機(jī)車柴油機(jī)上增壓器的可靠性配套研究*

潘翼龍， 薛良君， 米　貴， 王偉才

(1　中車戚墅堰機(jī)車有限公司, 江蘇常州 213011；2　重慶ABB江津渦輪增壓系統(tǒng)有限公司, 上海 201319)

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機(jī)車柴油機(jī)上增壓器的可靠性配套研究*

潘翼龍1， 薛良君1， 米貴1， 王偉才2

(1中車戚墅堰機(jī)車有限公司, 江蘇常州 213011；2重慶ABB江津渦輪增壓系統(tǒng)有限公司, 上海 201319)

在機(jī)車柴油機(jī)的增壓配套過程中引入可靠性配套概念，嘗試在增壓配套過程中進(jìn)行可靠性研究，通過分析增壓器轉(zhuǎn)速、渦輪進(jìn)口溫度等對(duì)增壓器使用壽命的影響，提出柴油機(jī)功率修正的新模式，以便提高增壓器的使用壽命、拓寬機(jī)車的適用范圍。

柴油機(jī)； 增壓器； 配套； 可靠性

增壓配套，在機(jī)車柴油機(jī)開發(fā)時(shí)，通常做法是進(jìn)行廢氣渦輪增壓器選型，根據(jù)柴油機(jī)需要參數(shù)，也即需要的增壓壓力和空氣流量，選定增壓器的基本型號(hào)，再通過計(jì)算，確定增壓器合適的通流元件，最后經(jīng)過配機(jī)試驗(yàn)完成驗(yàn)證。而在柴油機(jī)定型后，通常的做法中還會(huì)有對(duì)增壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，利用已有的配套參數(shù)，并結(jié)合內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行情況，進(jìn)行優(yōu)化，新開發(fā)一款增壓器，使配套性能得以提高。

無論哪種做法，主機(jī)廠和增壓器供應(yīng)商聯(lián)合考慮的主要是配套性能，考慮如何提高聯(lián)合運(yùn)行線上各工況點(diǎn)增壓器的配套效率，使柴油機(jī)的油耗和排溫、排放等指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

至于可靠性設(shè)計(jì)，則往往是獨(dú)立分開的。主機(jī)廠商偏向于增壓器安裝布置的可靠性。增壓器制造商主要考慮的是增壓器本身的結(jié)構(gòu)可靠性。而柴油機(jī)在應(yīng)用條件下的渦輪進(jìn)口溫度和增壓器轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的變化規(guī)律對(duì)增壓器整體壽命的影響，這些與可靠性有關(guān)的研究，由于條件所限，往往處于運(yùn)用信息反饋后改進(jìn)的狀態(tài)，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于性能配套的研究。

針對(duì)機(jī)車柴油機(jī)的增壓配套過程，引入可靠性配套概念，嘗試進(jìn)行相關(guān)的可靠性研究，目的一方面是進(jìn)一步拓寬機(jī)車的適用范圍，另一方面是從增壓配套環(huán)節(jié)提高增壓器的使用壽命。

1　增壓器的運(yùn)用負(fù)荷率與增壓器使用壽命的關(guān)系

增壓配套中，選定合適的壓氣機(jī)特性至關(guān)重要。在壓氣機(jī)特性圖上，增壓器轉(zhuǎn)速在配套點(diǎn)的值nTK(通常為標(biāo)定功率點(diǎn)的增壓器標(biāo)定轉(zhuǎn)速)可作為衡量增壓器負(fù)荷水平的量值。nTK距離允許的最高轉(zhuǎn)速越近，增壓器的負(fù)荷率就越高。機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中，nTK(在機(jī)車上為最大功率運(yùn)行時(shí)的增壓器轉(zhuǎn)速)受影響最大的是機(jī)車的運(yùn)行海拔高度。另外，空濾器阻力、環(huán)境溫度、柴油機(jī)狀態(tài)，對(duì)nTK也會(huì)產(chǎn)生影響。

1.1海拔高度對(duì)增壓器負(fù)荷的影響

圖1為海拔高度與增壓器轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。圖中的五個(gè)轉(zhuǎn)速nMmax、nBmax、nTK2、nTK1、nTK分別為增壓器銘牌上的極限允許值、銘牌上的工作允許值、用戶內(nèi)部控制目標(biāo)值、平原增壓配套中標(biāo)定功率點(diǎn)時(shí)的額定值、柴油機(jī)標(biāo)定功率(或低于標(biāo)定功率的最大運(yùn)用功率)時(shí)的實(shí)測(cè)值。

