CR200J型动力集中动车组气路控制箱结冰问题分析及改进

樊立新

(中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司 乌鲁木齐车辆段, 新疆 乌鲁木齐 830011)

随着国民经济迅猛发展和人民生活水平日益提高,为满足广大乘客在舒适性、经济性、安全性等方面的需求,时速160 km“复兴号”CR200J型动力集中动车组(以下简称“动力集中动车组”)应运而生[1]。动力集中动车组的投入使用,对普速客车实施了转换升级,逐步推行普速列车动车化,以夕发朝至和“三进”直通列车为主[2]。中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司配属了20组动力集中动车组陆续替换城际列车,逐步替代普速列车,开通乌鲁木齐站至库尔勒、奎屯、博尔塔拉、伊宁、霍尔果斯、克拉玛依站。冬季动力集中动车组途经高寒、暴雪、大湿度的运行区段,沿线历年极端低温为-40～-30 ℃,北疆的精伊霍线、奎北线相对湿度为50%～80%。既有动力集中动车组在极端低温及大湿度的运行环境中运营,出现了多起动力集中动车组拖车气路控制箱结冰的问题,造成了塞拉门无风不能正常开关,集便器无法使用,空气弹簧无风等故障,影响动车组安全运行。

1 供风系统构成介绍

CR200J型动力集中动车组由动力车、拖车及控制车组成,动力车使用单节4轴机车,拖车以25T型客车技术为基础,可在动力车控制车之间进行双向操控,具有换向方便、节约时间的优点[3]。动力集中动车组风源系统是动车组空气管路系统的基础,负责为动力车、拖车、控制车的气动器件以及制动系统提供高质量洁净、干燥、稳定的压缩空气。风源系统主要包括空气压缩机、空气干燥器、过滤器、总风缸、辅助压缩机、辅助干燥器等[4]。动力车设置2台容积流量不小于1 600 L/min的螺杆式空气压缩机,满足动车组的用风需求。由于空气压缩机只在动力车上,控制车设有容积为500 L的总风缸,控制车的总风缸压缩空气由动力车总风缸通过贯穿动车组的总风管供给,满足控制车作为操纵端时正常用风需求。

动力车将压缩空气送入拖车后,经过汽水分离器、拖车总风缸进入到气路控制箱,气路控制箱主要由集成阀板、球阀、止回阀、滤尘器等部件组成[5],集成阀板用于安装球阀,球阀用于气路的开启和截断,止回阀用于气路的顺向开启和逆向截断,滤尘器用于截堵气路中杂质。经对气路控制箱进行拆解,发现气路控制箱止回阀结冰严重(图1),造成了塞拉门不能正常开关,集便器无法使用,空气弹簧无风等故障,影响动车组安全运行。

图1 气路控制箱止回阀结冰照片

2 气路控制箱结冰原因分析及改进

2.1 运行环境分析

冬季乌鲁木齐、伊宁年均暴雪天数3～4天[6],研究分析30年间的气象数据,奎北线冬季沿线历年极端低温为-40～-30 ℃,如图2所示。兰新客专、南疆线的相对湿度最低,北疆的精伊霍线、奎北线相对湿度较高,为50%～80%,冬季相对湿度最大,春季相对湿度最小,如图3所示。由于冬季北疆线路气温低、湿度大,因此冬季北疆线路较其他线路更容易造成气路控制箱结冰,得出冬季北疆运行线路低温、大湿度是气路控制箱结冰的外部原因。

图2 冬季极端低温分布

图3 冬季相对湿度分布

2.2 双塔干燥器逻辑分析及改进

双塔干燥器是动车组的重要部件,能使压缩空气的含湿量降至极低,可防止因压缩空气中的湿气引起腐蚀和冻结危险。当干燥器出现故障时将影响动车制动系统及其他用风系统的压缩空气质量,严重时会造成制动系统及其他用风系统的故障,存在安全隐患[7]。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。如果是冬季会造成管路、设备冻结,最终导致系统性故障[8],影响动车组运行安全。

