双塔式空气干燥装置在城轨车辆上的应用

王海峰

(大连公交客运集团有限公司 金马快轨运营分公司车辆段，辽宁 大连 116000)*

0 引言

据统计，北京、上海、广州、南京、深圳等地铁公司的城轨车辆都曾发生过由于空气压缩系统中的水汽过量导致的制动系统设备腐蚀以及过度磨损，没有什么有效的预防措施.因此制动系统管路中的水汽含量超标已成为城轨车辆运营早期影响车辆正常运营的重要问题［1］.对其进行分析研究，探讨解决方法，对保证城轨车辆的正常运营、降低维护成本非常重要.本文所描述的KNORR LTZ型双塔式空气干燥装置目前应用于大连快轨3号线及延伸线的所有城轨车辆上，其在正常的使用状态中能够将制动系统管路中的压缩空气干燥至其残余水分可以忽略不计的水平.但是不当的使用或缺乏较好的维护，仍然会出现水汽超标的现象.因此本文以大连快轨3号线多年的运营经验对此套干燥装置的运用进行了评论，以及其日常的故障和维护进行了分析.

1 水汽在制动系统中的形成与危害

大气中总是含有水蒸汽.只要水气以水蒸汽的形式存在，它就肯定在空气中.只有在超出饱和度极限 (=100%相对湿度)时，水气会凝结为以水滴、雾或雪.

图1显示了饱和度如何随温度的变化而变化，空气会随着温度的上升而吸收更多的水分.这说明为什么在压缩的过程中没有水分凝结，因为空压机中的空气温度高于某一水平.只有当空压机中出来空气再次在中冷器中冷却下来后凝结才会发生.

图1 饱和度与温度的关系

如图1，对空气压缩机吸入的空气进行一下分析.当环境温度为+30℃、相对湿度为80%时，吸入1 m3的空气中便会含有一定量以水蒸汽形式存在的水.然而当吸入的空气被压缩至压力为105Pa时，1 m3的空气中的含水量便会增加10倍.空气温度随着压力的增高而升高.当空气温度再冷却至50℃时，处于饱和状态的空气中的水蒸汽含量便会降低至图1中的标准，这就是说有近大半的的水分被冷凝出来.但据图1所示，仍然会有少半的水以水蒸气的形式存在于压缩空气当中.

上述阐述可以很清楚的表明压缩空气系统中的空气在冷却后总是饱和的.因此，因自然冷却而使温度再度下降会使水分冷凝出来.然而即使空气在空压机中得到很好的冷却，并且除去了产生的冷凝水，在压缩空气系统中仍有相当一部分水以水蒸汽的形式继续存在，相应地就会出现设备发生腐蚀和冻结等相关的问题.

2 双塔式空气干燥装置的应用

通过国外轨道交通部门长期的运营经验验证，如果将系统中的空气干燥到相对湿度低于35%的范围内，制动系统中的压缩空气便可以有效而可靠地工作.低于这个“临界湿度”水平以下，即使空气中含有少量的腐蚀刺激性物质——如酸，也不太可能会发生设备的腐蚀.

KNORR双塔式空气干燥装置采用无热再生式吸附原理，可以将空气干燥到相对湿度低于35%的范围内，并且通过国内多家轨道公司的运营经验验证，该干燥装置在轨道车辆上尤为可靠，同时也是最经济的.

其工作原理主要以一系列物理过程为基础:潮湿的压缩空气流经晶体金属铝硅酸盐干燥剂，这些干燥剂凭借其超大而特殊的内表面的分子结构，从经过的空气中抽取水分.然而它只允许吸附水分子，而较大的油分子不能一并吸附.所以需要在空气系统中另行采用滤油器.

3 KNORR双塔式空气干燥装置

LTZ型双塔式空气干燥装置有两种型式，一种是 LTZOl5..型，不带加热器;另一种是 LTZOl5..H型，带加热器.这两种型式的干燥装置在干燥塔的尺寸和再生缩口的直径上有所区别，因此它们可以更广泛地与各种可能的工作工况相匹配.