低海拔時(shí)，海拔高度上升過程中，柴油機(jī)滿負(fù)荷功率保持不變，nTK隨海拔上升而上升。顯然，機(jī)車運(yùn)用線路海拔越高，增壓器的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速nTK越高。

當(dāng)海拔高度達(dá)到h1時(shí)，nTK達(dá)到控制目標(biāo)值nTK2，此時(shí)柴油機(jī)滿負(fù)荷功率開始修正。從海拔h1往上，nTK按nTK2運(yùn)行而滿負(fù)荷功率不斷下降。顯然，nTK2的確定成了關(guān)鍵。若機(jī)車長(zhǎng)期在高海拔的修正功率下運(yùn)行，則該nTK直接決定了增壓器的負(fù)荷率，也即決定了增壓器的使用壽命。

因此，進(jìn)行增壓配套(往往在平原地區(qū)配套)過程中，應(yīng)提前對(duì)可能的機(jī)車線路運(yùn)用進(jìn)行分析，提前了解鐵路用戶可能的功率修正海拔要求，根據(jù)所選定的壓氣機(jī)特性，在預(yù)估的海拔高度下，對(duì)進(jìn)行功率修正時(shí)的nTK進(jìn)行預(yù)估，盡可能使控制目標(biāo)值nTK2與增壓器銘牌上規(guī)定的最高工作允許轉(zhuǎn)速值nBmax保持一定的裕量。

圖1　海拔高度與增壓器轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

1.2空濾器阻力對(duì)增壓器負(fù)荷的影響

由于配機(jī)試驗(yàn)是在柴油機(jī)的臺(tái)架上進(jìn)行，而機(jī)車與柴油機(jī)測(cè)試臺(tái)位相比，進(jìn)氣阻力、排氣背壓差異很大，特別是機(jī)車上的空濾器，往往導(dǎo)致柴油機(jī)裝車后的增壓器轉(zhuǎn)速上升不少。因此，機(jī)車柴油機(jī)的增壓配套，要關(guān)注機(jī)車的空濾器阻力。

圖2為某型號(hào)機(jī)車不同空濾器方案對(duì)增壓器轉(zhuǎn)速的影響。從圖中可發(fā)現(xiàn)，該型機(jī)車的空濾器如果按防風(fēng)沙的最嚴(yán)格要求布置，與簡(jiǎn)單型相比，增壓器轉(zhuǎn)速增加值明顯超過了1 000 r/min，在空濾器阻力增加3 kPa時(shí)，功率修正的海拔高度從1 400 m降低到1 000 m以下。就是說，空濾器阻力每增加1.0 kPa，相當(dāng)于無形中提高了150 m機(jī)車所在地的海拔高度或降低了150 m功率修正的海拔高度。若要保持原定的功率修正海拔高度，則只能抬高原先設(shè)定的轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值nTK2，使之更接近nBmax，從而大大增加了增壓器的負(fù)荷。當(dāng)然，該關(guān)系僅表明一種趨勢(shì)，不同的柴油機(jī)、不同的增壓器、不同的機(jī)車進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，都會(huì)產(chǎn)生差異。

因此，在增壓配套時(shí)，必須兼顧柴油機(jī)裝車車型或用途，充分考慮機(jī)車空濾器結(jié)構(gòu)的影響，提前考慮增壓器在機(jī)車上的運(yùn)用轉(zhuǎn)速增量。否則，將會(huì)使機(jī)車在非平原地區(qū)運(yùn)行時(shí)，提前修正功率而無法滿足機(jī)車的線路運(yùn)行要求，或過分接近最高允許轉(zhuǎn)速值 而影響增壓器工作壽命。

圖2　不同空濾器對(duì)增壓器轉(zhuǎn)速的影響

1.3環(huán)境溫度對(duì)增壓器負(fù)荷的影響

環(huán)境溫度，主要影響壓氣機(jī)特性圖上聯(lián)合運(yùn)行線的位置。因此，在機(jī)車上和柴油機(jī)臺(tái)架上的變化是一致的。

根據(jù)對(duì)R16V280ZJ柴油機(jī)和R12V280ZJ柴油機(jī)的研究[1-2]，隨著環(huán)境溫度上升，同一功率點(diǎn)的增壓器折合轉(zhuǎn)速在大多數(shù)情況下是呈下降趨勢(shì)的，只有在極端高溫情況下的配套功率點(diǎn)，增壓器轉(zhuǎn)速才會(huì)上升。但是，增壓器的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速，隨環(huán)境溫度的上升，基本上呈單邊上升趨勢(shì)，而且，在較高的環(huán)境溫度時(shí)，特別在高海拔時(shí)，上升趨勢(shì)加劇。

