高速動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)故障分析及改進(jìn)措施

孟繁輝

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 吉林長(zhǎng)春 130026)

?

運(yùn)用與檢修

高速動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)故障分析及改進(jìn)措施

孟繁輝

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 吉林長(zhǎng)春 130026)

介紹了CRH5型動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)多年運(yùn)用中供風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的主要故障進(jìn)行了分析，并提出有效的改進(jìn)措施。

動(dòng)車組; 供風(fēng)系統(tǒng); 故障分析

CRH5型動(dòng)車組自2007年投入運(yùn)營(yíng)，至今最早投入運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車組時(shí)間已經(jīng)超過(guò)8年，已經(jīng)進(jìn)入480萬(wàn)km的五級(jí)修程。其運(yùn)營(yíng)范圍覆蓋東北、西北、中原、華南、華東等18個(gè)省區(qū)，承受了零下40℃到零上40℃間的高寒高溫環(huán)境以及蘭新線的高海拔、強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境等全天候全氣候的考驗(yàn)。

CRH5型動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)采用螺桿式空壓機(jī)和雙塔式干燥器，在各種環(huán)境條件中運(yùn)用良好。本文總結(jié)了在多年運(yùn)用中供風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的主要故障，并提出了有效的改進(jìn)措施。

1　供風(fēng)系統(tǒng)介紹

CRH5型動(dòng)車組主供風(fēng)單元由SL22-49型螺桿壓縮機(jī)、LTZ型雙塔式干燥器和精細(xì)濾油器等組成。

1.1技術(shù)參數(shù)

(1) 電氣參數(shù)

額定工作電壓/VAC 400±10%，50 Hz±2%；

額定控制電壓/VDC 24；

啟動(dòng)電流有效值(20℃)/A144+20%(rms)；

峰值電流(20℃)/A264+20%；

功率因數(shù) 不低于0.8；

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1 460±3%。

(2)氣動(dòng)參數(shù)

壓縮空氣出口壓力/kPa額定壓力為1 000，最大為1 200；

壓縮空氣質(zhì)量不低于ISO 8573-1中3-2-3級(jí)要求；

壓縮空氣排量/(dm3·min-1)1 060±7%；

冷卻空氣排量/(m3·h-1)不大于1 400；

壓縮空氣出口溫度/℃不高于環(huán)境溫度15～20。

1.2技術(shù)要求

(1)螺桿壓縮機(jī)設(shè)置溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度超過(guò)105℃±5℃時(shí)，溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。溫度潤(rùn)滑油及壓縮空氣在未經(jīng)冷卻器之前的極限溫度滿足TB/T 2710.2的要求。

(2)主供風(fēng)單元在額定工況下，每小時(shí)啟停機(jī)不少于30次，應(yīng)正常穩(wěn)定工作。

(3)主供風(fēng)單元壓縮機(jī)的振動(dòng)烈度符合GB/T 7777的規(guī)定，其最大值不超過(guò)7.1 mm/s。

(4)主供風(fēng)單元壓縮機(jī)的油消耗量滿足TB/T 2710.2的要求。

(5)主供風(fēng)單元的壓縮空氣出口溫度不高于環(huán)境溫度15℃～20℃，且壓縮機(jī)運(yùn)行20 min時(shí)，潤(rùn)滑油油溫應(yīng)穩(wěn)定在77℃～93℃。

(6)空氣壓縮機(jī)按連續(xù)工作制設(shè)計(jì)。

(7)主供風(fēng)單元壓縮機(jī)由運(yùn)行切換為停機(jī)后，應(yīng)能盡快將空壓機(jī)內(nèi)部壓力卸壓。

(8)主供風(fēng)單元振動(dòng)沖擊性能滿足IEC 61373-2010 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)定的1類B級(jí)要求。

1.3螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)

壓縮機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)剛性安裝在一起，直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)單元壓縮后的空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)折流板1.1.1.a和除油過(guò)濾元件1.1.4除油后，再經(jīng)過(guò)空氣散熱器(1.8.b) 進(jìn)入壓縮空氣管道(1.8.c)。

