有轨电车空气压缩机故障分析及改造

赵 未 陈建海

(中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031)

国内某有轨电车项目在运营两年后，多列车在正线运营时开始频繁地出现受电弓无法升弓或突然降弓的故障，导致列车下线。该项目列车使用的是气囊升弓式受电弓，出现无法升弓最可能的原因就是供气的气源出现了问题。检查故障原因，发现测量升弓用空气压缩机输出的气量几乎为零，空气压缩机内部也有明显的漏气声，确定故障点在空气压缩机内部。

1 辅助压缩机的工作原理

空气压缩机的内部如图1所示，压缩机在电机带动下，经空气过滤器后将空气吸入压缩，再通过空气冷却器进行冷却。冷却后的空气继续经过缓冲器进入PDR过滤器对其中的水分进行过滤，排污电磁阀会在空压机停止打气时将冷却水排出。干燥后的空气经过单向阀进入膜式干燥器再次干燥后由最小压力阀输出，向50 L的风缸供气。压力开关负责控制空气压缩机的启停，当检测到气压达到设定值900 kPa后压缩机停止工作，气压降至设定值700 kPa时压缩机开始工作。

图1 压缩机内部正面图

2 漏气原因分析

通过对多台故障空气压缩机的检查，确定故障现象分两种:(1)排污电磁阀排水口持续排气，断合空气压缩机电源，重启空气压缩机后故障现象可能会消失；(2)膜式干燥器反吹排气口漏风,故障现象不会消失。

2.1 排污阀漏气分析

排污电磁阀工作原理如图2所示，当气压未达到设定值时，PSC压力开关闭合，KM1接触器线圈得电，触点闭合，空气压缩机开始工作，排污阀加热器开始加热，同时Y3电磁阀线圈得电，其内部的阀芯在顶针的推动下克服弹簧力，将气孔堵住，排气口处于闭合状态；当气压达到设定值后，PSC断开，KM1线圈失电，Y3线圈失电，排污阀阀芯在弹簧力推动下被顶开，空气带动冷凝水从排气口排出。

图2 空气压缩机控制电路图

拆开排污电磁阀，发现里面有较多的水迹，阀芯呼吸孔为侧面切口，阀芯及其密封塞已经氧化变色，按压密封塞时有明显的顿挫感，容易出现卡在一半的情况。可以判断，故障应该出现在空气压缩机启动的时刻，阀芯在动作时与阀体内壁出现干涉，没有完全动作到位，密封塞无法堵住气孔，导致空气全部从排水口排出。如果断合空气压缩机电源，电磁阀会重新得电，阀芯可以二次动作到位，故障现象就会消失。

2.2 膜式干燥器漏气分析

膜式干燥器的工作原理为潮湿的压缩空气通过上端入口进入中空渗膜管[1]，膜管由数以千计的中空纤维组成，纤维上镀有高分子膜(仅允许水分子通过)，然后流经渗膜管到达底部(见图3)。因为在渗膜内部和外部水蒸气分压不同，因此水分子就从分压较大的渗膜内部向分压较小的渗膜外部扩散，在底部就获取了较干燥的压缩空气[2]。

图3 空气干燥原理

干燥的压缩空气引出一小部分进行膨胀减压，形成极为干燥的压缩空气，将其引入到渗膜之外把扩散出来的水分子吹扫掉(见图4)。渗膜外部水分子的流失加大了中空分子膜内外的水分子分布梯度，加速水分子的扩散速度，在渗膜底部压缩空气的湿度急剧下降，从而达到干燥压缩空气的目的。

图4 空气干燥流程

由于反吹空气的存在，膜内外始终存在水分子的浓度差，所以干燥可以连续进行。由于高分子膜是靠分子间隙来分离水分子的，具有极高的精密度，因此要想保证干燥膜组可靠工作，压缩空气必须满足如下条件[3]：(1)压缩空气不能含有液态冷凝液；(2)压缩空气的含油量必须小于 0.01 mg/m3；(3)不能有大于1 μm 的颗粒杂质；(4)压缩空气瞬间压力变化不能超过200 kPa/s；(5)要求的环境温度不能超过50 ℃；(6)空气压缩机启停频率不可过高(膜式干燥器其内部膜管在工作时会承压膨胀，不工作时，膜管内部泄压收缩，此压力循环过程会影响使用寿命)。

所以，膜式干燥器也要遵循以下的安装原则：(1)满足过滤精度要求；(2)PDR过滤器和膜式干燥器之间不能有延长的连接管路(防止压缩空气冷却后产生冷凝液)；(3)过滤器和膜式干燥器之间只能使用防腐蚀连接管件；(4)安装干燥管之前需彻底清洁管路内部；(5)不能使用液态密封剂；(6)安装时保证不存在安装应力。