特別強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于配備兩只增壓器的柴油機(jī)，若空濾器布置在機(jī)車的兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)一只增壓器，機(jī)車在線路運(yùn)行時(shí)，因干燥環(huán)境日照的影響，機(jī)車兩側(cè)的進(jìn)氣溫度會(huì)出現(xiàn)明顯差異，導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速差異。對(duì)于這種兩側(cè)獨(dú)立的進(jìn)氣布置，還應(yīng)適當(dāng)考慮增壓器轉(zhuǎn)速不一致后較高轉(zhuǎn)速的增壓器的負(fù)荷水平。

另外，環(huán)境溫度變化，還會(huì)改變渦輪進(jìn)口溫度，從而對(duì)增壓器的熱負(fù)荷造成影響。

1.4柴油機(jī)狀態(tài)對(duì)增壓器負(fù)荷的影響

V型機(jī)車柴油機(jī)一般配置2臺(tái)單級(jí)渦輪增壓器，應(yīng)每臺(tái)柴油機(jī)狀態(tài)的差異，在各種因素疊加的極端情況下，固定噴嘴的渦輪增壓器，其轉(zhuǎn)速差可達(dá)600 r/min以上(可變噴嘴渦輪增壓器因控制調(diào)節(jié)的作用，轉(zhuǎn)速差可控制在300 r/min以內(nèi))。這么高的差值，較高轉(zhuǎn)速的增壓器的負(fù)荷必將受到影響。

1.5機(jī)車運(yùn)行時(shí)增壓器負(fù)荷率的分布規(guī)律

增壓器的負(fù)荷水平取決于配套轉(zhuǎn)速nTK。而運(yùn)行負(fù)荷率則是機(jī)車在不同功率下增壓器負(fù)荷的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間百分占比的總和，一般情況下，可簡(jiǎn)化為不同增壓器工作轉(zhuǎn)速(大多數(shù)情況下低于nTK)的時(shí)間百分占比的總和。負(fù)荷率高，意味著高轉(zhuǎn)速區(qū)段的時(shí)間百分占比高。

按ABB的SIKO安全設(shè)計(jì)理念，見圖3。增壓器負(fù)荷與蠕變時(shí)間(可以用增壓器的累積工作時(shí)間間接表示)有關(guān)，也與疲勞循環(huán)次數(shù)有關(guān)。由于增壓器配套過程中無法具體量化考慮增壓器運(yùn)用中的循環(huán)交變過程，所能采取措施的是控制增壓器的轉(zhuǎn)速值。根據(jù)長(zhǎng)期的增壓配套經(jīng)驗(yàn)，若高轉(zhuǎn)速(即銘牌上的工作允許值nBmax值的50%以上)的比例提高，則增壓器的工作壽命時(shí)間將會(huì)大幅降低。若渦輪進(jìn)口溫度超過銘牌允許的值，則增壓器的工作壽命時(shí)間也將會(huì)大幅降低。若累計(jì)工作運(yùn)行時(shí)間超過規(guī)定的工作壽命時(shí)間，則增壓器發(fā)生故障的危險(xiǎn)系數(shù)將按指數(shù)級(jí)上升。受增壓器轉(zhuǎn)速等因素的影響，增壓器零部件中壽命最短的是軸承，其次為轉(zhuǎn)子。因此，軸承的工作壽命決定了增壓器的大修周期。反過來講，增壓器的大修周期若要與機(jī)車的大修周期保持同步，則增壓器轉(zhuǎn)速限值的設(shè)定必須保證增壓器軸承的工作壽命達(dá)到機(jī)車的大修周期。

圖4反映了DF11客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車配置的VTC254-15增壓器(原型號(hào)名為VTC254-13G)運(yùn)用負(fù)荷率在某個(gè)用戶的某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的分配情況(平原地區(qū)線路)，該增壓器應(yīng)用于DF11機(jī)車平原時(shí)的nMmax為532 r/s、nBmax為506 r/s，配套轉(zhuǎn)速nTK約為nBmax的93%。從圖4中可看出，按nMmax、nBmax、轉(zhuǎn)速80%、轉(zhuǎn)速50%的時(shí)間占比分別為0%，<0.5%，<10%，<35%，符合ABB的SIKO安全要求。因此，VTC254-15增壓器在DF11機(jī)車上應(yīng)用是合理可行的。事實(shí)也證明，該型增壓器在DF11機(jī)車上的故障率確實(shí)很低。當(dāng)然，對(duì)于非平原地區(qū)，特別在海拔700 m以上地區(qū)，增壓器轉(zhuǎn)速分布將會(huì)明顯上升。因此，對(duì)于特定的運(yùn)用線路，運(yùn)用部門應(yīng)結(jié)合線路特點(diǎn)，參照上述轉(zhuǎn)速分布規(guī)律，制定相應(yīng)的措施控制增壓器高轉(zhuǎn)速或高轉(zhuǎn)速的時(shí)間百分占比。