壓縮過(guò)程中用于密封、潤(rùn)滑和散熱的油通過(guò)控油單元(1.2) 再次被導(dǎo)入壓縮機(jī)單元。壓縮機(jī)組每次關(guān)斷后，泄壓閥(1.4) 把壓縮機(jī)內(nèi)的壓力降低，壓力卸載情況由壓力開(kāi)關(guān)D進(jìn)行監(jiān)控。此外，壓縮機(jī)還包括油循環(huán)和空氣循環(huán)回路中的過(guò)濾、調(diào)節(jié)及監(jiān)控裝置。

圖1　螺桿壓縮機(jī)示意圖

1.4雙塔干燥器結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)

圖2　雙塔干燥器示意圖

干燥器由2個(gè)干燥劑罐(19)，各帶有內(nèi)置的油分離器。干燥器內(nèi)設(shè)止回閥(24)和溢流閥(71)、1個(gè)雙活塞閥(34)用于設(shè)備排水、1個(gè)電磁閥(43)和用于控制循環(huán)的電路板。每個(gè)干燥劑罐配有1個(gè)壓力指示器，用以顯示其所處的工作狀態(tài)。例如，如果左側(cè)干燥劑罐中有壓力，說(shuō)明它處于干燥階段。

雙室型無(wú)熱再生吸附干燥器以兩個(gè)階段同時(shí)工作，即干燥和再生同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)主氣流在其中一個(gè)干燥塔中干燥時(shí)，另一個(gè)干燥塔中的干燥劑進(jìn)行再生。

在空轉(zhuǎn)或關(guān)閉壓縮機(jī)后，控制裝置將接通的實(shí)際狀態(tài)儲(chǔ)存下來(lái)，當(dāng)重新接通時(shí)繼續(xù)計(jì)數(shù)。由此可以確保需要再生的干燥劑能夠完全干燥而不致于因推遲轉(zhuǎn)換周期而出現(xiàn)過(guò)飽和狀況。

2　故障分析及改進(jìn)措施

2.1空壓機(jī)卸載壓力開(kāi)關(guān)故障

(1)故障情況：運(yùn)用中空壓機(jī)發(fā)生過(guò)多起報(bào)故障不能工作的情況，經(jīng)過(guò)檢查均為卸載壓力開(kāi)關(guān)故障導(dǎo)致。卸載壓力開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)壓縮機(jī)停機(jī)后的壓力卸載情況，防止壓縮機(jī)帶壓力啟動(dòng)。該壓力開(kāi)關(guān)在壓縮機(jī)停機(jī)后立即激活，在幾秒鐘后壓力重新下降，壓力開(kāi)關(guān)重新關(guān)閉。如果此壓力開(kāi)關(guān)故障，將導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤的檢測(cè)到壓力持續(xù)處于未卸荷狀態(tài)，從而導(dǎo)致空壓機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

(2)原因分析：經(jīng)過(guò)對(duì)空壓機(jī)卸載壓力開(kāi)關(guān)故障件拆解檢查，發(fā)現(xiàn)故障的壓力開(kāi)關(guān)普遍存在內(nèi)部橡膠膜板破裂情況，見(jiàn)圖3。

圖3　破裂的壓力開(kāi)關(guān)橡膠膜板

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室測(cè)試，破裂的橡膠膜板相比新的橡膠膜板硬度增加10%到20%，脆化轉(zhuǎn)換點(diǎn)溫度由-30℃提高到約-15℃。為此確定空壓機(jī)卸載壓力開(kāi)關(guān)故障的主要原因是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用后，由于壓力開(kāi)關(guān)內(nèi)橡膠膜板長(zhǎng)時(shí)間接觸油氣，出現(xiàn)變硬老化直致破裂使得油氣混合物污染壓力開(kāi)關(guān)內(nèi)部，導(dǎo)致壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)失效。

(3)改進(jìn)方案：經(jīng)調(diào)查故障的的卸載壓力開(kāi)關(guān)運(yùn)用時(shí)間普遍超過(guò)動(dòng)車組四級(jí)修程，該橡膠膜板在運(yùn)用240萬(wàn)km后故障率顯著增加。為此變更主空壓機(jī)檢修規(guī)程，規(guī)定在四級(jí)修規(guī)程(240萬(wàn)km)更換此卸載壓力開(kāi)關(guān)。同時(shí)對(duì)卸載壓力開(kāi)關(guān)橡膠膜板進(jìn)行優(yōu)化。

