冶金企業(yè)大功率調(diào)車內(nèi)燃機車高溫卸載故障處理

段崇義，梅富卿，郭宣召，張務民

（山鋼股份萊蕪分公司運輸部，山東萊蕪 271104）

0 引言

山鋼股份萊蕪分公司運輸部（以下簡稱運輸部）是我國較早應用大功率調(diào)車內(nèi)燃機車的企業(yè)，首臺DF10D 型、DF4DD型機車分別于2003 年、2006 年購入。現(xiàn)有DF 型內(nèi)燃機車12臺，其中DF10D 型機車6 臺，DF4DD 型機車6 臺，最大運用功率分別為1880 kW 和2425 kW，主要負責原燃料、大宗產(chǎn)品的進廠和外運工作。近期，運輸部DF10D、DF4DD 型機車水溫高卸載故障多發(fā)，雖然過去開展了技術(shù)攻關(guān)，但是實際效果不理想。2018 年，因機車高溫系統(tǒng)冷卻水溫度達到98 ℃，造成機車卸載途停30 次以上，因高溫卸載進房修理次數(shù)17 次。機車途停后，往往需要機車等待降溫或增派機車實施救援，對運輸生產(chǎn)造成較大干擾。嚴重時，因水溫過高，高溫系統(tǒng)冷卻水汽化，高溫水溢出，導致發(fā)動機氣缸蓋、氣缸套故障，影響發(fā)動機運用壽命。因此，開展該型機車水溫高卸載故障原因分析和治理緊迫而必要。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

統(tǒng)計2018 年發(fā)生過水溫高卸載故障的DF 型機車，6 臺機車共發(fā)生17 次高溫卸載故障。其運用及檢修狀態(tài)見表1。

2 原因分析及對策

分析表1，可出看出，并非所有DF 型機車都發(fā)生高溫卸載故障。2018 年未發(fā)生高溫卸載故障的DF 型機車有DF10D0017、0025、0027、DF4DD0232、0292，占總數(shù)的45.5%。

大中修后運用初期不發(fā)生高溫卸載故障。但是0025、0027機車大中修后2～3 a 也未發(fā)生高溫卸載故障，0025 機車2017年發(fā)生過高溫卸載故障，2018 年未發(fā)生。DF4DD0075 機車頂死高溫和中冷溫控閥也未能避免高溫卸載故障。

2.1 機車冷卻系統(tǒng)組成

機車冷卻系統(tǒng)主要由高溫水冷卻系統(tǒng)和低溫冷卻系統(tǒng)兩部分組成，該系統(tǒng)部件組成包括高溫膨脹水箱、低溫膨脹水箱、水箱蓋、高溫水泵、低溫水泵、進出水管、高溫散熱器、低溫散熱器、高溫溫控閥、低溫溫控閥、冷卻風扇、低溫單節(jié)排氣截止閥、逆止閥、截止閥等。

高溫冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)，與柴油機內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一的循環(huán)系統(tǒng)。整個高溫系統(tǒng)與外界空氣不通，只有當系統(tǒng)中的水汽壓力超出規(guī)定值時，安裝在膨脹水箱中的壓力調(diào)節(jié)閥才會開啟，保證高溫系統(tǒng)在水溫達100 ℃時不會沸騰，進而防止引起設(shè)備事故。系統(tǒng)中的排氣管路及時將循環(huán)過程中產(chǎn)生的氣體排入膨脹水箱，防止氣阻。中冷系統(tǒng)與柴油機中冷器構(gòu)成統(tǒng)一循環(huán)水系統(tǒng)。

