防治机车空气管路系统冻结的研究与探讨论文A

目录

1引言 (1)

2 空气管路系统防寒技术分析 (1)

2.1 防寒设计原则 (1)

2.2 干燥器前冷却管冻结的防治 (1)

2.3 压缩空气与干燥器干燥指标的选取 (2)

2.4 防寒中注意事项 (4)

3 升弓管路系统 (4)

表1 JKG1型空气干燥器不同温度下的干燥效果 (5)

图1 空气温度、相对湿度与绝对湿度(含水量)的关系 (5)

图2 吸附剂（干燥剂）的吸附能力与温度的关系 (6)

图3 压缩空气相对湿度与压力露点的关系 (6)

结论 (7)

致谢............................................... 错误！未定义书签。参考文献 (8)

1引言

在机车车辆的空气管路系统中，压缩空气的质量对于其作用的好坏关系极大。尤其是压缩空气中含有过量的水蒸汽，不仅会加剧管道与阀类部件的腐蚀和锈蚀，而且可能产生凝结水，恶化阀类部件的工作条件，使制动机及其他风动设备的灵敏度和工作寿命降低，检修周期缩短。在冬季，当空气管路系统中的凝结水结冰后，可堵塞压缩空气的输送与传递，并导致整个空气制动机及其他风动设备工作失灵，甚至造成严重的行车事故。可以这样说，压缩空气的干燥程度，对保障空气制动机和其他风动设备的正常工作以及列车或机车的安全运用极为重要。

从上世纪80年代开始，我国开始将空气干燥技术引用到机车车辆空气管路系统中的压缩空气干燥处理上，用以控制压缩空气的相对湿度、降低压缩空气的露点，获得了一些明显的效果；但在环境温度较高的夏季及较低的冬季，均不同程度出现了压缩空气干燥效果较差的现象。

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，另一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 干燥器前冷却管冻结的防治

众所周知，水结冰要有2个条件：第一是环境温度要低于0 ℃；第二是散热时间要大于热交换所需时间。针对这两点结冰条件及前面所述的结冰原因，我们一般应采取如下措施：

1)如果采用螺杆式压缩机，则到干燥器的连接管应越短越好。最好压缩机与干燥器布置在同一地方，使冷却管最短，以减少散热面积及压缩空气在冷却管内的流经长度与时间。同时在冷却管表面包扎防寒材料，增加压缩空气与环境进行热交换时的热阻。为防止残留的凝结水结冰，还可以在钢管外壁与包扎的防寒材料间敷设自控电伴热线，阻止冷却管内残留凝结水结冰。

2)如果采用活塞式压缩机，则到干燥器的冷却管的主要作用是对压缩空气进行冷却作用。为防止冬季结冰及夏天有较好的散热条件，在北方(特别是东北)运用机车应设置冬、夏季冷却管，通过塞门进行转换。冷却管表面一般不能包扎防寒材料，避免丧失冷却管的散热能力。如果出现结冰现象(有可能在冷却管末

端)可以在冷却管末端敷设自控电伴热及包扎防寒材料。冷却管长度可按5℃/m 选取(供参考)。

3)如果采用螺杆式与活塞式压缩机(1+1方案)，二者到干燥器的冷却管也应按前述2项措施，即尽量减少螺杆式压缩机到干燥器的冷却管长度，并敷设自控电伴热线及包扎防寒材料。活塞式压缩机到干燥器也可以采用冬季、夏季冷却管。

4)为防止压缩机冷却管上的止回阀及高压安全阀上凝结水结冰而冻结堵塞，在止回阀及高压安全阀上应单独设置加热效果较好的一些加热装置，防止结冰而影响其动作。在螺杆式压缩机出口处可以考虑取消止回阀的措施。

5)由于压缩机到干燥器冷却管内的压缩空气中含有凝结水，且相对湿度均为100％，为防止此管路中出现腐蚀与锈蚀，建议冷却管的管材与管道附件(如管接头)采用不锈钢或铝合金；否则应在钢制管材或管道附件内部进行镀镍、镀锌等防锈与防腐处理。

2.3 压缩空气与干燥器干燥指标的选取

凝结水一般随饱和压缩空气进入干燥器内进行干燥与净化处理。如果干燥器干燥效果不佳，相对湿度及温度较高的压缩空气将进入空气制动机和其他风动设备。由于压缩空气的自然冷却，温度将下降，压缩空气的相对湿度将再次上升，并可能再次析出水分。由于压缩空气中的凝结水的PH值为3～6(相当于中等酸度的醋酸)，这些含醋酸的凝结水的去除既是为防止设备与管路的结冰，也可以减少设备与管路的腐蚀与锈蚀，提高机车车辆制动机及其他风动设备的工作可靠性，延长检修周期与工作寿命。根据世界各国的经验，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现象，使压缩空气系统高效可靠地运行。所以压缩空气的相对湿度应完全控制到35％以下。这就是机车车辆空气管路系统对压缩空气干燥质量的要求。

由于机车普遍采用单塔或双塔型的再生式空气干燥器，其吸附剂(干燥剂)通常使用粒状或球状的硅胶、活性氧化铝或分子筛，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地把水分从吸附剂(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。但空气干燥器干燥处理后输出的压缩空气的相对湿度取值多少为好，不能简单地定为不大于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要大于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；当然还要考虑处理的压缩空气的压力与流量及吸附剂(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中可以看到，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。通过图3与图1的对照发现，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。

