动车组主供风系统双塔干燥器故障诊断逻辑设计研究

马永靖，郑魏婧，李 松，张笑凡，马 兵

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心转向架研发部，吉林 长春 130062)

动车组主供风系统主要由空气压缩机组和干燥器组成，为动车组制动系统及其他用风设备提供干燥清洁的压缩空气。主供风系统输出的压缩空气质量应满足ISO 8573-1：2010[3:2:3] 《压缩空气 第1部分 杂质和质量等级》的要求，其中压缩空气露点等级为2级，相对湿度≤35%，可满足-40 ℃环境温度使用要求。大气中总是含有水蒸气，只要水分以蒸汽形式存在，它始终会与空气结合在一起，直到超过饱和极限(100%空气相对湿度)，水分才会转化为水滴、雾或雪的形式。饱和极限视温度而变化，随着温度的降低，空气能吸收的水分将减少。当环境温度降低至压缩空气露点温度时，空气压缩机组产生的压缩空气就会凝结出水。干燥器的功能就是除去压缩空气中的水分，使输出的压缩空气相对湿度一直保持在35%以下。当干燥器出现故障不能有效去除压缩空气中的水分时，主供风系统输出的压缩空气湿度将会大于35%，甚至会凝结出水。当高湿度的压缩空气或凝结出的水通过供风管路进入到制动系统阀类部件及其他用风设备时，就会造成气动装置零部件出现腐蚀和过早磨损等问题，如在冬季还会造成管路、设备冻结等严重后果[1]，最终导致系统性故障，严重影响行车安全。

目前，我国既有和谐号动车组均不具备干燥器故障诊断功能[2]，当干燥器出现故障时往往不能被及时发现而导致管路积水。增加干燥器故障诊断功能，对干燥器工作状态进行实时监控，对于确保压缩空气质量、提高系统安全性等具有极其重要的意义。同时为实现主供风系统智能诊断、智能检修维护提供了有效途径。

本文介绍了双塔干燥器的工作原理，提供了一种双塔干燥器故障诊断装置的方案。分析了双塔干燥器的故障模式，重点阐述了双塔干燥器故障的诊断逻辑。该双塔干燥器故障诊断装置可对双塔干燥器的工作状态进行实时监控，并能将故障信息发送给列车控制系统和健康预测管理系统，在司机显示屏上报出故障代码，指导司机应急处置和动车组检修维护。

1 双塔干燥器组成及工作原理

1.1 组成

双塔干燥器主要由控制单元、电磁阀、活塞阀A、活塞阀B、干燥塔A、干燥塔B、止回阀A、止回阀B、溢流阀和节流阀等组成，见图1。

图1 双塔干燥器组成及工作原理示意图

1.2 工作原理

由图1可知，双塔干燥器的工作原理如下：

(1) 干燥塔A和干燥塔B中都装有干燥剂。当高湿度的空气进入干燥塔B时，干燥剂吸附空气中的水蒸气，输出低露点的干燥空气，此时干燥塔B处于“干燥阶段”；当部分干燥后的空气通过节流阀进入干燥塔A时，可带走干燥剂吸附的水分，实现干燥剂再生，此时干燥塔A处于“再生阶段”。

(2) 当电磁阀失电时，没有预控压力输入活塞阀A和活塞阀B，活塞阀A的A1至A2通道切断，A2至A3通道连通；活塞阀B的A1至A2通道连通，A2至A3通道切断。从空气压缩机组出来的高湿度的压缩空气通过进风口、活塞阀B进入干燥塔B，此时干燥塔B处于“干燥阶段”。当干燥后的压缩空气压力达到溢流阀设定值400 kPa后，通过止回阀B、溢流阀从出风口输出。同时，干燥塔B输出的干燥压缩空气通过小孔径的节流阀(控制再生风量)进入干燥塔A,干燥塔A处于“再生阶段”，吸附了干燥剂中水分的空气由活塞阀A的A2至A3通道,从排泄口排向大气。由于此时干燥塔A与大气相通，干燥塔A中的压力接近大气压。

(3) 当电磁阀得电时，干燥塔B输出的压缩空气作为预控压力输入活塞阀A和活塞阀B，活塞阀A的A1至A2通道连通，A2至A3通道切断；活塞阀B的A1至A2通道切断，A2至A3通道连通。从空气压缩机组出来的高湿度的压缩空气通过进风口、活塞阀A进入干燥塔A，此时干燥塔A处于“干燥阶段”。当干燥后的压缩空气压力达到溢流阀设定值400 kPa后，通过止回阀A、溢流阀从出风口输出。同时，干燥塔A输出的干燥压缩空气通过小孔径的节流阀进入干燥塔B,干燥塔B处于“再生阶段”，吸附了干燥剂中水分的空气由活塞阀B的A2至A3通道,从排泄口排向大气。由于此时干燥塔B与大气相通，干燥塔B中的压力接近大气压。当电磁阀失电时，重复第(2)项过程。

1.3 工作时序

双塔干燥器工作时序见图2。控制单元基于电子计时方式按固定程序周期性输出“双塔干燥器切换电气信号”，控制电磁阀按“失电60 s—得电60 s”循环动作；每个干燥塔按“干燥60 s—再生60 s”循环工作，每120 s完成一次“干燥阶段—再生阶段”的循环；一个干燥塔为“干燥阶段”时对应另一个干燥塔为“再生阶段”。