圖3　增壓器負(fù)荷與蠕變時(shí)間和疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4　DF11機(jī)車增壓器轉(zhuǎn)速在平原地區(qū)的運(yùn)用時(shí)間分配

2　渦輪進(jìn)口溫度對(duì)增壓器使用壽命的影響

前述的分析均是以壓氣機(jī)特性考慮增壓器負(fù)荷率，此種情況下的增壓器負(fù)荷率代表值為增壓器轉(zhuǎn)速，也即為機(jī)械負(fù)荷率。嚴(yán)格講，增壓器的負(fù)荷率應(yīng)為機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷在運(yùn)用中不同負(fù)荷區(qū)段的時(shí)間百分比率的總和。在ABB的SIKO安全概念中，也考慮了熱負(fù)荷對(duì)增壓器使用壽命的影響。經(jīng)驗(yàn)表明，熱負(fù)荷對(duì)增壓器使用壽命的影響不可忽略[3]。

增壓器上，冷卻水進(jìn)出溫度、滑油進(jìn)出口溫度、渦輪進(jìn)出口溫度、壓氣機(jī)出口溫度，均能反映增壓器的熱負(fù)荷狀態(tài)。但在柴油機(jī)上，進(jìn)行檢測(cè)并能代表增壓器熱負(fù)荷的參數(shù)只有一個(gè)，即渦輪進(jìn)口溫度。因此，增壓器配套過程中，除了重視增壓器轉(zhuǎn)速外，渦輪進(jìn)口溫度也是重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)。

渦輪進(jìn)口溫度的影響因素比較復(fù)雜，渦輪進(jìn)口溫度的高低與增壓器的渦輪效率、壓氣機(jī)效率有關(guān)，也與柴油機(jī)的供油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)有關(guān)，而且還與運(yùn)用環(huán)境溫度、機(jī)車運(yùn)用狀態(tài)密切相關(guān)。

渦輪進(jìn)口溫度過高，影響到增壓器轉(zhuǎn)子、軸承的正常壽命，也容易造成增壓器非正常故障，對(duì)增壓器壽命的影響是明顯的。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的分析，VTC254-15增壓器渦輪進(jìn)口溫度的允許最高工作溫度為650℃，若長(zhǎng)期在接近該限值下工作，該增壓器發(fā)生故障的幾率比應(yīng)用在一般機(jī)車上要提高數(shù)倍；同時(shí)，在與過高的增壓器轉(zhuǎn)速負(fù)荷率相疊加后，該增壓器的使用壽命將會(huì)成倍下降。

3　增壓器不同負(fù)荷率下的柴油機(jī)功率修正

機(jī)車柴油機(jī)高原功率修正，最大制約因素就是柴油機(jī)最大運(yùn)行功率時(shí)的增壓器轉(zhuǎn)速nTK?？梢哉f，高原功率修正實(shí)質(zhì)上就是確定增壓器應(yīng)用中的轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值nTK2。該值的確定，具體需要估算機(jī)車運(yùn)行時(shí)最高轉(zhuǎn)速的時(shí)間占比，同時(shí)還要考慮滿足柴油機(jī)在當(dāng)?shù)睾０胃叨?、?dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、并在整個(gè)大修周期內(nèi)的可靠運(yùn)用。因此，該轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值nTK2可能是根據(jù)增壓器供應(yīng)商提供的銘牌上的最高工作允許值nBmax，也可能大大低于銘牌所標(biāo)示的值。

在增壓配套過程中，若要提前確定將來機(jī)車功率修正時(shí)的增壓器轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值，便于優(yōu)選壓氣機(jī)特性，那么獲知在某一特定使用壽命下增壓器的負(fù)荷率分布情況是關(guān)鍵。在未知情況下，客運(yùn)機(jī)車可參照ABB的SIKO安全概念所定的負(fù)荷率分布規(guī)律及圖4的關(guān)系進(jìn)行初步估算。調(diào)車機(jī)車的初估負(fù)荷率可適當(dāng)調(diào)低。貨運(yùn)機(jī)車的初估負(fù)荷率基本不變，因其轉(zhuǎn)速50%的時(shí)間百分占比可能小些，但轉(zhuǎn)速達(dá)到nTK2的時(shí)間百分占比可能高些。

