公交车辆气路系统压缩空气品质的维护研究

吕 立

（北京公共交通控股（集团）有限公司，北京 100161）

引言

公交车辆多以压缩空气为制动力介质，此外，乘客门的动力控制、空气悬架系统的工作均需要气路系统提供的压缩空气。公交车辆的制动性能直接关系着行车安全，故对气路系统技术状况有着严格的要求，而压缩空气品质对气路系统技术状况影响很大，关系到公交车辆的安全性、可靠性及舒适性。因此，分析研究气路系统压缩空气品质不良的危害及成因、常压空气转变为压缩空气时的湿度变化、压缩空气中析出水分对气路系统的影响，并为此提出解决措施十分必要。

1 公交车辆气路系统与行车安全

公交车辆气压制动系统通过空气压缩机、贮气罐、气制动阀等装置提供压缩气源和制动控制。随着车辆技术的发展，为解决管路中气压建立和撤除较慢、作用时间滞后较长（0.3～0.9s）等问题，在气制动阀到制动气室和贮气罐的距离较远时，加设了二级气动控制元件——继动阀或快放阀；为了保证制动系统的安全可靠，在气路中设置了四回路保护阀，确保实现双制动回路及其他用气设备分别供气和故障保护。随着复杂的气路阀件越来越多，对压缩空气的品质要求越来越高，于是增加了压缩空气品质调整装置（干燥器、冷凝器、湿罐等），以确保气路系统压缩空气品质满足控制元件和用气设备的需求。

如果压缩空气不能达到品质标准，会对系统元件造成伤害引发故障，影响气路系统技术功能，甚至导致安全隐患或安全事故。因此，确保气路系统压缩空气品质，对公交车辆安全运行至关重要。

2 气路系统中空气水分的危害及成因

对公交车辆气路系统压缩空气要求是多方面的，如压缩空气压力、供气量、干燥度、杂质含量等。气压和气量可通过供气设备的技术发展得到解决，而压缩空气干燥度和杂质含量会对公交车辆制动装置、乘客门、空气悬架气囊等用气设备的效能造成影响，其中对制动系统的影响会直接或间接造成安全隐患或安全事故。

2.1 易受压缩空气品质因素影响的气路元件

2.1.1 继动阀

继动阀（图1）用于长管路的末端,制动时可使储气筒的压缩空气快速充满制动气室实施车辆制动，解除制动时又可快速把制动气室中的压缩空气排出。继动阀进气口1 接通储气筒，出气口2 接制动气室。当踩下制动踏板时，气制动阀输出的压缩空气作为继动阀的控制压力从4 口进入，关闭排气阀c，打开进气阀b，压缩空气由储气筒直接进入制动气室，大大缩短了制动气室的充气管路，加速了制动气室的充气过程。当松开制动踏板时，4 口的气压解除，从而使进气阀b 关闭，排气阀c 打开，制动气室内压缩空气经过2 口、排气阀c 从排气口3 排出，车辆制动解除。

图1 继动阀结构原理图

2.1.2 四回路保护阀

四回路保护阀的作用是将全车气路分成四个既有联系又相互独立的回路。压缩空气由1 口进入四回路保护阀后，分别由21、22、23、24 四个出气口分为四条相互独立的管路，分别控制前行车制动、后行车制动、驻车制动以及其他用气装置，如乘客门、空气悬架气囊等（图2）。当其中的一条或几条回路中产生压力骤降（如管路破裂或大量泄漏等）时，四回路保护阀自动关闭压力骤降的管路，气源能照常向其他回路供气，只是最大气压稍许降低，不影响其他回路工作[1]。

图2 四回路保护阀原理图

2.2 压缩空气干燥度及杂质造成的危害

由于车辆气路系统中的压缩空气是通过空气压缩机采集的空气压缩而成，空气湿度直接影响压缩空气的干燥程度。空气湿度越大，越容易造成压缩空气中水分的析出，析出水分对气路元件具有腐蚀作用，进而导致压缩空气中的杂质增加，从而对气动元件的功效造成危害。重要的是，北京地区夏季空气湿度较大，易造成气路腐蚀生成杂质；冬季环境气温一般在冰点以下，很容易造成气路管道或气动元件的冻结。气路管道冻结造成管道截面积缩小，过气量降低，导致用气设备动作迟缓；气动元件冻结造成元件控制功能失效，或密封口因冰渣、杂质导致密封不严或失效。

2.2.1 气压制动系统

（1）气路管路冻结，过气量下降，会出现车辆制动迟缓，制动距离增大现象。

（2）四回路保护阀冻结，可造成无气压、压缩空气泵不上气、气压表压力显示异常等现象。

（3）制动时，继动阀的排气阀密封因冰渣或杂质导致密封不严，可引起制动迟缓。

（4）解除制动时，继动阀的进气阀密封因冰渣或杂质导致密封不严，可造成制动拖滞。

2.2.2 乘客门

公交车辆乘客门一般通过气动门泵控制。因管路冻结造成过气量减弱，会导致乘客门开关动作迟缓甚至无法操控。

2.2.3 空气悬架气囊

气囊受管路过气量和控制阀的双重控制，如果发生管路冻结或冻堵，就会造成气囊减震调节效能降低甚至失效的后果。

3 气路系统析出水分的成因

上述情况表明，控制好压缩空气湿度，是确保气路故障得到有效控制的关键环节。

3.1 空气湿度的基本概念

3.1.1 大气湿度

湿度是表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下，一定体积的空气中含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”，常用绝对湿度、相对湿度、饱和差以及露点等物理量来表示。