表1 2018 年發(fā)生水溫高卸載故障的DF 型機車情況

2.2 水溫高卸載故障原因分析

結(jié)合機車冷卻系統(tǒng)組成原理和機車運用實際，系統(tǒng)分析機車水溫高卸載故障的原因，包括11 個方面。

（1）散熱器原因。散熱器是影響機車水溫高的關(guān)鍵部件，往往是造成水溫高卸載的主要原因。管片式散熱器總傳熱面積計算公式如下。

式中 F——散熱器總傳熱面積，m2

Ft——空氣側(cè)總散熱面積，m2

Ff——散熱片總傳熱面積，m2

Nt——銅管總數(shù)

ft——銅管空氣側(cè)傳熱面積，m2，ft與銅管的有效長度、斷面積、散熱片厚度、散熱器迎風面散熱片片數(shù)、端部散熱片厚度等參數(shù)關(guān)聯(lián)

Nf——散熱器總散熱片片數(shù)

ff——一片散熱片傳熱面積，m2

ff+和與散熱片的長度、散熱片的寬度、側(cè)護板遮擋長度等參數(shù)關(guān)聯(lián)。分析式（1）～（3），散熱器的散熱能力和散熱面積有關(guān)聯(lián)，具體分析，和銅管數(shù)量、散熱器總散熱片的片數(shù)，以及散熱片的傳熱面積等因素有關(guān)聯(lián)。

DF4DD、DF10D 型機車因運用中后期多發(fā)高溫卸載故障。為此，制造廠家從設(shè)計上應用了強化型管片式散熱器。但在實際運用中，尤其是運用1 年之后，以下因素影響到散熱能力：①散熱器臟污、散熱片倒伏或內(nèi)部堵塞。運輸部空氣中灰塵顆粒物含量高，受散熱器外部臟污、散熱片倒伏或內(nèi)部堵塞影響，都會導致散熱性能下降，散熱器的散熱效果就會大打折扣。②散熱單節(jié)使用不規(guī)范。DF4DD、DF10D 型機車要求使用強化型散熱單節(jié)，提高散熱效果，減少水溫高卸載故障。實際運用中，由于運輸部同時運用18 臺GK 型機車，檢修人員處理散熱單節(jié)漏水故障時，有時將質(zhì)量輕、散熱量小的GK 型機車管帶式散熱單節(jié)運用到DF4DD、DF10D 型機車上，導致機車散熱能力下降。

（2）溫控閥的故障。溫控閥是用來控制機車冷卻風扇的運轉(zhuǎn)、停止及無級調(diào)速的控制機構(gòu)。溫控閥通過溫度控制元件隨冷卻水溫度的變化而變化，從而控制靜液壓工作油通過溫度控制閥流入低壓管路的數(shù)量，達到控制冷卻風扇工作的目的。實際工作當中，溫控閥感溫元件在工作一段時間之后，其狀態(tài)難以保持，在發(fā)生機車高溫卸載情況下，因感溫元件動作值固定，缺乏控制靈活性，不利于溫度控制，有時為了臨時處理，將溫控閥頂死，從而控制溫度不超高。

（3）冷卻水質(zhì)不符合要求。冷卻水質(zhì)量對散熱器的散熱能力影響較大。運輸部過去采用陰陽離子交換樹脂制備去離子水。應用該方法存在以下不足：①再生操作難以符合運用要求；②用試劑檢測處理后的冷卻水硬度，化驗指標未量化，最終導致難以判斷制備的去離子水硬度是否合格。機車冷卻水3#配方添加必須以合格的去離子水為基礎(chǔ)，否則，硬度高的水加入機車后，經(jīng)過一段時間運用，水垢沉積明顯，阻塞散熱器單節(jié)、中冷器等水管，導致循環(huán)散熱不良，引發(fā)水溫高。通過機車散熱器大中修情況看，散熱單節(jié)和水管路積垢嚴重。有資料表明，散熱器水垢厚度每增加1 mm，散熱能力降低10%。散熱單節(jié)積垢后，往往因清洗不徹底，進一步加劇了水溫高卸載的趨勢。

