直接影响机车制动系统的作用可靠性，并进而影响大秦线运输安全，根据ISO 8573-1标准，压缩空气质量等级标准如下所述：

（1）固体颗粒2级：含尘≤1μm；固体颗粒3级：含尘≤5μm；

（2）水1级即压力露点：-70℃；水2级即压力露点：-40℃；水3级即压力露点：-20℃；水4级即压力露点：+3℃；

（3）油2级：含油≤0.1mg／m3；油3级：含油≤1 mg／m3；油4级：含油≤6mg／m3，即含油≤5ppm（1 ppm约等于1.2mg／m3）。

而高速动车组和铁路机车对于风源空气质量的要求分别是2-2-2级和2-2-3级。对于HXD1型电力机车风源的空气质量，目前只能达到3-4-4级。即压缩空气中含水含油比例较高，因此带来了如下严重问题：

①TCU模块故障较多；

②机车制动系统的制动缓解电磁阀、总风遮断电磁阀、紧急电磁阀、隔离电磁阀、压力开关、EBV自动制动阀等电气部件故障较多。

如图1所示制动系统内部的主要部件拆解后发现有积水现象，自2008年HXD1型电力机车在大秦线批量上线运用以来，到2009年上半年，因压缩空气含油、水汽较高，造成了许多起安全运用事故，主要集中在TCU模块和制动系统电气部件故障方面，这就给大秦线2万t重载组合列车运输安全带来严重不利影响。

图1 HXD1制动模块故障后的拆解图

2 设计目标与原则

2.1 设计原则

一般条件下，机车风源及净化装置由螺杆式空气压缩机和双塔式空气干燥器组成，没有安装自动除水除油装置。HXD1型电力机车压缩空气质量，经压缩机出口后可达到ISO 8573-1标准的3-4-4级；经干燥器出口后可达到3-3-4级。

机车空气干燥器的吸附剂一般只能净化水蒸气和少部分的水滴，不可能净化压缩空气中油、水。因此，机车运用时间如果超过1年，机车空气干燥器的吸附剂容易被压缩机产出的油污染，从而导致吸附剂失效。所以需要在干燥器之前压缩机出口之后增加一个有效降低压缩空气水、油含量的设备以提高干燥剂使用寿命，并保证干燥器出口的空气质量。

2.2 系统目标功能要求及描述

针对前面所述的该特殊工况设计，该自动除水除油装置主要包含水过滤器WSDR25和除油过滤装置PDR60组成，完成主要的除水除油功能，同时由DC 110V12W电磁阀完成过滤器的周期排空，其排空周期与干燥器的双塔切换周期一致，其中 WSDR25过滤器的基本参数如下：

另外考虑到低温运行环境，增加AC 220V30W PTC板式加热电阻片用于电磁阀的加热，整个系统的工作循环及控制方式统一由装置的控制器控制。所以整个除水除油装置的控制与空气干燥器相配合，按一定的时序顺序工作。当环境温度下降到接近冰点时，控制器会自动向除水除油装置上的PTC板式加热板供电进行加热，从而防止设备结冰。原理图如图2所示。

图2 自动除水除油装置原理图

根据设计要求，除水除油装置作为压缩机组、空气干燥器的配套系统，它要按一定的时序要求配合空气干燥器进行工作，其时序要求如图3所示。因此除水除油装置上电磁阀的工作应接受空气干燥器的A、B塔电空阀的控制。

图3 自动除水除油装置工作时序图（横轴为时间s）

该系统使用CYS-B型自动除水除油装置控制器控制，与空气干燥器相配合，利用干燥器两塔之间电磁阀切换得失电作为触发信号，控制器内部则根据此控制信号激活排水排油电磁阀得电排空；其工作循环过程为：当干燥器A塔吸附工作时，塔内压力保持在750～950 kPa，此时B塔再生脱附（排大气），B塔内压力排空至0 kPa，时间为70s；然后干燥器进入保压阶段，在这段时间内A塔和B塔需10s时间来建立压力平衡，进行柔性转换；在此10s的间隙，自动除水除油装置的启动2s激活电磁阀自动排出螺杆压缩机出口压缩空气中的油和水。继而在转换至干燥器B塔吸附工作时，A塔再生脱附（排大气），同样的工作循环，并且在其循环周期内自动除水除油装置同样开启电磁阀2s时间，自动排出螺杆压缩机出口压缩空气中的油和水。周而往复，循环工作。

当打开控制器的电源开关后，除水除油装置的DC 110V12W电磁阀处于失电状态。根据时序图的要求，每当空气干燥器A、B塔两个排气电空阀中的某一个电空阀的线圈上的电压由DC 110V降至0V时，其信号通过输入电缆传递给控制器，在经过4s的延迟后，除水除油装置的DC 110V12W电空阀将得电2s，然后又恢复失电，直到下一个循环。考虑到电磁阀的使用寿命，该系统采取了常闭类型电磁阀，这样就缩短了电磁阀的带电时间，延长使用寿命。

3 装机试验及验证效果

3.1 装车试验情况

国内目前大部分机车的风源系统没有除水除油过滤装置，空压机提供给干燥器的压缩空气总会有一定量的液态油、水混合物、油的气溶胶、油雾和一些尘埃等固态杂质等，2010-06-02在太原铁路局湖东电力机务段HXD10104机车上安装2套自动除水除油装置用以对比验证，在空压机与干燥器之间增加除水除油过滤装置后的位置及组成原理图见图4框内部分所示。

图4 加装自动除水除油装置的风源示意图（红框内）

3.2 装车试验结果

结果显示空压机出口压缩空气中的液态油、水与大颗粒水、尘埃杂质由除水过滤器通过旋风式气液分离法分离出来并排除，而油、水及其气溶胶、油雾、固体微粒、微生物等则由凝聚式高效除油过滤器过滤并排除，进入干燥器的压缩空气除水蒸气外几无其他杂质，干燥器的干燥能力充分发挥出来，干燥器出口的压缩空气质量得到较大幅度的提高；空气质量达到了2-2-3级的标准。装机时测试其空压机组排气压力750～1 000kPa状态下，过滤器前压缩空气含水含油量为4.3，4mg／m3，过滤器后为0.33，0.19mg／m3，显著改善压缩空气质量。在该装置运用1年后，2011-09-07再次测试过滤器前后压缩空气含油量，过滤器前为3.9，4.1mg／m3，过滤器后为0.38，0.21mg／m3。验证了该自动除水除油装置工作平稳，性能可靠；达到了设计要求，使得经干燥器出口的压缩空气质量达到ISO 8573-1标准2-2-3等级。