3.1.2 绝对湿度

绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气质量，通常单位是g/m3。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度一起才有意义，因为空气中湿度随温度而变化，不同温度下的绝对湿度不同，随着温度的变化，空气的体积也要发生变化。但绝对湿度越靠近最高湿度，它随温度的变化就越小。

式中：ρw为绝对湿度（kg/m3）；e为蒸汽压（Pa）；Rw为水的气体常数，其值为461.52J/(kg·K)；T为温度（K）；m为空气中溶解的水的质量（kg）；V为空气的体积（m3）。

3.1.3 饱和状态

化学上指溶液中所含溶质的极限或空气中所含水蒸气的极限。

3.1.4 露点

空气中水汽含量不变，保持气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度称露点温度，简称露点，其单位与气温相同。一般把0℃以上称为“露点”，0℃以下称为“霜点”。

3.1.5 相对湿度

空气湿度是指空气潮湿的程度，可用相对湿度（RH）表示。相对湿度是指空气中实际所含水蒸气密度与相同温度下饱和水蒸气密度的百分比值。

式中：φ为相对湿度（%）；ρw为绝对湿度（g/m3）；ρw,max为最高湿度（g/m3）；e为水汽压（Pa）；E为饱和水汽压（Pa）；s为比湿（g/kg）；S为最高比湿（g/kg）。

3.2 公交车辆气路系统中的湿度

3.2.1 北京地区空气常年湿度及空气温度

根据2016-2020 年《中国统计年鉴》中的资源与环境数据[2]，北京地区近5 年的平均气温与湿度见表1、表2。

表1 主要城市平均气温（2015-2019） 单位：℃

3.2.2 以平均相对湿度确定车辆气路系统内绝对湿度

无论是对于自由大气中的空气而言，还是对密闭容器中的特定气体而言，但凡是气体和水汽的混合物，都可以作为湿度的研究对象，湿度研究的一般理论大多都是通用的。

根据表2，2015 至2019 年全年平均相对湿度在48%至56%之间，其中七、八、九月的雨热季期间平均相对湿度在53%至74%之间。

表2 主要城市平均相对湿度（2015-2019） 单位：%

以雨热季平均相对湿度的中间值65%为基准（2016 年8 月），按表1，其对应的平均温度为27.5℃，根据表3 得到相应饱和湿度为26.5g/m3，由式2，绝对湿度ρw=φ·ρw,max=65%×26.5=17.23g/m3。

3.2.3 车辆空气压缩机压缩后的绝对湿度

3.2.3.1 空气压缩机工作原理及相关数据

以目前北京公交集团应用的耐力AZF 系列车用滑片式空压机为例，其结构原理如图3 所示，主要技术参数见表4[4]。

图3 车用滑片式空气压缩机结构原理

3.2.3.2 压缩后的湿空气体积

将湿空气近似地看作为理想气体，则可用理想气体状态方程式来表示干空气和水蒸气的主要状态参数压力、温度、比容等的相互关系[5]，即：

式中：Pg、Pq为干空气与水蒸气的压力（Pa）；V为湿空气的容积（m3）；mg、mq为干空气与水蒸气的质量（kg）；Rg、Rq为干空气与水蒸气的气体常数，其值分别为287J/(kg·K)、461J/(kg·K)；T为湿空气的热力学温度（K）。

根据压缩机规格参数表得到压缩后的最高空气温度为110℃（实际取值100℃，即373K），压缩机排气压力为1MPa，由式（3）+式（4）和空压机数据（以AZF1.5H 压缩机为例）可得出湿空气压缩后的体积V（1m3的空气质量等于1294.64g，压缩前空气绝对湿度为17.23g/m3，而在封闭的气路系统中，压缩前后空气中水蒸气质量无变化）。

3.2.3.3 压缩后空气的绝对湿度

根据式1，计算压缩后空气的绝对湿度ρw。

ρw=m/V=17.23/0.1397=123.34g/m3

随着温度从100℃降低到环境温度，由于压力值保持不变，将进一步析出水分。

根据表3，环境温度降至27-28℃时饱和湿度为25.73-27.19g/m3（取中间值26.5g/m3），因此，当压缩机压缩相对湿度为65%的湿空气时，将会析出水分123.34-26.5=96.84g/m3，约为0.097kg/m3。

3.3 析出水分带来的问题

通过前文定量计算，当车辆空气压缩机工作时，特别是在夏季的大部分时间里，每压缩1m3的常温常压湿空气，都会有相应数量的水分析出（约为0.097kg），随着压缩空气的温度逐步降低至常温，又将析出部分水分。这些水分如不及时排除，就会对气路中的管路、元件起到腐蚀作用，严重影响气路系统的正常工作。

