DF4DD型內燃機車增壓器喘振故障分析與處理

摘要：增壓是提高柴油機功率最主要、最有效的途徑，隨著空氣增壓壓力的提高，柴油機的功率成比例提高，因此增壓器發(fā)生故障對柴油機的工作性能影響很大。本文通過對DF4DD內燃機車配備的ZN290D渦輪增壓器喘振故障現象分析，對增壓器特性進行探討，對增壓器與柴油機的配合進行討論，找出發(fā)生喘振的原因，并針對性的提出預防和排除機車喘振的方法，提出機車日常運用中對增壓器的保護要求。

關鍵詞：增壓器；故障分析；處理；

DF4DD內燃機車是大連機車車輛有限公司完善東風4D機車產品，開發(fā)設計制造的新型調車內燃機車。機車軸列式為C0-C0，裝用16V240ZJD型柴油機，標稱功率2425KW，最大運用功率2940KW，采用單側司機室，雙操縱臺控制，最大運用速度80KW/H。是目前機車功率和牽引力最大的調車機車。普遍使用于鐵路重載大編組作業(yè)和廠礦小運轉運輸牽引作業(yè)。鶴煤集團公司鐵運處自2007年開始使用該型機車，至今已使用7年有余。

增壓是提高柴油機功率最主要、最有效的途徑。DF4DD內燃機車柴油機采用廢氣渦輪恒壓增壓系統，裝有兩臺ZN290D型渦輪增壓器。其主要作用為：利用柴油機廢氣驅動渦輪帶動壓氣機旋轉，空氣經壓氣機壓縮，壓力升高，經冷卻后密度提高，這樣在同樣的汽缸體積下，就可以吸入更多的空氣，從而使柴油機能夠充分燃燒更多的柴油，實現在不增加柴油機體積的情況下成倍地增大功率。因此增壓器作用是否良好對柴油機的工作性能影響很大。最近兩年我處機車增壓器頻繁出現喘振故障，損壞了好幾臺。增壓器的維修和更換非常復雜，經常需要幾天，甚至更長時間，給機車的正常運用造成了嚴重影響，并且也增加了很多配件和維修成本。分析喘振故障的原因，有效的采取處理措施顯得尤為必要。

1.喘振故障現象

喘振是指流體機械及其導管系統在特定的周期內，排出壓力和排量發(fā)生變化時，流體和固體相互作用，引起的一種自激振動。增壓器喘振是壓氣機在某一小流量下工作，引起葉輪的擴壓器的葉片通道內產生強烈的氣流分離所致。

增壓器工作狀態(tài)正常時，運轉平穩(wěn)，雖然轉子高速旋轉，但聲音柔和。當發(fā)生喘振時，由于壓氣機進氣端空氣堵塞，部分空氣與壓氣機葉片之間發(fā)生脫離、渦旋，空氣波動而發(fā)生刺耳的尖叫聲，造成增壓器前的進氣管道振動，增壓器的轉子軸也產生軸向顫動，進排氣不穩(wěn)定，柴油機的工作狀態(tài)、功率不穩(wěn)定，增壓器與柴油機的壽命也受到影響。在增壓器與柴油機匹配工作中，產生增壓器喘振的根本原因是增壓器兩端氣體壓力的不平衡。

2.原因分析及處理

2.1.柴油機轉速突降或柴油機突停時，發(fā)生喘振。

由于柴油機轉速突降，而增壓器轉子轉速不能很快隨之下降而降低，造成柴油機過渡過程喘振。由于柴油機氣缸內所需的空氣量是與機車功率的大小有關的，發(fā)出的功率越大，所需空氣量越多。當柴油機轉速下降，空氣量也急劇下降。在此過程中，增壓器轉子的轉速需與柴油機轉速同步下降，才能保證工作過程中增壓器與柴油機的良好匹配。柴油機轉速從1000轉/分下降到430轉/分為18秒，而增壓器從匹配轉速28000轉/分下降到3000轉/分需要30秒，如果從最高轉速降到最低轉速短于30秒增壓器就會發(fā)生喘振。

