电力机车空气管路系统防寒技术
发表日期：2008年1月30日 【编辑录入：办公室】
防寒技术是确保机车低温工作性能的关键。过去我国电力机车主要在华北及其以南地区运用，最低使用温度一般不到一25℃，随着国产电力机车进入东北地区和乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦等国外市场，这些地区冬季严寒的气候给电力机车正常运用带来了巨大挑战。以哈尔滨地区为例，一月份平均气温为一19．6 oC，极端最低气温可达一42．6 oC。这些用户都明确要求机车应能满足一4o℃(哈萨克斯坦招标机车要求为一5O℃)低温下正常运行，而低温下电力机车空气管路系统因防寒措施不当易出现零部件性能下降、管路及阀件冻结等问题，将严重影响机车的正常运用。
1 空气管路系统防寒历程
最初国产电力机车的防寒是在既有机车的基础上进行防寒处理和改进，以满足低温运行要求，其型号主要有SS4改、SS9和SS9改。由于当时缺乏防寒经验，我们主要针对机车低温下出现的问题，逐步摸索空气管路系统防寒经验，最终使机车满足一40℃低温下正常工作要求。第一阶段的防寒从首批赴东北地区运用的SS4改型机车设计制造阶段开始实施。我们从确保部件的低温性能人手，要求全部装车产品满足一4o℃低温要求，关注的重点是压缩机、干燥器及各阀的密封橡胶件等几项关键部件。此外我们还参照西北地区电力机车的防寒经验，对空气管路系统中影响行车安全的分配阀、中继阀、管道滤尘器等几个重要阀件加包电热套，并借鉴高寒地区内燃机车用布包裹管道防寒的经验，对安装于机车底架上的钢管加包防寒保温材料。该批机车投入东北地区运用后在2001年冬季，空气管路系统出现了一些问题，经统计主要有以下几类：压缩机无法向总风缸充风；升弓管路系统工作不正常，导致机车升弓、合主断困难；干燥器工作异常，如无法正常排污或内部气流通道堵塞；少量制动机阀件冻结卡滞等。针对以上问题，我们实施了第二阶段的防寒，在原来基础上扩大电热套的应用范围，对空气管路系统几乎所有气动阀件加包电热套。考虑到蓄电池的容量，这些电热套分为两类：第一类主要对确保受电弓、主断正常工作的升弓管路系统各阀件进行加热，由机车蓄电池提供DC 110 V电源；其余电热套列为第二类，主要对风源系统和制动机系统各阀件进行电加热，由机车控制电路供电。实施以上防寒措施后，SS4改型机车低温工作性能明显提高，但SS9和SS9改型机车因其特殊的管路布置，仍存在低温下压缩机无法向总风缸充风的问题。针对该情况我们在2002年冬季对这两型机车实施了第三阶段防寒，即在两压缩机出风管汇合处的三通阀及附近钢管(均属机车底架管路)、干燥器排污管共两处地方缠绕自控温电伴热线，外包防寒保温材料；并在螺杆压缩机与干燥器进风管之间增设一条备用管路；同时还将双塔干燥器转换周期缩短，以提高干燥效果；除此之外，还从SS90074机车开始，将螺杆压缩机与活塞压缩机位置对调，以缩短螺杆压缩机至干燥器的管路长度。通过以上三个阶段的防寒，电力机车因低温而出现的故障大幅减少，基本上能满足在冬季严寒气候条件下正常运用。但以上防寒措施中也存在一些问题与不足，主要有以下几点： (1)加热保温针对性不强。由于过去我们对管路系统易冻部位调查分析不够，从确保安全角度出发，采取了对几乎所有气动阀件加包电热套，对大部分管路包加防寒材料的措施。实际上这是一种治标措施，效果并不理想。因为该措施不能清除管路系统冻结的真正元凶—— 冷凝水，反而使机车制造和运行成本增加，电气线路的故障隐患点增多，而且阀件包加电热套后还增加了检修维护的难度。 (2)电热套缺乏自动调温能力。环境温度稍高时，部分阀件可能因加热温度过高而加速内部橡胶件老化；当环境温度降低时，另一部分阀件又可能因加热功率不足而起不到防冻的效果。