列车上的膜式干燥器出现严重的漏气现象，必定是使用环境或安装方式与上述要求存在较大差异。为了找出原因，拆下故障膜式干燥器进行检查，发现其入口处有明显水迹，相连的单向阀接头已经锈蚀，单向阀内部有锈渣，膜式干燥器的反吹排气口有锈迹。液态水及锈渣对膜式干燥器的膜丝有明显损坏作用。查阅空压机维护手册，其中对出口处最小压力阀的说明为不具有单向导通功能，停机后升弓风缸中的空气可以通过膜式干燥器反吹排气口泄漏出来，加速了气压下降的速度，空气压缩机启动频繁，膜式干燥器也会频繁工作。

3 漏气原因总结

(1)排污阀选型不合理：该排污电磁阀有效通径小，而阀芯面积较大，阀芯呼吸孔在侧面进行切口，容易发生卡滞。阀芯卡滞后会导致排气孔无法闭合，空气持续外泄。

(2)排污阀处加热器长时间得电：空气压缩机启动即开始对排污阀加热，导致该处长时间处于高温，对排污阀的性能也有部分影响。

(3)膜式干燥器膜丝受损：压缩机运行过程中，高温压缩气体冷却过程中产生大量冷凝水，虽然有干燥过滤器，但其除水效果较差，无法满足干燥要求，导致部分液态水直接进入膜式干燥器；单向阀接头为碳钢材质，在水环境下易生锈，由于膜式干燥器安装于底部且接口向上，锈渣向下直接落入膜式干燥器内。水和锈渣导致膜丝受损，漏气量加大。

(4)压缩机停机后保压不良：最小压力阀不具有单向导通功能，导致停机后风缸中的压力通过破损的膜丝泄漏，加速气压下降，提高空气压缩机工作频率，又进一步降低膜式干燥器使用寿命，如此恶性循环，膜式干燥器很快便达到寿命极限。

4 改造方案

4.1 排污电磁阀型号更换

排污电磁阀卡滞，更换新型号排污电磁阀，遵循以下几个原则：

(1)新排污电磁阀必须直接沿用现车机械接头，减少变更量，降低变更成本；

(2)新排污电磁阀的阀芯动作必须经过长期的高频次动作验证，确保可靠性；

(3)最终选择的排污电磁阀可直接沿用现车机械接头，仅加热器固定片安装孔位置与原先不一致，重新设计加热器固定片即可。阀芯结构与原排污电磁阀阀芯总体结构类似，有效通径相同，但阀芯面积小，呼吸孔为小孔，不容易发生卡滞。该电磁阀在既有的项目上已经长期使用，在每天动作200次的情况下，连续3年未出现过故障。

4.2 排污阀加热控制改进

排污阀处加热器长时间得电，增加温度开关(见图5)，控制排污阀处加热器在温度低于5 ℃时工作，降低排污阀的工作温度。

图5 控制盒增加温度开关

4.3 改造过滤器

膜式干燥器膜丝受损,改造过滤器位置，在原过滤器处替换为油水分离器(见图6)。将原PDR过滤器移出箱体，并增加自动排污电磁阀及加热器，与原电磁阀及加热器同步控制。过滤器后端管路影响原铭牌位置，将铭牌移位。管路采用不锈钢材质，舍弃原管路中的锈蚀碳钢材质接头。

图6 增加油水分离器

4.4 膜式干燥器出口端增加单向阀

压缩机停机后保压不良，在出口处最小压力阀后端增加出口单向阀(见图7)。更换压力开关取气口的软管及其连接接头。出口处尺寸发生变化，对外部接管进行重新配管。

图7 空气压缩机出口改造

4.5 增加空气压缩机动作计时计数器

为监控压缩机的运行状况，在控制盒上增设计时计数器(见图8)，对压缩机启动次数及启动总时间进行监控，定期进行时间检查及记录。

图8 控制盒增加计时计数器

5 方案验证

改造后的1台空气压缩机在列车上试装验证：(1)通电开机完成气密性测试，外围管路各部无泄漏；(2)充气时间测试，0～900 kPa充气时间为6 min；(3)保压测试，5 min压力下降15 kPa以内；(4)压力开关启停测试，启停压力分别为700 kPa及902 kPa；(5)排污电磁阀动作测试：停机排污，动作无异常；(6)1个月后测试0～900 kPa充气时间为6 min，5分钟气压下降15 kPa以内，效果良好，可以进行批量改造。

6 改造后维护及监控说明

由于改造中增加了新部件，原先的空气压缩机维护要求需要进行更新：(1)对油水分离器及外置PDR过滤器的排污处(排污口已通过软管引至箱体底部)须定期查看排污状态；(2)对增设的计时器定期进行开机及运行时间记录；(3)在库内定期(建议每周)进行初充风(0～900 kPa)时间测试，记录充风时间；(4)其他部件为原机组产品，维护工作参照原机组维护手册执行。

7 结论

通过对列车升弓用空气压缩机漏气的原因进行系统分析，并制定相应的整改措施，解决了空气压缩机漏气导致列车在正线运营中无法升弓的问题，提高了列车运营的稳定性，也为目前轨道交通车辆的空气压缩机故障漏气故障的处理提供了依据。