HXD2B 型电力机车升弓管路冻结原因分析及防治措施

王海元 中国铁路上海局集团有限公司南京东机务段

1 前言

南京东机务段共配属HXD2B 型机车124 台，主要担当京沪线货运运输任务，且与济南西机务段实行长交路跨局轮乘。由于该型机车轮乘的部分区段处于北方寒冷地段，冬季气温较低，尤其冰冻雨雪等恶劣天气下极限气温可以达到零下150C 以下，给HXD2B 型机车防寒工作带来严峻考验。近两年，北方出现极端恶劣天气，由于我段前期防寒工作预想不充分，导致在蚌埠折返点、徐州北库内停留的部分HXD2B 机车出现升弓风路逆止阀冻结，受电弓无法升起的故障，造成机车短期内供应不足，严重干扰了运输秩序。

2 升弓空气管路阀件冻结原因分析

受电弓气路系统由升弓电磁阀、空气过滤器、单向节流阀、精密调压阀、压力表、安全阀、车内空气连接管、气囊、快速排气阀、ADD 关闭阀、ADD 试验阀等部件组成，如图1 所示。受电弓升弓时，电磁阀得电，气路打开，压缩空气通过电控阀,经过滤器、单向节流阀、精密调压阀、反向安装的单向节流阀、安全阀、通过管路到达车顶、白色绝缘管、进入受电弓升弓装置。一路向气囊冲气，同时另一路向受电弓碳滑板器气腔充风，当气囊内气压达到一定压力时，气囊膨胀变形带动钢丝绳，钢丝绳再带动下臂杆运动，下臂杆在拉杆的协助下托起上臂杆及弓头，弓头在平衡杆的作用下，在工作高度范围内始终保持水平状态，整个升弓过程在规定的时间内完成。具体升弓气路原理见图1。

图1 受电弓气路原理图

其中精密调压阀用于调节受电弓接触压力，输出压力恒定的压缩空气，其精度偏差为±0.002 MPa。单向节流阀用于调节升弓时间，调节旋转扭，向上转动，过风量减小则受电弓运动减慢，反之加快。反向安装的单向节流阀用于调节降弓时间。如果精密调压阀出现故障，安全阀会起到保护气路的作用。上述阀件是升弓气路的关键环节，其性能好坏直接决定能否正常升弓。

众所周知，升弓气路阀件冻结需要具备两个必要条件：一是环境温度必须持续零度以下。二是升弓气路中含有水分，且水分含量达到某一临界值。由于外部环境温度属于自然现象，无法干预。因此升弓气路中为何会出现水分以及如何消除或者减少水分，才是我们需要研究的课题。

2.1 升弓管路系统没有采用防寒措施

目前我段HXD2B 型电力机车空气管路系统防寒措施主要还是参照内燃机车冬季防寒包扎要求，对机车外部空气管路及各主要阀件用防寒保温材料进行包扎，但对机车升弓空气管路系统未采取任何防寒措施。主要原因是考虑到HXD2B 型电力机车升弓气路大部分集中在机械间内，机车运行时由于大多数电器元件发热，通过利用冬夏季可调节的通风系统将发热部件产生的热量保留在机械间内，所以机械间内部温度是普遍高于车体外部的，并且机车正常运行时由主压缩机供风，风源经过干燥处理，含水分相对较少，所以一般情况下（非极寒天气），机车正常运行时是不会发生升弓气路阀件冻结问题。

2.2 螺杆式空气压缩机系统性能问题

自然界中的空气中通常含有水蒸气，空气与水蒸气的混合物称为湿空气。湿空气在一定压力下有其露点温度，所谓露点温度就是该空气在压力不变情况下被冷却，湿空气中水蒸气以小水珠形式析出时的温度。不同的压力下，湿空气的露点温度是不同的，比如在一个大气压，湿空气的露点可以查“湿空气焓湿图”得到，而压缩后空气其露点是提高的。比如湿空气在大气压下的露点为10℃，那么被压缩后其露点温度是随压力上升而上升的，有可能达到40℃-50℃。