2 空气管路系统防寒技术分析 2．1 防寒设计原则
空气管路系统防寒设计原则是在满足机车低温下正常运用的基础上，还具备安全可靠、经济实用、操作维护方便等优点。也就是说，一方面要确保防寒效果显著，～方面又要使防寒措施简单实用，具有可靠性、针对性和一定的免维护性。既防止因扩大围加热保温而造成资源浪费，又避免因防寒措施不当而导致机车故障。
2．2 低温对机车空气管路系统的影响 我国东北地区以及哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦等地的最冷时期出现在每年l2月至次年1月，此时日最低气温一般为一5一一35℃ ，相对湿度60％ 一80％。这种严寒的气候对机车空气管路系统的影响主要有两方面。一方面是低温下各零部件自身性能下降或丧失，如润滑油脂粘度增大甚至固化、橡胶件变脆且易老化龟裂、钢材韧性下降而脆性增大、电子元器件工作异常等。针对这类问题，关键在于对机车外购零部件及原材料进行把关，确保选用的产品在一40℃甚至更低温度下能正常工作。另一方面是压缩空气中的冷凝水在管道内结冰，造成管路系统冻结。这是因为空气压缩后，单位体内的水蒸气分压力增大，露点升高，当其随环境温度降至0 oC以下，就有可能析出冷凝水并结冰图1表示的是压缩空气饱和含湿量与绝对压力和温度的关系。
从图中可以看出，低温状态下空气饱和含湿量一般较低(0．75 0．9 MPa压缩空气在0℃ 以下的饱和含湿量小于l g／kg)，随着温度升高，该值呈近似指数级增长；在温度不高(40℃以下)时，饱和含湿量与压力呈近似反比关系。例如在环境温度一20℃ ，相对湿度60％时，大气含湿量约为0．5 g／kg，对应露点一25℃ ；当压缩至900 kPa后，压缩空气的露点将升高至4℃左右，降至环温后每含有1 kg干空气的湿空气中将有约0．45 g水析出并结冰。 2．3 干燥指标的选定
防治管路系统冻结的关键在于对压缩空气进行干燥处理，除去其中水份，使其压力露点低于环境温度。为确保空气管路系统低温下正常工作，我们应正确选定干燥器的干燥指标。根据世界各国经验，为防止管路系统出现锈蚀现象，空气管路系统使用的压缩空气相对湿度应低于35％，当然这是指压缩空气在压力状态和环境温度下的相对湿度值。实际上由于在干燥器出风口处的压缩空气温度有可能高于环温15℃(螺杆压缩机供风)甚至更多(活塞压缩机供风)，在其降温过程中，相对湿度必然上升，所以干燥器出风口处干燥指标应低于35％方能满足要求。究竟低多少合适呢?我们可假定机车由螺杆压缩机供风，此时干燥器出风口处的压缩空气与环境的温差为15℃(忽略总风冷却管、干燥简的散热以及吸附过程中的发热)。从图1可看出，该温差将导致空气饱和含湿量下降为原来的1／4～1／2，即压缩空气充分冷却后相对湿度将为高温状态下的2～4倍。所以为确保压缩空气相对湿度始终低于35％ ，干燥器出风口处干燥指标宜选定为不大于8％。此外，双塔干燥器的干燥效果与转换周期有一定关系，一般而言缩短转换周期可提高干燥效果，但会因为转换阀件的工作频率增高而缩短使用寿命。由于高温和低温环境下干燥剂的吸附效果都会明显下降，所以此时应适当缩短干燥器转换周期，并增大再生孑L径，以确保干燥效果。 2．4 防治管路系统冻结的重点部位