(4)實(shí)施驗(yàn)證:從2012年開(kāi)始所有空壓機(jī)卸載壓力開(kāi)關(guān)在四級(jí)修程時(shí)進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)已經(jīng)完成四級(jí)修出廠的卸載壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換。經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)用檢驗(yàn)，目前由于卸載壓力開(kāi)關(guān)故障導(dǎo)致空壓機(jī)故障不能啟動(dòng)的故障已經(jīng)顯著降低。

2.2干燥器故障

運(yùn)用中空壓機(jī)發(fā)生多起干燥器活塞閥漏風(fēng)故障，導(dǎo)致干燥器功能減弱或失效，制動(dòng)系統(tǒng)管路中出現(xiàn)大量的水，在寒冷的冬季將導(dǎo)致水在管路中凍結(jié)，發(fā)生空氣簧無(wú)風(fēng)的情況。經(jīng)過(guò)對(duì)故障干燥器活塞閥拆解，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致活塞閥漏風(fēng)故障存在以下兩種原因。

2.2.1干燥器活塞閥故障

(1)故障情況：克諾爾公司在2007年以前生產(chǎn)的干燥器活塞閥閥頭采用了密封橡膠墊與金屬基座熔結(jié)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。經(jīng)拆卸故障活塞閥，發(fā)現(xiàn)活塞閥閥頭和密封結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期活塞閥轉(zhuǎn)換作用下部分出現(xiàn)了熔結(jié)不牢失效的情況，見(jiàn)圖5。

(2)原因分析：雙塔干燥器在工作中通過(guò)轉(zhuǎn)換電磁閥控制兩個(gè)活塞閥定時(shí)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)干燥劑的持續(xù)再生功能，活塞閥和密封結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中承受了較高的壓力以及瞬時(shí)的沖擊。在這種反復(fù)疲勞沖擊下，原密封橡膠墊與金屬基座熔接結(jié)構(gòu)如果存在熔接不良時(shí)容易出現(xiàn)橡膠墊與金屬基座脫離情況，從而導(dǎo)致干燥器活塞閥出現(xiàn)泄漏。

(3)改進(jìn)方案：優(yōu)化活塞閥閥頭結(jié)構(gòu)，取消原熔接結(jié)構(gòu)，采用加厚的錐形閥頭和O型密封圈結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6。同時(shí)在活塞閥的控制氣路上增加節(jié)流縮孔，以降低活塞閥轉(zhuǎn)換時(shí)閥頭橡膠件受到的沖擊力，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試增加節(jié)流縮孔后閥頭受到的沖擊載荷由2 800 N降低為800 N。

圖4　熔接結(jié)構(gòu)閥頭

(4)試驗(yàn)驗(yàn)證：新改進(jìn)的結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)室中最苛刻的條件下進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。在常溫120 kPa的空氣壓力載荷條件下活塞閥的工作次數(shù)超過(guò)100萬(wàn)次。在最嚴(yán)苛的高溫+67℃和相對(duì)濕度100%條件下，活塞閥的工作次數(shù)超過(guò)43萬(wàn)次。在-40℃低溫條件下活塞閥的工作次數(shù)超過(guò)17 000次。改進(jìn)后的活塞閥在最嚴(yán)苛條件下使用壽命比原結(jié)構(gòu)提升超過(guò)300%，可以滿足約13 000個(gè)工作小時(shí)，完全滿足動(dòng)車組240萬(wàn)km的大修要求。

圖5　損壞的熔接閥頭

圖6　新的密封圈閥頭

2.2.2干燥器溫控開(kāi)關(guān)故障

(1)故障情況：運(yùn)用中活塞閥發(fā)生多起漏氣故障。對(duì)故障的活塞閥拆卸下在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在低壓側(cè)存在漏氣現(xiàn)象。對(duì)活塞閥進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)活塞閥閥芯上的所有橡膠密封圈外側(cè)均由紅色變?yōu)楹谏?，并且密封圈上存在明顯的壓痕。