由于HXD2B 型电力机车采用螺杆式压缩机供风，出口温度设计为仅高于环境温度10-15℃，均小于不同环境温度下的压力露点及压力露点与环境温度差，冷却管内一定会产生凝结水；再加上冷却管对压缩空气的降温作用，冷却管中的凝结水会随着压缩空气的流动而增加。一般情况下，凝结水会随着压缩空气进入干燥器处理掉，但是由于干燥器指标的选择及干燥器本身质量问题，凝结水不容易全部处理干净，残留的凝结水会随风管路流通。一旦发生极寒天气，压缩空气与管路温度长期处于0℃以下，那么残留的凝结水就会结冰，久而久之，冰块越来越大，最终将升弓风管路及相关阀件冻结。

2.3 辅助供风管路设计问题

HXD2B 型电力机车除了主压缩机产生压缩空气外，还有一个专供升弓与合闸使用的辅助压缩机组。一般情况下，辅助压缩机工作频次较低，仅在少数升弓合闸时使用，其产生的压缩空气未经过干燥净化处理，直接进入升弓管路。随着温度降低，压缩空气中会有凝结水析出，并容易集结在升弓管路中的逆止阀、调压阀等处。同时由于升弓管路逆止阀在干燥器前端，干燥器排水的同时也会有部分水汽逆流到逆止阀，进而造成逆止阀周围水含量增多，在低温环境下极易引发逆止阀、调压阀冻结，无法正常升弓。

3 升弓管路冻结防治措施

综合上述HXD2B 型机车空气压缩机工作原理、干燥器指标选择以及冷凝水形成条件等因素，受电弓供风管路中易出现冷凝水是不可避免的。因此在实际应用中，为防止受电弓供风管路冻结，一方面可以考虑尽量减少压缩空气中冷凝水的残留；另一方面可以通过采取加装电热带形式，提升管路温度达到0℃以上，并持续处于保温状态。

3.1 干燥器干燥指标的选择

前面介绍了湿空气基本概念及压缩空气中凝结水的产生原因。这些凝结水一般随着压缩空气进入干燥器进行干燥净化处理，一旦干燥器干燥效果不理想，那么相对空气湿度及温度较高的压缩空气将直接进入升弓管路中，随着温度降低，冷凝水析出，从而引发管路冻结情况发生。因此首先要确定合理方案提高干燥器干燥能力。根据国际经验，只要压缩空气的相对湿度（压力状态下）全部控制到低于35%，使用压缩空气系统（含设备与管路）将不会出现锈蚀与腐蚀，更不会出现凝结水结冰的现象，基本能满足压缩空气系统高效可靠的运行。所以压缩空气的相对湿度控制在35%以下，就是我们机车空气管路系统对压缩空气干燥质量的基本要求。

目前，HXD2B 型车采用双塔型的再生式空气干燥器（北京赛德JKG2 型双塔空气干燥器），其吸附剂（干燥剂）通常使用粒状或者球状的硅胶、活性氧化铝（Al2O3），由吸附剂（干燥剂）吸附压缩空气中的水分，又在循环的基础上不断的把水分从吸附剂（干燥剂）中去除。

干燥筒内的吸附剂（干燥剂）因受吸附能力及装填容积的影响，输出的经干燥处理后的压缩空气的相对湿度从低于1%开始，随吸附时间增加，其相对湿度会逐渐提高。控制干燥筒的吸附时间，就可以控制其输出压缩空气的相对湿度。但空气干燥器处理后输出的压缩空气的相对湿度取值多少为好，不能简单定为不大于35%。因为假设输出的压缩空气相对湿度不大于35%，但其温度高于环境温度，压缩空气会由于自然冷却而降温，其最终相对湿度肯定大于35%。所以空气干燥器输出的压缩空气的相对湿度（控制指标）或者干燥筒的吸附时间，一定要考虑干燥器输出压缩空气温度与环境温度的温差；当然还要考虑处理压缩空气的压力与流量计吸附剂（干燥剂）的吸附能力（包括温度对其的影响）等。

空气干燥器采用的吸附剂（干燥剂）的吸附能力与温度的关系，如图2 所示。

从图2 可以看出，随着压缩空气温度的上升，吸附剂（干燥剂）的吸附能力逐渐下降。这就是机车空气干燥器在夏季普遍出现干燥效果下降的根本原因。由于压缩空气温度越高，压缩空气中吸附的水分就越多，而吸附剂（干燥剂）的吸水量与其表面积有关，基本上不随温度而变化，因而在高温情况下，其吸附能力将下降。