根据对机车低温下故障情况的统计，我们将下面三个部位作为重点来做好管路系统冻结的防治工作。 2．4．1 干燥器 干燥器低温下易出现内部气流通道堵塞或无法正常排污等故障。这是因为干燥器内部一些管路、阀件处在高湿度甚至有冷凝水析出的情况下工作，水份残留在内壁，日积月累可能导致排污管和滤清简冰冻堵塞，排污阀和进气阀等部件动作卡位。针对这类问题，我们可在安装设计中尽量避免排污管大角度折弯，并在该管外包自控温电伴热线和防寒管材；同时对排污阀和进气阀等部位采用加热板或电热套进行加热保温。过去为确保干燥器故障后能维持机车运行，通常设有干燥器短接塞门，以将其隔离而直接导通压缩机与总风缸。该做法对防寒工作十分不利，因为导通短接塞门将导致大量未经处理的饱和高湿度压缩空气直接进入后续管路，低温下极易引发冻结故障，在实际运用中应尽量避免。若干燥器的可靠性很高，则可考虑在设计中取消短接塞门。 2．4．2 总风冷却管路
压缩机至干燥器之间的总风冷却管路冻结堵塞问题曾经在电力机车上多次出现。其主要原因是该段管路位于干燥器之前，内部的压缩空气未经干燥处理，富含水份，低温下易导致该段管路上的止回阀冻结卡位或钢管内部完全冰封堵死。止回阀是通过阀芯在阀体内上下移动实现气体单向流动的，阀芯表面附着的冷凝水结冰后，容易使阀芯冻结在阀体上不能动作，导致压缩空气流动受阻。要解决该问题可考虑在止回阀外部加装效果良好的加热装置，使其温度升至冰点以上。如果压缩机自带止回阀(目前装车的螺杆压缩机都属该情况)，则总风冷却管上的止回阀多余，可予以取消总风冷却管内部完全冰封堵死的情况主要出现在SS9型机车上，且一般位于距干燥器较近的底架管路低凹处以及穿越车底地板处。这是因为SS9型机车压缩机与干燥器总体布置距离较远，总风冷却管较长，且多布置于车底，使得高温压缩空气与外界的热交换比较充分，冷凝水有足够时间冷却并结冰。相比之下SS4改型机车因为压缩机与干燥器的距离较近，总风冷却管较短，而极少出现这种情况。这说明要避免总风冷却管冻结堵塞，应尽量将干燥器与压缩机布置在一块，以缩短该段管路长度，若条件允许还可在该段钢管外缠绕自控温电伴热线，外包防寒保温材料。 2．4．3 升弓管路系统
以前电力机车升弓管路系统出现冻结故障的情况比较严重，这是因为机车库停后重新升弓合主断时，有时需要辅助压缩机提供压缩空气，而辅助压缩机提供的压缩空气一般未进行有效的干燥处理，其中肯定会有凝结水随温度下降而析出，并容易在随后管路中的止回阀、调压阀等处集结成冰使其动作失灵，导致机车故障。针对这类问题首先可考虑减少易故障部件，如：受电弓一般自带调压阀，设置在管路中的受电弓调压阀可考虑取消；其次，可在辅助压缩机出口设置冷却风缸，以尽快降低压缩空气温度，并通过分水滤气器或小型干燥器及时处理掉已析出的冷凝水，防止其进入后部件；再次，可对易故障阀件采取有效的加热措施，防止其冻结；最后，在严寒气候下还应尽量少用辅助压缩机打风，以避免产生水汽而影响后续管路系统。 3 结论
电力机车空气管路系统的防寒工作经过几年的摸索，目前已积累了一定的设计经验。为确保机车能够在高寒地区更好的运用，建议从优化机车整体布置、提高干燥器干燥效果与可靠性、增加升弓管路除水措施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可靠性。