(2)原因分析：由于干燥器是設(shè)計(jì)為在高寒環(huán)境下工作，為此干燥器活塞閥設(shè)有低溫加熱裝置。分解中發(fā)現(xiàn)活塞閥內(nèi)油脂很少，橡膠密封圈已經(jīng)出現(xiàn)碳化，說(shuō)明活塞閥處于持續(xù)高溫工作狀態(tài)。對(duì)活塞閥的溫控開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)溫控開(kāi)關(guān)存在短路，觸點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)燒融情況。由于溫控開(kāi)關(guān)控制在環(huán)境溫度高于10℃時(shí)禁止活塞閥加熱，而溫控開(kāi)關(guān)短路將導(dǎo)致活塞閥在環(huán)境溫度高于10℃的環(huán)境(尤其是在夏季高溫條件下)中也持續(xù)處于加熱狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室測(cè)試發(fā)現(xiàn)故障溫控開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)中存在大量硅化合物，這些物質(zhì)導(dǎo)致溫控開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)電阻增加，從而溫度升高導(dǎo)致燒損。經(jīng)確定這些硅化合物來(lái)自于溫控開(kāi)關(guān)的密封膠。

(3)改進(jìn)方案：對(duì)溫控開(kāi)關(guān)密封膠進(jìn)行改進(jìn)，更換為不含硅化合物的密封膠。

(4)實(shí)施驗(yàn)證: 從2014年開(kāi)始對(duì)所有動(dòng)車組干燥器的溫控開(kāi)關(guān)進(jìn)行更換。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)用檢驗(yàn)，目前由于溫控開(kāi)關(guān)故障導(dǎo)致干燥器功能失效的故障基本消除。

2.3運(yùn)用維護(hù)問(wèn)題

動(dòng)車組運(yùn)用中由于運(yùn)營(yíng)方操作維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足，發(fā)生多起空壓機(jī)故障情況。運(yùn)用維護(hù)方面主要存在以下幾種問(wèn)題：

2.3.1潤(rùn)滑油加注問(wèn)題

在多年的運(yùn)用維護(hù)中，經(jīng)調(diào)查各路局在潤(rùn)滑油加注方面主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

(1)潤(rùn)滑油型號(hào)選擇錯(cuò)誤

運(yùn)用維護(hù)中存在更換和補(bǔ)加潤(rùn)滑油時(shí)使用不符合規(guī)定的廠家及型號(hào)的潤(rùn)滑油的情況，使得空壓機(jī)潤(rùn)滑油混用?？諌簷C(jī)在選擇潤(rùn)滑油時(shí)經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析以確定油品。更換后的潤(rùn)滑油可能不能滿足空壓機(jī)初始設(shè)計(jì)輸入的各種要求，如潤(rùn)滑性能、散熱性能、溫度耐受和壽命等重要指標(biāo)。另外混用潤(rùn)滑油極易產(chǎn)生雜質(zhì)，堵塞潤(rùn)滑油系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)溫度過(guò)高，引發(fā)空壓機(jī)燒損；同時(shí)危害轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磨損卡滯，破壞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，甚至燒損電機(jī)。

(2)潤(rùn)滑油加注操作不當(dāng)

運(yùn)用維護(hù)中出現(xiàn)潤(rùn)滑油加注操作不當(dāng)?shù)闹饕獑?wèn)題是潤(rùn)滑油加注過(guò)多和加油時(shí)帶入雜質(zhì)。加入過(guò)量的潤(rùn)滑油將導(dǎo)致過(guò)高的油位，這將會(huì)淹沒(méi)空壓機(jī)的用于一級(jí)油氣分離的擋油板，使得空壓機(jī)內(nèi)的油氣混合物不能有效分離，這將導(dǎo)致油耗過(guò)高，不及時(shí)補(bǔ)油易導(dǎo)致空壓機(jī)燒損；這也將導(dǎo)致油氣分離器被潤(rùn)滑油浸泡失效(見(jiàn)圖7)，使得潤(rùn)滑油隨壓縮空氣進(jìn)入后續(xù)管路和空氣干燥器，油氣分離器失效也會(huì)導(dǎo)致從進(jìn)氣卸載閥噴出油霧(見(jiàn)圖8)，因此污染空氣濾清器；另外空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部壓力超壓，會(huì)使得安全閥動(dòng)作噴出油霧。