图2 吸附剂（干燥剂）的吸附能力与温度的关系

表1 为JKG2 型双塔空气干燥器（硅胶直径为5 mm-8 mm）常温到高温下的干燥效果试验数据。试验中，空气干燥器的转换周期等参数保持不变。试验表明温度上升，空气干燥器干燥效果下降。

表1 JKG2 型空气干燥器不同温度干燥效果

由压缩机输送到空气干燥器处理的压缩空气应尽可能接近环境温度，从而使尽可能多的水分在压缩空气进入空气干燥器前冷却析出，减少吸附剂（干燥剂）的工作负担。但实际上为防止冬季冷却管内结冰，不可能将进入干燥器的压缩空气冷却到与环境温度相同，这就使经空气干燥器处理后的压缩空气与环境温度存在一个温差。所以空气干燥器输出的压缩空气相对湿度的控制指标一定要考虑这一温差。图3 为压缩空气不同温度下的压力露点与相对湿度的关系图，图中相对湿度为35%的曲线是对压缩空气的最终控制目标。如果将上述温差（螺杆式空压机一般为15℃）考虑进去，并保证不同环境温度下的压缩空气干燥效果，则空气干燥器的干燥控制指标应确定为相对湿度5%-8%。当然5%-8%应是压力为900 kPa，温度高于环境温度15℃左右，流量为空气干燥器额定处理量下测得的干燥器出风口处的压缩空气相对湿度值。

图3 压力露点与相对湿度的关系图

3.2 受电弓供风管路加装电热套

根据凝结水易集结在管路弯道、各类阀类部件等处的特点，可以考虑在这些关键部位加装电热套进行加热，使其温度升至冰点以上并保温。加热装置电源采用低压直流电，优先选用蓄电池电源，为防止蓄电池亏电，可以在保证温升效果的前提下，尽可能采用功率较小的加热装置。为防止产生火灾隐患，要求加热装置材料、接线选用阻燃材料，功率不宜过大、温度不宜过高。功率可以设计在不超过30 W，工作电流不到0.3 A，保证加热10 min 能使辅助风路逆止阀温升达到15℃左右，就能快速解决内部冻结问题。

为保证加热装置的正常使用，防止蓄电池发生亏电问题，可以采用电源控制自动保护开关（正负端均能断开隔离），供电延时开关，同时为保证加热装置温度不宜过高，加装温度控制保护开关。在机车防寒期外，只需将加热装置的插头拔下，就能完全拆除，恢复也相当方便。

3.3 受电弓辅助供风通路改进

前面已经讲明HXD2B 型电力机车辅助压缩机组产生的压缩空气未经过干燥净化处理直接进入升弓管路，冬季温度较低时，冷凝水极易结冰进而堵塞升弓合闸管路，影响机车使用。最好能在辅助压缩机后设置一台小型空气干燥器，但从目前国内外电力机车来看，均未采用这一方案。据此，实际运用中可以采取以下措施：

（1）冬季要尽量减少辅助空压机工作时间，以免工作时间超长后压缩空气温度高，凝结水随压缩空气流动降温而出现在升弓通路各阀件处。最好是在辅助风缸内将冷凝水析出，而辅助风缸应串在辅助压缩机输出管路上。

（2）冰冻雨雪恶劣天气下，减少使用辅助压缩机频次，以避免产生水汽而影响后续管路系统。库内停留时间较长机车要及时升弓打温，保证总风风压充足。

（3）减少升弓合闸通路上不必要和重复设置的阀类部件，如受电弓自带有调压阀，升弓管路上没必要再设置。

4 结束语

HXD2B 型电力机车防寒工作经过几年的摸索，目前已经积累一定的经验，为确保机车能在极寒地区更好的运用，减少责任设备故障，建议从优化机车整体布置，提高干燥器冷却效果与可靠性，增加升弓管路除水措施以及加装加热装置等方面考虑机车防寒，并通过进行相关低温试验验证，进一步提高空气管路系统在低温下工作可靠性。