3.1 简要结构介绍

LTZ型双塔式空气干燥装置的主要部件有:

两个干燥塔，每个上面都装有油水分离器;支架;排污用消音器的双鞲鞴阀;电磁阀和一块用于周期定时的电子板.

每个干燥塔有一个压力指示器显示其工作状态.例如，当左塔有压力时(即在其干燥阶段)，一个红色的指针在左压力指示器上显示.当压力卸载后(即当干燥塔处于其再生阶段)，指针自动复位.

3.2 工作原理及周期定时

(1)工作原理

双塔式无热再生吸附装置同时在两个阶段工作，即干燥和再生同时进行.在一个塔内干燥主气流的同时另一个塔内的干燥剂进行再生.

来自空压机的潮湿压缩空气进入干燥器，在那里首先将冷凝的水和油送给油水分离器.随后通过含有吸附式干燥剂的塔，很多水分被吸走，在空气干燥器的出口主气流的相对湿度≤35%.干燥过的一部分空气从主气流中分流出来，经过再生缩口膨胀然后经过第二个塔中的饱和干燥剂排至大气.经膨胀而彻底被干燥的空气从第二个塔中需要再生的干燥剂中吸走上一干燥阶段吸附的水气.在这种情况下，主气流在塔内干燥，干燥剂在塔内再生.

(2)周期定时

双塔式干燥装置有自己固定的控制装置，控制装置中有一块用于记录两个干燥塔工作周期转换的电子板，电子板主要由周期定时器构成.图2显示了周期定时和不同的工作阶段.周期定时器通过车辆硬线与空压机在同一时间接通110VDC控制电源.此时电子板内部根据固定的程序控制电磁阀的开关时间，进而控制两个干燥塔工作周期的转换.图4中的T=4 min，因此每隔2 min应能听到电磁阀的交替动作声.每到第二次转换时，应有一股短促的气流从排气口排出，带出鞲鞴阀内存积的水分.

图2 一个工作周期图

当空压机关闭或空转时，周期定时器会自己判断记录空压机实际工作状态，并在空压机再一次接通时继续计时.这样，干燥装置可以保证无论上一阶段空压机工作终止于何阶段，在下一阶段将要再生的干燥剂可以完全被干燥，并且干燥剂重新位于任何工作周期都不会过饱和.空气干燥装置是这样控制的，如果转换装置发生故障，仍可以通过其中的一个干燥塔提供压缩空气.但此状态如果长时间持续，一直工作的干燥塔内的干燥剂将过饱和并且失效.干燥装置将不再能保证系统内得到标准的干燥压缩空气.

4 干燥器常见故障分析

4.1 排污口大量排气

KNORR LTZ型双塔式空气干燥装置主要机械部分由2个空气干燥塔及一个用于执行双塔工作周期转换功能的鞲鞴阀，该装置本身机械结构整体可靠.但当鞲鞴阀内用于执行周期转换的双鞲鞴阀的阀座脏污或损坏，或阀座的橡胶密封圈破损时，鞲鞴阀下面的排污排气口将出现大量排气且不止的情况.初期故障时，检修人员对出现此故障的鞲鞴阀进行拆解后发现，均为鞲鞴阀阀座橡胶老化破损造成漏气.如图3(a)显示为正常阀座，图3(b)为阀座橡胶破损后的阀座.

图3 阀座示意图

经过大连快轨3号线及其续建线经过近10年的运营经验总结，共计更换过几十个鞲鞴阀阀座，经过分析主要与该阀座频繁转换动作造成，生产商KNORR公司也对此故障现象进行了分析，并准备研发更适合此阀座的阀头橡胶进行替换.

4.2 双塔工作周期自动转换功能故障

以下情况可能会导致双塔工作周期自动转换功能故障:①干燥塔装置中用于周期定时的电子板故障;②电磁阀故障;③与周期定时器相连的控制电路硬线故障;④用于执行转换的双鞲鞴阀内部机械故障.