圖7　失效的油氣分離器

針對(duì)上述問(wèn)題，必須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行油位檢查。應(yīng)在空壓機(jī)暖機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行油位檢查，也就是在空壓機(jī)啟動(dòng)5 min后，停機(jī)5～20 min內(nèi)完成潤(rùn)滑油位檢查。如果從視窗看不到油位，需要打開(kāi)油標(biāo)尺進(jìn)行檢查，油位的極限最高位不能超過(guò)上限10 mm。油位過(guò)高需排出多余的潤(rùn)滑油。

圖8　污染的卸載閥

2.3.2過(guò)濾器更換問(wèn)題

運(yùn)用維護(hù)中不按照要求定期更換空氣濾清器、潤(rùn)滑油、油過(guò)濾器、油氣分離器、回油管內(nèi)部過(guò)濾網(wǎng)。

不定期更換空氣濾清器將直接導(dǎo)致空壓機(jī)的排風(fēng)量明顯下降，表現(xiàn)為初充風(fēng)時(shí)間明顯變長(zhǎng)。應(yīng)隨時(shí)檢查真空指示器，同時(shí)按要求最晚1年或1 500工作小時(shí)更換空氣濾清器濾芯。

不及時(shí)更換油過(guò)濾器和潤(rùn)滑油，就會(huì)使得過(guò)濾下來(lái)的雜質(zhì)殘存在空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致油過(guò)濾器功能失效，雜質(zhì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子，造成磨損，軸承破裂，空壓機(jī)風(fēng)量下降，壓力降低，并產(chǎn)生工作時(shí)的異音，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡死，電機(jī)燒損。每次更換油過(guò)濾器時(shí)必須同時(shí)更換潤(rùn)滑油。應(yīng)按要求最晚2年或3 000工作小時(shí)更換油過(guò)濾器。

不及時(shí)更換油氣分離器，將導(dǎo)致油氣分離器失效。出現(xiàn)與潤(rùn)滑油加注過(guò)多導(dǎo)致油氣分離器失效相同的后果。

不及時(shí)清潔回油管內(nèi)部的過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾網(wǎng)堵塞將使得經(jīng)油氣分離器分離的潤(rùn)滑油不能及時(shí)返回空壓機(jī)內(nèi)部，隨著油越積越多將導(dǎo)致油氣分離器失效。

2.3.3散熱器清潔問(wèn)題

運(yùn)用維護(hù)中如果不定期清潔散熱器，則會(huì)導(dǎo)致散熱不良，空壓機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)溫度上升，而發(fā)生高溫?cái)嗦菲鞅Ｗo(hù)，嚴(yán)重時(shí)燒損空壓機(jī)。另外，不定期清潔散熱器也會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)排出的壓縮空氣的溫度偏高，影響后續(xù)干燥器的干燥性能。按照要求，空壓機(jī)使用1年或1 500工作小時(shí)，必須清潔散熱器。

3　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)多年運(yùn)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析和改進(jìn)，由于故障原因查找清楚，改進(jìn)措施得當(dāng)，目前CRH5型動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)整體運(yùn)用狀態(tài)良好，慣性質(zhì)量問(wèn)題得到了有效解決。對(duì)于部分維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)導(dǎo)致的故障，需要運(yùn)營(yíng)方加強(qiáng)對(duì)空壓機(jī)組維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。參考文獻(xiàn)

[1]張曙光. CRH5型動(dòng)車組[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[2]TB/T 2710.2-2005 機(jī)車、動(dòng)車用空氣壓縮軌技術(shù)條件第2部分：螺桿空氣壓縮機(jī)[S].

[3]TB/T 7777-2003 容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)[S].

[4]IEC 61373-2010 鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Fault Analysis and Improvement Measures for Air Supply System High-speed EMU

MENGFanhui

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd., Changchun 130026 Jilin, China)

This article introduces the structure principle of the CRH5type EMU air supply system, and analyzes the main failure of the air supply system in the years of application and puts forward effective measures to improve.

EMU; air supply system; fault analysis

1008-7842 (2016) 03-0077-04

??)男，教授級(jí)高級(jí)工程師(

2015-12-18)

U266.2.4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.16