（4）機車柴油機熱負荷過大。運輸部應用的DF 型機車，受檢修能力、檢修費用等因素影響，大、中修運用間隔往往達到3～4 a，新造或者大中修之后，初期的機車一般不會發(fā)生水溫高卸載故障，但是運用1 a 以上的機車，其柴油機各部狀態(tài)發(fā)生系統(tǒng)性變化，例如：噴油泵油量不均，增壓器效率降低、空氣濾清器污堵，噴油器霧化不良、活塞環(huán)密封不嚴、供油凸輪磨損，進而導致燃燒不良或者供油時刻變化，導致柴油機熱負荷過高，進而引發(fā)水溫高卸載故障。

（5）乘務員加水過程不當。機車冷卻系統(tǒng)管路負責，機車加水時方法不當，易引起“假水表”情況，因管路中存在氣阻，影響冷卻水循環(huán)，導致水溫高卸載。各閥正確的開關(guān)狀態(tài)：①高溫、低溫補水截止閥3、4 加水時關(guān)閉，運用時開啟；②溢流管截止閥1 加水時開啟，運用時關(guān)閉；③所有排氣支管（細管）截止閥，始終開啟；④預熱系統(tǒng)截止閥：預熱時開啟，運用時關(guān)閉；⑤水箱均衡管截止閥2，除機車停機狀態(tài)因緊急補水短暫開啟外，其他情況一律關(guān)閉。

（6）冷卻風扇轉(zhuǎn)速未達到標準。機車冷卻風扇通過靜液壓系統(tǒng)工作油驅(qū)動運轉(zhuǎn)，對機車冷卻水、機油等溫度進行冷卻，達到適用溫度。冷卻風扇運轉(zhuǎn)正常與否對機車的運用起著十分關(guān)鍵的作用。DF 型機車冷卻風扇轉(zhuǎn)速受靜液壓泵、安全閥、靜液壓馬達及靜液壓管路的狀態(tài)影響。目前對冷卻風扇的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是否正常只能憑經(jīng)驗通過運轉(zhuǎn)的聲音或是機車頂百頁的開啟開度大小來判斷，無法通過數(shù)據(jù)量化，判斷其是否滿足要求。

（7）冷卻水泵狀態(tài)影響。冷卻水泵是強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)的主要部件，其功用是：提高冷卻水的壓力，迫使冷卻水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)較快地循環(huán)流動，以實現(xiàn)強制循環(huán)冷卻的目的。但是隨著水泵長期運行，各相對運動零件的配合面之間，會產(chǎn)生不同程度的磨損，造成漏水現(xiàn)象嚴重，供水量下降，對柴油機冷卻系統(tǒng)帶來不良影響。

（8）排煙總管對回水總管的熱輻射。在柴油機大功率運轉(zhuǎn)時，其排氣總管溫度可以達400～500 ℃，在其旁邊布有回水管。高溫輻射直接作用在旁邊的水管上，對水管進行二次加熱，提高了高溫水的溫度，為機車散熱增加了困難，如圖1 所示。

（9）機車運用原因。運輸部DF 型機車主要承擔運輸部與國鐵站的貨物接發(fā)任務，機車小運轉(zhuǎn)作業(yè)的鐵路線路彎道多，坡道大，最大坡度達12.6‰，每天進廠運送原燃料車輛達800～1300 輛，機車負荷率高，同時，由于國鐵貨物重量信息傳遞有時不準確，存在機車有時超牽引重量情況，加上未應用重聯(lián)裝置，存在雙機牽引操作不同步情況，導致機車負荷大、熱負荷高，引發(fā)水溫高卸載故障。

（10）機車高溫系統(tǒng)閉式循環(huán)不嚴。DF4DDD、DF10D 型機車高溫系統(tǒng)均采用閉式循環(huán)，由于閉式循環(huán)，通過閥門與大氣隔絕，冷卻系統(tǒng)氣壓大，水沸點提高，水溫達到98 ℃后只會卸載，而不會沸騰。閉式循環(huán)破壞時，不僅容易卸載，往往因為冷卻水沸騰導致更大故障。實際運用過程中，有時因為人為失誤或檢查不到位，水箱蓋存在丟失、高溫系統(tǒng)和中冷系統(tǒng)連接閥不嚴，進而導致機車高溫系統(tǒng)未實現(xiàn)閉式循環(huán)，而是開式循環(huán)，產(chǎn)生冷卻水“開鍋”情況。