4 气路中析出水分的防范

4.1 技术防范

4.1.1 气路的空气处理装置

（1）盘管：具有一定长度的盘管与空气压缩机排气口连接，通常要保证空气压缩机与空气干燥器之间的管路长度＞6m，目的给高温高压的压缩空气散热，使排出的压缩空气温度迅速下降。

（2）湿罐：湿罐进气口连接盘管，出气口与冷凝器连接。压缩空气进入湿罐时流速减慢，其作用就是将超湿空气析出的水分集中在湿罐内，并通过排污阀排出，确保通过湿罐的空气绝对湿度不超过饱和湿度。

（3）冷凝器：冷凝器进气口连接湿罐，出气口与干燥器连接，冷凝器的作用是进一步将压缩空气的温度降低，还可将压缩空气中的油水与空气分离，并在超压时及时排除分离出的油水。为防止冬季低温冻结，冷凝器排液口一般配置加温装置。

（4）空气干燥器：空气干燥器进气口与冷凝器连接，要保证其进口温度低于65℃，出气口通过四回路保护阀后接入各用气装置。空气干燥器的作用是对压缩空气进行除湿处理，由于环境温度和供气压力都没有变化，经过除湿处理的空气其湿度已低于饱和湿度，在经过储气罐、控制元件、用气设备时不会进一步析出水分，从而使车辆气路系统得到了保护。

（5）反吹罐：反吹罐与空气干燥器连接。一般情况下反吹罐接收干燥常温的压缩空气，需要时对空气干燥器内的干燥剂进行反吹再生处理，以延长空气干燥器的使用寿命。

4.1.2 气路的技术维护

北京公交集团对气路的技术维护分为低级维护和高级维护两种级别。

（1）低级维护。低级维护的目的是保持车辆技术性能。就气路系统而言是确保其密闭性和功能性，通过清洁、检查、紧固，确保气路系统各机件性能完好有效。

（2）高级维护。高级维护的目的是恢复车辆技术性能。气路系统在此阶段要更换干燥器，清理冷凝器，检修排污阀、控制元件和气动设备，使气路各元件全面恢复安全行车的技术条件。

4.2 人为防范

人为防范措施是通过人为手段使经过空气干燥器处理的压缩空气不会析出水分，从而确保气路控制元件和气动设备的正常使用。

4.2.1 排污日常化

由于一年四季的温差较大，在夏季环境温度下不会析出水分的空气在冬季环境温度下存在再次析出水分的可能。实际情况是每年冬季首次降温容易造成大面积气路冻凝故障，从而影响运营生产。在首次降温后，各维修单位派出专业人员上路进行处理，处理后再次降温，虽然温度进一步降低，但冻结问题却没有首次降温的影响大。说明首次降温处理的水分就是其他季节吸收的湿空气，通过处理后，再次吸入空气的环境温度即为冬季当时的温度，通过干燥器后不会再次析出水分。

为此，北京公交将排污工作纳入驾驶员每天收车时必须履行的措施，并制定了具体的排污标准，确保落实。

4.2.2 排污标准化

（1）将排污工作落实到驾驶员，确保每日收车后落实排污。

（2）排污部位仅为湿罐的排污阀，其他储气罐排污阀通过维护作业进行排污，驾驶员不得做其他储气罐的排污工作。这样做的原因一是排污的目的是确保通过空气干燥器的压缩空气不会析出水分，二是防止制动系统等关键装置的储气罐排污阀损坏而造成安全隐患。

（3）排污必须排到低压警报器启动。由于短暂排污容易造成排污不彻底问题，因此要求必须排污到低压警报器启动。

北京公交运营车辆湿罐的排污形式有手动和电动两种，手动排污到低压警报器启动可以同时检验低压警报器的功效，并通过设置排污标志，以便提醒、检查、监督。电动排污是通过电控排污阀进行排污，需将气压降低到低压警报器启动后排污阀才能启动，因此要求电动排污应排到低压警报器启动压力的下一格压力值。

4.2.3 日常维护

（1）加强对排污阀的检查，确保其完好与功效。

（2）加强对气路泄漏的检查，确保气路系统的密闭性。

（3）加强对仪表显示功能的检查，确保排污过程的监视功能。

5 结论与维护效果

加强气路系统维护的目的是确保压缩空气品质符合气路元件和装置的要求，排污工作是确保压缩空气湿度达标的关键措施，只有排污到位，才能确保空气干燥器充分发挥功能效用，以保证气路系统安全可靠。

在2020-2021 年冬季期间，北京公交集团通过技术防范和人为防范共同施策，在降低气路系统故障上取得了较好成效，总故障频率由上年同期的1.72 次/万km 降至1.60 次/万km（万公里减少0.12 次、下降6.98%），其中，气路系统故障频率由上年同期的0.26 次/万km 下降至0.15 次/万km（万公里减少0.11 次、下降42.3%），可见防范维护效果良好。