表1为JKG1型双塔空气干燥器(硅胶直经为5—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。试验也证明温度上升，空气干燥器的干燥效果下降。

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，保障空气干燥器对压缩空气的干燥效果。但实际上为防止冬季冷却管内结冰，不可能将进入空气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干燥处理后的压缩空气与环境温度之间存在一个温差。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35％的曲线是对压缩空气的最终控制目标。如果将上述的温差(螺杆压缩机一般为15℃左右)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900kPa，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。这样也就满足了机车车辆空气管路系统在压缩空气降温到环境温度时对压缩空气干燥质量(相对湿度不大于35％ )的要求。

由于车辆空气管路系统中使用的压缩空气都要进行降压处理，而在压缩空气压力下降的同时，其相对湿度也要下降，所以车辆空气管路系统使用的压缩空气质量一般要优于机车(不包括地面充风设备对车辆空气管路系统输入的压缩空气)，可不考虑任何加热措施对车辆空气管路系统进行防冻加热处理。

如果机车空气干燥器后的空气管路系统中使用的压缩空气相对湿度能完全控制在35%以下，满足空气管路系统不结冰、不腐蚀、不锈蚀的要求，则机车空气干燥器后的空气管路系统可以不考虑任何加热措施对其进行加热防冻处理。管材与管道附件(如管接头)也可以不采用不锈钢或铝合金材料制造(含在钢制管材或管道附件内部进行的镀镍、镀锌等防锈与防腐处理)。但由于空气干燥器进气阀、排泄阀及排泄阀管内部都有冷凝水，为防止凝结水冻结，在空气干燥器进气

阀、排泄阀及排泄管上均要采用电加热措施。对其在冬季运用时要进行加热处理，以防结冰而影响空气干燥器的正常工作。排泄管可采用自控电伴热线，为避免热散失，还应在排泄管外表面包扎防寒材料。进气阀、排泄阀应单独设置加热效果较好的一些加热装置。

2.4 防寒中注意事项

1)加热保温针对性要强。我们不应对管路系统几乎所有气动阀件加包电热套，同时也不应对大部分管路包加防寒材料。实际上那是一种治标措施，效果肯定不理想。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)电热套应具有较强的自动调温能力。否则环境温度稍高时，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。

3 升弓管路系统

电力机车上除上述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。由于辅助压缩机工作频次较低，一般只在少数升弓与合闸操作时使用，因此未对其产生的压缩空气进行干燥净化处理，仅在其输出管路上设置了一台分水滤气器对压缩空气进行油水分离处理。由于辅助压缩机排气压力在500—700 kPa之间，压缩空气中肯定会有凝结水随其温度下降而产生。在冬季，这些凝结水将结冰而堵塞升弓与合闸管路，影响机车的使用。最好是在辅助压缩机后设置一台小型空气干燥器。但目前国内外的电力机车绝大部分均未设置，也无适合的小型空气干燥器供选择使用。据此，目前可采取如下措施：

1)辅助压缩机工作时间应尽量短，以免工作时间超长后的压缩空气温度较高，凝结水随流动降温而出现在升弓与合闸管路各处。最好是在辅助风缸内将凝结水析出，而辅助风缸应串在辅助压缩机输出管路上。

2)减少升弓与合闸管路上不必或重复设置的阀类部件，如受电弓自带调压阀，而升弓管路上也就不必再设置。在易受凝结水结冰冻结的止回阀等阀类部件增加电加热装置，对其在冬季运用时进行加热防冻处理。

3)对受电弓主断路器自带阀类部件提出增加电加热的定货技术要求，以便冬季运用时对其进行加热防冻处理。

4)由于管路内的压缩空气中含有凝结水，为防止此管路中出现腐蚀与锈蚀，同样建议该管路的管材与管道附件(如管接头)采用不锈钢或铝合金材料；否则在钢制管材或管道附件内部应进行镀镍、镀锌等防锈与防腐处理。

表1 JKG1型空气干燥器不同温度下的干燥效果

图1 空气温度、相对湿度与绝对湿度(含水量)的关系

图2 吸附剂（干燥剂）的吸附能力与温度的关系

说明：横轴为温度（℃）；纵轴为吸附容量（％）；图中左边曲线为硅胶，右边曲线为性氧化铝。

图3 压缩空气相对湿度与压力露点的关系

说明：横轴为温度（℃）；纵轴为压力状态下露点（℃）；斜线从左至右相对湿度依次为：100%，35%，20%，10%，5%，2%，1%

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作可靠性。

参考文献

[1] 刘豫湘，高殿柱．防治空气管路系统的研究．维普资讯：2004年第1期

[2] 刘豫湘，陆缙华，潘传熙． DK-1型电空制动机与电力机车空气管路系统

【M】．北京：中国铁道出版社，l998

[3] 周湘浩，程道平，宁东升．JKG1型空气干燥器的防寒应用【J】．电力机车

技术，2002，(增刊)．

[4] 空气管路系统冻结的防治．内燃机车月刊2006年第5期（数字杂志）