干燥塔自动周期转换功能故障后，将只有一个干燥塔处于工作周期内，干燥剂将不再进入再生周期，长期持续后，干燥剂将失效，进而导致干燥装置无法有效控制系统内压缩空气中的含水量.经过检查会发现有大量的水积存在总风缸内，此时必须彻底排空总风缸里的水，水中夹杂着已经失效的干燥剂.如下图.打开总风缸后部的滤油器会发现，红色的海绵体滤芯已完全被水浸泡，并已失去滤油功能.

当双塔式干燥装置出现上述故障后，整个制动系统内水蒸气的含量便会严重超标，随之带来的就是各种设备提前腐蚀的恶劣后果.图4为基础制动装置(单元制动机)内部部件的水腐蚀情况，严重影响了制动系统的正常使用性能.

图4 制动装置内部部件水腐蚀图

4.3 有关干燥剂常态的问题

在干燥装置出现上述故障后，随之可能伴随的就是干燥剂失效的问题，在通常良好的状态下，干燥剂的寿命实际上是比较长的.一般在车辆进行100万km大修时更换干燥剂便已能满足系统要求.但是，下列情况会导致干燥剂常态失效，需要进行处置.

(1)如果因空气干燥装置故障，如周期定时短时间故障而使干燥剂过饱和，那么无需更换干燥剂.只要装置再一次开始正常工作，干燥剂便会自动再生.根据过饱和的程度，装置会耗费几个小时，由空压机传送空气，进行反复再生，直到它完全恢复为止;

(2)如果干燥剂已过饱和，干燥装置再一次正常运转时消音器的排水口有白色沉淀存在，那么必须更换干燥剂;

(3)因脏污或机油导致干燥剂被严重污染，那么需要根据系统内干燥压缩空气的标准来判断，即比预定的时间早一些更换干燥剂.

以上所有项目的干燥剂更换后，空气干燥器再次运行前，总风缸必须排尽水分并干燥.

4.4 干燥装置的日常维护

经过上述分析，可以清楚的看到水汽在制动系统内的成因以及无法除去带来的恶劣后果，因此为了确保系统能得到标准的干燥压缩空气，我们必须加强对干燥装置的维护.

说起对空气干燥装置的维护，应当从制动系统内水蒸汽含量的监测做起，正所谓防患于未然［2-3］.目前行业内部比较主流的监测手段为检查系统内的气压露点.通过气压露点值来判断系统内的压缩空气干燥程度是否符合标准.进而可以判断空气干燥装置是否处于正常的工作状态.

检查气压露点我们通常使用特定的测量工具气压露点计，用一个气压露点计可以精确监控空气干燥装置使其正确运转.在正常外界温度下，露点读数必须低于35%相对湿度的极限值(见图5).

图5 气压露点、环境温度和相对湿度之间的关系

大连快轨车辆段在每年冬季来临之前，都会使用气压露点计测量气压露点，进而测试空气干燥装置，车辆段目前采用的测量方法如图6.

图6 测量气压露点

我们会不定期对车辆制动系统的气压露点值进行抽查，看是否处于标准值内.另外定期检查干燥器工作是否正常(须检查周期定时器、检查总风缸里是否有水、检查消音器上的排污口有无堵塞及漏气.在每次霜冻天气来临之前，也必须检查空气干燥装置的双鞲鞴阀转换工作是否正常.

5 结论

制动系统管路中的水蒸气含量超标已成为影响城轨车辆正常运用的重要问题.大连作为一座沿海城市，空气湿度较内地其他城市要大，因此开展相关技术研究，提高空气干燥装置性能，对降低压缩空气中水含量、改善车辆运行品质、降低使用维护费用等具有更为重要及深远的意义.

［1］樊贵新，曹忠林，李学峰.城轨车辆国产制动系统的研制及应用［J］.现代城市轨道交通，2007(6):34-39.

［2］张桂华，舒同泰.货车车轮踏面擦伤问题的分析［J］.铁道车辆，2010(5):32-34.

［3］王晓东.广州地铁4号线地铁车辆制动系统［J］.铁道车辆，2010(11):18-22.