2.1.1.如因突發(fā)事件或機車保護造成柴油機突然停機，發(fā)生喘振，而恢復正常工作時，喘振隨之消失，則屬正常現象；

2.1.2.對乘務員進行業(yè)務培訓，指導其操縱時造成掌握降手柄時間，避免因降速或減載較快引起喘振；

2.1.3.檢查聯合調節(jié)器減載針閥開度，調整到正常范圍。如針閥開度過大，柴油機降速減載過快，使增壓器轉子轉速的下降不能與柴油機轉速下降相適應，易造成喘振。

2.2.柴油機過載或載荷波動過大，發(fā)生喘振。

當柴油機過載時，柴油機的燃燒狀態(tài)變差，排氣溫度升高，排氣總管的廢氣能量增加，使增壓器轉子的轉速升高。當柴油機的轉速和載荷出現波動時，柴油機功率不穩(wěn)定，轉子轉速不能適應波動的變化時，易產生喘振。日常使用時，應避免柴油機過載或過大的載荷波動。

2.3.增壓器部件積碳易發(fā)生喘振。

壓氣機和擴壓器葉片嚴重積垢。增壓器工作一段時間后，工作葉輪以及擴壓器葉片上常累積一些污垢，厚度可達0.5—1.5毫米；噴嘴環(huán)積碳或截面積過小，導致渦輪通道截面減小和流量下降，噴嘴環(huán)截面的減小又促使增壓器轉速提高，增壓壓力提高，因而當積垢達到一定程度時，將使運行線左移而使工作點進入喘振區(qū)，產生喘振。

空氣濾清器臟堵，使氣流的流動阻力增大，壓氣機背壓升高，同時流經壓氣機的空氣流量也減少而發(fā)生喘振。

因此需要定期做好增壓器的常規(guī)檢修工作，按照規(guī)范要求對增壓器進行全面的檢查、維修和清理工作，確保無積碳和污垢。日常使用中如柴油機發(fā)生燃燒狀態(tài)不良，表現在冒黑煙、排氣總管發(fā)紅或噴機油時，必須對噴嘴環(huán)進行清理；空氣濾清器一般一個輔修期清洗一次，運用中當進氣阻力增加到2.4kpa以上時應及時清理。

2.4.中冷器冷卻水溫過高，發(fā)生喘振。

中冷器冷去水管因裂漏而堵焊過多，易造成中冷器效率下降，增壓后的空氣因冷卻不足，影響到增壓后的空氣通過能力而發(fā)生喘振。

加強對機車用水的化驗和管控，保證軟化水符合機車使用要求。嚴格控制中冷器冷卻水的進口溫度，對焊堵冷卻水管過多的冷卻單節(jié)進行更換，防止中冷器效率下降。

2.5.氣門打不開或關閉不嚴，發(fā)生喘振。

如進、排氣門彈簧斷裂、氣門桿彎曲、氣門間隙調整過小、氣門閥盤裂紋或掉塊等均會造成氣門不嚴；橫臂跳轉、橫臂導桿折斷等均會造成氣門打不開。當進氣門打不開時，該缸無法進入新鮮空氣，使增壓器的空氣量過剩，促使增壓器喘振。

發(fā)生喘振時，應對上述故障進行全面檢查，及時查找故障處理。

2.6.柴油機工作狀態(tài)不良易發(fā)生喘振。

柴油機排氣閥泄露、燃油霧化不良、噴油提前角太小、后燃嚴重等原因導致排煙高溫，使柴油機在一定轉速下，排出的廢氣能量較高，使增壓器轉速更高 ，壓氣機背壓升高而發(fā)生喘振。