圖1 排煙總管對回水總管的熱輻射

（11）柴油機間通風機狀態(tài)不良。柴油機間通風機能有效降低大功率時柴油機熱負荷。DF4DD 型機車柴油機間安裝2 臺1.1 kW，3000 r/min 的通風機電機，DF10D 型機車柴油機間安裝1 臺1.1 kW，3000 r/min 的通風機電機。實際運用中，通風機電機受高溫、粉塵作用，工作環(huán)境惡劣，容易產(chǎn)生短路燒損故障，電機燒損后，又因為更換困難而停用，導致夏季柴油機間熱負荷高，進而影響冷卻水溫度，加重水溫高卸載故障。

3 對策措施

導致水溫高卸載故障原因多，往往是綜合作用的結(jié)果。涉及運用和操縱方面的原因，管理難度大。運輸部在以往采取的清潔散熱器提高散熱效果、完善柴油機排氣管保溫、加強液壓系統(tǒng)維保、選用質(zhì)量良好的感溫元件并在夏季頂死溫控閥等措施基礎(chǔ)上，實施了以下對策措施，取得顯著效果。

（1）杜絕非強化型單節(jié)安裝在DF 型機車上。運輸部機車型號達6 種。對于DF10D、DF4DD 型機車使用的強化型單節(jié)，雖然其散熱能力強但是重量大，職工在處理單節(jié)漏水故障時，有畏難情緒或者不注意，采用了重量輕散熱能力低的管帶式散熱單節(jié)。

（2）應用電導率儀開展水質(zhì)檢測，防止水管漏積垢、堵塞。應用數(shù)顯電導率儀，開展水質(zhì)檢測，確保DF 型機車運用的冷卻水指標符合要求，減輕冷卻水高溫情況下長時間運用腐蝕、沉淀，進而防止管路積垢、堵塞情況。實際檢測表明，早期使用離子樹脂制備的去離子水，雖然化驗合格，但是用電導率儀檢測，去離子水和普通自來水的電導率相當，說明早期的機車冷卻水對機車冷卻系統(tǒng)造成了不良影響。

（3）應用純水制備設(shè)備。新建具有一級、二級反滲透功能的純水制備設(shè)備，該設(shè)備投用后，制備的機車冷卻水電導率≤10 μs/cm，而普通自來水電導率約500 μs/cm。DF 型機車換水時，專人靠上指導，防止發(fā)生“假水表”情況，產(chǎn)生氣阻。

（4）實施技術(shù)改造。在柴油機高溫系統(tǒng)回水管路上增設(shè)連接膨脹水箱的排氣管，防止氣阻情況影響冷卻水循環(huán)效果。改造機車柴油機間通風機，動力間氣流由水平方向經(jīng)彎管外排改為垂向直接外排，更加有利于柴油機間散熱，增強動力間散熱效果。

（5）加強機車檢修管理。對運用時間達3～4 a 的機車組織實施大中修，提升設(shè)備狀態(tài)。印發(fā)《水溫高卸載故障管理辦法》，對于每一次水溫高卸載故障都開展原因分析和評價，減少人為因素。

4 結(jié)論

上述綜合措施實施后，2019 年運輸部機車高溫卸載故障次數(shù)顯著降低。在鐵路運量同比增長約8%的情況下，統(tǒng)計2018年和2019 年上半年高溫卸載故障次數(shù)，該故障次數(shù)降低率83%。2019 年7 月份機車運行平穩(wěn)，水溫高卸載故障次數(shù)0 次，大幅提高了機車運用可靠性，提升了機車作業(yè)效率。本文提出的防高溫卸載故障措施，對于冶金企業(yè)同行具有借鑒意義。