动力集中动车组动力车空压机采用延时工作模式,空压机工作过程有打风与空转两个工况。检查发现空压机在空转工况时干燥器A、B干燥塔并未停止转换,仍按固定周期进行转换。分析控制逻辑发现干燥器启停由空压机接触器辅助触点控制,既干燥器启停与空压机启停同步,而非与空压机打风同步。由于动车组耗风的不确定性,造成空压机从空转工况向打风工况转换的时间不确定,从而导致干燥器启停与空压机打风不同步。这种不同步会导致空压机打风工况时,投入干燥功能的干燥塔为未完成再生的干燥塔,因此干燥功能会大幅减弱,干燥剂处于潮湿状态(图4),从而使未完全干燥的总风输入拖车,冬季低温时在气路控制箱内出现结冰现象,影响塞拉门、空气弹簧、集便器的正常使用。

图4 干燥器潮湿

因此需要对干燥器控制逻辑进行优化,确保干燥器启停与空压机打风工况同步,干燥器启停由空压机接触器辅助触点控制优化为由空压机卸荷阀状态控制继电器控制,实现干燥器启停与空压机打风保持同步,避免空压机空运转时该干燥塔未完成再生过程,而连续进入工作状态过程。

2.3 供风管路分析及改进

冬季北疆的精伊霍线、奎北线相对湿度为50%～80%,均大于35%的要求,因此冬季干燥器相对其他季节比较重要。干燥器正常工作时,在环境温度不低于-36.7 ℃(压力露点温度)的情况下,经过干燥器干燥清洁处理后的压缩空气在管路中不会析出液态水。当温度继续降低,低于-36.7 ℃以下时,管路中就可能会析出液态水,然而新疆冬季最低温度可能下降至-50 ℃,但析出的水分也很少,现有的风源设计完全能满足实际运用需要,因此在干燥器工作正常时可以满足要求[9]。当干燥器的干燥性能受到影响,空压机产生的压缩空气中含油量超标、电磁阀等故障时,干燥剂性能降低,压力露点温度会升高,因此需要通过拖车汽水分离器(图5)在气路控制箱之前的管路、风缸、水汽分离器使水分尽量多的析出,避免水分在气路控制箱内部析出。由于气路控制箱内部止回阀通路直径小于总风管直径,一旦有水析出逐渐会出现结冰现象,进而堵塞通路,造成塞拉门、空气弹簧等无风源的严重故障。文献[10]研究表明,来自空压机的压缩空气首先经冷却器冷却降温,能分离一部分液态油、水。检查发现拖车供风管路取点在总风缸Ⅰ之前(图6),空压机产生的压缩空气直接流向拖车用风设备,未经过总风缸Ⅰ。为了降低压缩空气的温度,尽早达到压力露点温度,使得水在控制箱之前析出,将供风管路取点由总风缸Ⅰ前改为总风缸Ⅰ后,如图7所示,利用总风缸Ⅰ起到一定程度的降温作用,同时加强了总风缸Ⅰ压缩空气的流动性。

图5 拖车汽水分离器原理

A07—安全阀;A06—逆止阀;

图7 优化后拖车供风管路取点

3 冬季运用维修优化

3.1 冬季排水作业

夜晚温度下降后,总风缸中会析出液态水,进而结冰堵住排水塞门[11],动车组入库进行D1修作业时,在有压缩空气的情况下进行动力车的总风缸Ⅰ、总风缸Ⅱ(图8)排水作业;在有压缩空气的情况下使用三角钥匙打开拖车总风缸(图9)及拖车汽水分离器(图10)排水阀进行排水作业;对干燥塔采用手动方式按下干燥器控制器面板下方黄色左、右排水按钮各2～3 s(图11),手动驱动电磁阀排水,防止其冻结。在外长期停留的动车组应先进行排水作业后安排长期停放。