R12V280ZJ柴油機(jī)，是新一代4 400 (3 234 kW)馬力平臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車用動(dòng)力，功率修正海拔高度的最低要求為不低于1 500 m?？紤]國(guó)內(nèi)許多線路的局部海拔高度在1 500～2 400 m之間，為盡可能做到兼顧，經(jīng)過充分的選型論證，采用了ABB公司的TPR56FV可變噴嘴渦輪增壓器配套。其銘牌上標(biāo)明的最高允許轉(zhuǎn)速nBmax為686 r/s、最高允許極限轉(zhuǎn)速 為700 r/s。根據(jù)上述的可靠性配套觀點(diǎn)，為保證滿足最高允許轉(zhuǎn)速nMmax為686 r/s的長(zhǎng)期可靠要求，裝用HXN5B機(jī)車所確定的增壓器內(nèi)部間接控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速 為667 r/s(即40 000 r/min)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證[4]，達(dá)到了2 500 m以下功率不修正，取得了相當(dāng)好的效果。

同樣，根據(jù)機(jī)車不同的要求進(jìn)行柴油機(jī)功率修正，在校核增壓器負(fù)荷時(shí)，按上述的可靠性配套觀點(diǎn)，其VTC254-15增壓器在不同的功率修正方案中設(shè)定的轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值 也不同。表1為具體案例，其銘牌規(guī)定的nMmax為532 r/s、nBmax為506 r/s。

表1　VTC254-15增壓器不同負(fù)荷率下的功率修正方案

4　機(jī)油對(duì)增壓器運(yùn)行的影響

實(shí)際應(yīng)用中，增壓器會(huì)出現(xiàn)各種故障，而與增壓器供油密切相關(guān)的故障比例相當(dāng)高。因此，在增壓配套設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，也應(yīng)充分重視機(jī)油系統(tǒng)的配套。機(jī)油向增壓器的供油壓力、流量、濾清精度必須滿足所選增壓器的要求，保證增壓器的正常運(yùn)用。

機(jī)油管路結(jié)構(gòu)布置上，應(yīng)盡可能控制機(jī)油在低溫狀態(tài)下的油壓；在機(jī)車最大功率運(yùn)行時(shí)的最高控制油溫狀態(tài)下，應(yīng)保證需要的流量(或油壓)，同時(shí)保證回油暢通。

機(jī)油管路振動(dòng)容易誘發(fā)機(jī)油的泄漏，因此，油管的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能避免細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和無固定的結(jié)構(gòu)

5　結(jié)束語

在柴油機(jī)的增壓配套中進(jìn)行可靠性研究，可在樣機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)階段完成樣車設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證階段與柴油機(jī)功率修正有關(guān)的大部分工作，可大幅降低增壓器二次開發(fā)配套的成本。

研究增壓器負(fù)荷率的運(yùn)用規(guī)律，對(duì)增壓可靠性配套是必不可少，有利于使增壓器的運(yùn)用揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高增壓器的使用壽命，降低增壓器的維修成本。

[1]潘翼龍．TPR61-A10增壓器在R16V280ZJ型柴油機(jī)上的配套研究[J]．內(nèi)燃機(jī)車，2007，(9)：1-4,18．

[2]潘翼龍，王敏鴻，李友峰，薛良君．機(jī)車柴油機(jī)可變渦輪增壓技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J]．鐵道機(jī)車車輛，2011，31(S1)：210-212．

[3]DF8BI機(jī)車VTC254-15增壓器故障原因及建議方案[R]．2013.

[4](2014)JL字第W-214號(hào)．HXN5B型交流傳動(dòng)調(diào)車內(nèi)燃機(jī)車型式檢驗(yàn)報(bào)告[R]．2014.Reliability Research of Turbocharger Matching for Diesel Engine of Locomotive

PANYilong1,XUELiangjun1，MIGui1，WANGWeicai2

(1CRRC Qishuyan Co., Ltd., Changzhou 213011 Jiangsu, China;2Chongqing ABB Jiangjin Turbo Systems Co., Ltd., Shanghai 201319, China)

This paper introduces the reliability concept into the turbo matching for diesel engine of locomotive, investigates the reliability of turbocharger during the matching process by analyzing the influence of turbocharger speed and turbine inlet temperature and other factors on the turbocharger's life time, and put forward the new solution for diesel engine power correction which can increase the life time of turbocharger and can extend the application of locomotive.

diesel engine; turbocharger; matching; reliability

1008-7842 (2016) 02-0045-04

??)男，教授級(jí)高級(jí)工程師(

2015-08-31)

U262.11

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.10

*第十九屆全國(guó)大功率柴油機(jī)學(xué)術(shù)年會(huì)論文