图2 双塔干燥器工作时序示意图

2 双塔干燥器故障诊断装置技术方案

在干燥塔A和干燥塔B处分别设置压力开关A和压力开关B，用于监控干燥塔工作状态，压力开关设定值为350 kPa(图1)。

根据双塔干燥器工作原理，空气压缩机组工作后，当干燥塔进入“干燥阶段”时，内部压力会瞬时达到溢流阀设定值400 kPa，输出压缩空气，压力开关动作输出高电平信号；当干燥塔进入“再生阶段”时，内部压力会瞬时排放至接近大气压，压力开关动作输出低电平信号。正常情况下，压力开关按“干燥阶段—再生阶段”循环切换，输出持续的高低电平信号。

综合空气压缩机组工作状态信号(是否启动)、压力开关A信号和压力开关B信号，设计双塔干燥器故障诊断装置(图3)进行故障诊断和存储。可通过数据接口读取和下载故障记录。双塔干燥器故障诊断装置分别设置指示灯显示装置电源及工作状态、干燥塔A及干燥塔B状态、双塔干燥器是否故障等状态信息，具体含义见表1。

表1 双塔干燥器故障诊断装置指示灯含义

图3 双塔干燥器故障诊断装置方案示意图

双塔干燥器故障诊断装置可将双塔干燥器故障信号发送给列车控制系统，在司机显示屏上报出故障代码，提示司机、机械师进行应急处置。同时也可将双塔干燥器故障信号发送给动车组健康预测管理系统，生成故障信息，用于指导动车组检修维护。

3 故障模式

双塔干燥器内部电磁阀不动作、活塞阀卡滞、止回阀故障和管路堵塞等都能造成干燥塔A和干燥塔B不能按正常工作时序切换，主要有以下3种故障模式。

3.1 故障模式1

当某一个干燥塔在“再生阶段”没有向大气正常排放时，就会出现2个干燥塔同时保持高压，即认为2个干燥塔同时处于“干燥阶段”(压力开关同时输出高电平信号)，见图4。

T1. 干燥塔由“干燥阶段”切换为“再生阶段”时， 干燥塔由高压力降为低压力所允许的最长时间。图4 双塔干燥器故障模式1示意图

3.2 故障模式2

当某一个干燥塔在“干燥阶段”压力没有上升至压力开关设定值时，就会出现2个干燥塔同时保持低压，即认为2个干燥塔同时处于“再生阶段”(压力开关同时输出低电平信号)，见图5。

T2. 干燥塔由“干燥阶段”切换为“再生阶段”时， 干燥塔由低压力升为高压力所允许的最长时间。图5 双塔干燥器故障模式2示意图

3.3 故障模式3

当干燥塔切换间隔过长时，就会出现某一个干燥塔一直“干燥”，另一个干燥塔一直“再生”的状态，即认为2个干燥塔长时间处于“再生阶段”(压力开关长时间持续输出低电平信号)或“干燥阶段”(压力开关长时间持续输出高电平信号)，未进行状态切换，见图6。

T3. 干燥塔一个“干燥阶段—再生阶段”的循环周期时间。

4 故障诊断逻辑

4.1 故障监控条件

双塔干燥器故障诊断装置供电时，当空气压缩机组启动后，双塔干燥器故障诊断装置开始进行故障监控需满足以下前提条件：(1)动车组中压供电正常，能为空气压缩机组提供动力电源；(2)收到空气压缩机组启动控制信号。

4.2 故障诊断置位逻辑

为了避免很快就能恢复的偶发性异常问题触发不必要的故障报警，双塔干燥器故障诊断装置开始工作后，当监控到满足以下条件之一的故障时，间隔120 s后再次检查干燥器状态，如第2次监控到满足以下条件之一的故障，置位“双塔干燥器故障”信号。

(1) 压力开关A和压力开关B同时输出高电平信号时间超过设定值T1。T1为干燥塔由“干燥阶段”切换为“再生阶段”时，干燥塔由高压力(≥400 kPa)降为低压力(≤350 kPa，压力开关动作值)所允许的最长时间，可根据实测值留一定余量获得(图4)，可取T1=30 s。

(2) 压力开关A和压力开关B同时输出低电平信号时间超过设定值T2。T2为干燥塔由“再生阶段”切换为“干燥阶段”时，干燥塔由低压力(接近大气压)升为高压力(≥350 kPa，压力开关动作值)所允许的最长时间，可根据实测值留一定余量获得(图5)，可取T2=20 s。

(3) 压力开关A和压力开关B持续输出高电平信号或低电平信号时间超过设定值T3。T3为干燥塔一个“干燥阶段—再生阶段”的循环周期时间，参照图6，取T3=120 s。

4.3 故障诊断复位逻辑

当双塔干燥器故障诊断装置监控到满足以下条件之一时复位“双塔干燥器故障”信号：(1)压力开关A和压力开关B信号符合工作时序，不满足4.2条中规定的置位条件；(2)双塔干燥器故障诊断装置电源断开。

5 故障处置

当动车组报出双塔干燥器故障时，说明双塔干燥器已不能按正常时序进行切换，需切除对应的空气压缩机组，禁止其工作。动车组回库后，可通过双塔干燥器故障诊断装置数据接口下载故障记录数据进行分析，确定故障原因后排除故障。

6 装车运用

本文研究的动车组主供风系统双塔干燥器故障诊断装置及诊断逻辑已应用于中车长春轨道客车股份有限公司新研发的复兴号动车组。