图8 动力车总风缸

图9 拖车总风缸

图10 拖车汽水分离器

3.2 干燥器检查

对于干燥器来说,环境因素是影响干燥器性能的一个很大因素,比如因严寒天气造成干燥器露点温度降低,空气湿度较大引起干燥器负荷较大[12],在实际运用中,有时风源系统可能有多个故障同时出现,需仔细观察,查明原因,逐个排除[13]。

首先,在排水作业中水较多时,需要对干燥器的工作状态及干燥器内部的干燥剂进行检查,同时对汽水分离器进行检查,发现干燥塔干燥剂不饱满,有破损现象时及时进行更换;其次,冬季在外温-20 ℃左右时需要对配属动力集中动车组动力车后第1辆拖车气路控制箱进行拆解检查,对有结冰迹象的动车组查明原因,对易结冰的动力集中动车组可安排在南疆相对湿度较低的线路上运行;最后,干燥器常见的故障有空压机卸载压力开关故障,干燥器活塞阀故障,干燥器温控开关、控制电路、电磁阀等故障,在D1修时应加强对双塔干燥器的检查,确保干燥器功能正常。

3.3 应急措施

动力集中动车组气路控制箱结冰会导致空气弹簧无风,影响运输组织及动力集中动车组运行安全,需要限速120 km/h。当牵引风机频率调至50 Hz时,温差迅速缩小,且空压机2油温下降明显[14],对不同模式下空压机进风口温度进行了测量,数据如表1所示。

表1 不同工况下空压机进风口温度 ℃

通过表1分析可得APU1模式为50 Hz,空压机2排风模式、机牵引通风旁通模式均为夏季模式时,空压机进风口温度相对较低。因此冬季在北疆运行的动车组,出现干燥塔故障无法工作时,为了使压缩空气压力露点温度在控制箱前出现并析出水分,应将牵引风机频率调至50 Hz,空压机2排风模式、机牵引通风旁通模式调整为夏季模式以降低压缩空气温度,并在折返站停留期间对总风缸Ⅰ、总风缸Ⅱ、拖车总风缸、汽水分离器进行排水作业,同时检查空气弹簧、塞拉门及集便器等用风设备。

4 结论

本文针对CR200J型动力集中动车组在新疆冬季高寒、大湿度环境下多发的气路控制箱结冰问题,从制动系统工作原理、制动管路、干燥塔逻辑、运用维修方面进行了分析以及优化改进,得出以下结论:

(1) 北疆线路冬季高寒、湿度大是气路控制箱结冰问题产生的外部气象原因。

(2) 拖车供风管路取点未经过动力车总风缸Ⅰ,空气压力未得到有效的冷凝,使得水蒸汽进入拖车控制箱内结冰,针对此问题,对供风管路取点进行了优化,使压缩空气经过动力车总风缸Ⅰ进行冷凝。

(3) 空压机打风与干燥器启停不同步,空压机空运转时该干燥器的干燥塔未完成再生,干燥功能大幅减弱,通过空压机卸荷阀的状态控制继电器,可实现干燥器启停与空压机打风保持同步。

(4) 在D1修对动力车总风缸Ⅰ、总风缸Ⅱ、干燥塔及拖车的汽水分离器、总风缸进行排水作业,发现排水量较多时,对气路控制箱止回阀及干燥塔进行拆解检查。

(5) 冬季北疆运行的动力集中动车组发生干燥塔故障时,应将牵引风机频率调至50 Hz,空压机2排风模式、机牵引通风旁通模式调整为夏季模式,并在折返站进行排水作业。

(6) 通过对CR200J型动力集中动车组气路控制箱结冰进行分析及改进,有效地抑制了气路控制箱结冰问题,改进后未发生气路控制箱结冰造成塞拉门、集便器、空气弹簧无风的故障,有效地保证了动车组运行安全。