應經常檢查廢氣總管是否溫度過高，查明柴油機排煙高溫的原因及時處理，使柴油機作用良好，排溫正常。

2.7.同一臺機車兩臺增壓器性能不同，易發(fā)生喘振。

裝在同一臺柴油機上的兩臺增壓器應使用同一型號（東風4DD為ZN290D），性能及作用良好的增壓器。如性能相差較大，則效率低的那臺增壓器易發(fā)生喘振。故無論進行任何修程維修，都必須使兩臺增壓器型號一致，性能相同。

2.8.小波紋管襯套脫落堵塞進氣殼，造成增壓器喘振。

小波紋管經過一段時間的使用后，其內部襯套易腐蝕脫落，進而堵塞進氣殼，導致空氣流量減少而發(fā)生喘振。

加強對中檢、小輔修機車增壓器的檢查力度，發(fā)現小波紋管襯套腐蝕、脫落，及時更換。

3.機車日常運用中對增壓器的保護要求

3.1.渦輪增壓器工作環(huán)境惡劣，其全浮動軸承對潤滑油的要求很高，應保證增壓器潤滑油路暢通，并保持一定的機油壓力和溫度，柴油機起動時，機油溫度不能低于20℃；定期清洗和更換增壓器機油濾清器，機油的濾清度應保證小于20微米，確保機油清潔，否則，將加劇軸承磨損，噪聲增大，壽命縮短。

3.2.新機和長期停用的渦輪增壓器以及渦輪增壓器拆裝清洗后，起動前應擰開進油管接頭，加注50毫升左右的機油，以防起動時因缺油而燒壞增壓器。柴油機更換潤滑油、清洗濾清器或停機一周以上時，起動后須在怠速運轉工況下擰松渦輪增壓器上的進油接頭，直至潤滑油流出旋緊接頭，再怠速運轉3分鐘后方可加速。

3.3.要求乘務員操縱機車時，從滿負荷到停車，應逐漸減少負荷，停機前應讓柴油機空轉3分鐘；無特殊情況不要突然停車，以免使渦輪增壓器軸承處于高溫無油狀態(tài)，產生過熱，甚至咬死。如柴油機突然停機，應迅速啟動輔助機油泵補充機油。

3.4.應盡可能使柴油機在額定負荷下運轉。柴油機長時間超負荷運轉或經常“轟油門”，會導致排氣溫度過高，造成增壓器過熱，縮短使用壽命。

3.5.如遇增壓器喘振，應立即停機檢查。因此時進氣管壓力不穩(wěn)定，柴油機轉速也隨之不穩(wěn)定，整臺柴油機振動加劇極易發(fā)生機械故障。如檢查故障不大需維持運行時，可將壓氣機蝸殼上的兩個測試堵卸下進行放氣以緩解喘振，或安裝防喘閥，實際作用也是放氣。不過前者放出的增壓空氣進入機車的動力間，發(fā)出的聲音較大，后者放出的增壓空氣送回到壓氣機吸氣口，消除了放氣聲音。

總之，增壓器發(fā)生喘振時，壓氣機葉輪與擴壓器葉片等發(fā)生強烈振動，增壓壓力顯著下降，造成柴油機的工作狀態(tài)、功率極不穩(wěn)定，嚴重影響增壓器和柴油機的使用壽命，因此增壓器不允許在喘振狀態(tài)下工作。

參考文獻：

[1]《東風4D型內燃機車（2）》，大連機車車輛有限公司；

[2]《內燃機車增壓器檢修規(guī)范（試行）》，鐵道部，2006年6月；

[3]《東風4D型調車內燃機車檢修手冊》，大連機車車輛有限公司，2005年2月；

[4]《16V240JZD型柴油機運用保養(yǎng)說明》，大連機車車輛有限公司，2005年；

作者簡介：劉鋼（1978.7—），男，漢族，河南滑縣人，工程師，本科學歷，現任河南能源化工集團鶴煤公司鐵運處工程師。