HXD1B型機車SL20-5型壓縮機原理分析及常見故障探討

陳志申

(杭州機務段 浙江 杭州 310002)

1 SL20-5型壓縮機簡介

1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

SL20-5型電機壓縮機組由驅(qū)動裝置、壓縮機、聯(lián)軸器/冷卻器三個主要部分組成，三部分由螺栓連接成為一個緊湊、自承式機組，通過彈性支腳彈性連接到車體[1]。螺桿式壓縮機為2個螺桿狀轉(zhuǎn)子的排放式機械，按起動、停止(間歇式)模式工作。空氣從螺桿組徑向進入，從螺桿組殼體內(nèi)特別形狀的通道軸向排出，其工作原理是強迫送風。電機壓縮機組示意圖如圖1所示。

1—空氣過濾器；2—油冷器；3—冷卻器；4—空氣冷卻器；5—空氣輸出口；6—泄壓閥；7—進氣止回閥；8—起動必需開關(guān)(項目特定設(shè)備)；9—安全閥；10—最小壓力止回閥；11—壓縮機殼體；12—油氣分離器；13—回油過濾器；14—隔板；15—溫度開關(guān)；16—排油閥或排油塞；17—濾油器濾芯筒；18—油控制單元；19—溫度自動調(diào)節(jié)器；20—陰轉(zhuǎn)子；21—陽轉(zhuǎn)子；22—壓縮機螺桿組；23—離心式風扇；24—連接器殼；25—聯(lián)軸器；26—彈性支腳；27—電機；28—渦形殼；A1—進入壓縮機的空氣入口；A2—通向系統(tǒng)的空氣出口；A4—散熱器冷卻空氣。圖1 SL20-5型電機壓縮機組示意圖

壓縮機螺桿組由2個相互嚙合的螺旋狀槽形轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子外形為不對稱的嚙合形狀(見圖2)。

1—陰轉(zhuǎn)子；2—陽轉(zhuǎn)子。圖2 壓縮機螺桿組嚙合剖面(從送風口端觀察)

轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，其葉片之間的空氣量不斷變化，打開進氣口吸氣。轉(zhuǎn)子將2個風口閉合后，空氣被壓縮并從送風口排出。

1.2 空氣循環(huán)

當壓縮機起動時，通過空氣過濾器和進氣止回閥吸入空氣，壓縮后通過送風口將空氣推入壓縮機殼體。如果壓縮機在殼體內(nèi)壓力為零的情況下起動，最小壓力止回閥將保持關(guān)閉狀態(tài)，使壓縮機殼體內(nèi)快速建立起壓力，繼而油路通過壓力差進行循環(huán)。

當壓縮機殼體內(nèi)空氣壓力達到0.65 MPa時，最小壓力止回閥打開，壓縮空氣排出，經(jīng)干燥器干燥、過濾后進入總風缸。當總風缸壓力達到0.9 MPa時，壓縮機停止運轉(zhuǎn)，最小壓力止回閥與進氣止回閥關(guān)閉。殼體內(nèi)空氣回流至壓縮機螺桿組，進氣口處壓力升高，泄壓閥被打開。殼體內(nèi)壓縮空氣通過開放的泄壓閥端面流向空氣過濾器，快速將殼體內(nèi)的空氣排出。當壓力降到約0.18 MPa時，泄壓閥關(guān)閉，殼體內(nèi)剩余壓力通過泄壓閥塞門全部排出，達到零。這個泄壓過程約6 s，這種精確協(xié)調(diào)的過程極大地抑制了壓縮機油的泡沫化趨勢，同時，壓縮機在不小于6 s后再次起動時負載較低。

1.3 油循環(huán)

壓縮機運行時，壓縮機殼體內(nèi)建立起來的空氣壓力通過油濾器將油運送到各軸承、傳動裝置和壓縮機螺桿組的注油點。這些油起潤滑作用，也把轉(zhuǎn)子葉片的嚙合點和轉(zhuǎn)子葉片端部同壓縮機殼體的接觸點密封起來，此外，這些油還可以帶走絕大部分壓縮過程產(chǎn)生的熱量[2]。

壓縮機推動油、氣混合物，通過送風口打在壓縮機殼體的隔板上，該動作形成了油的粗過濾，然后油、氣混合物經(jīng)油氣分離器細濾。分離出來的油大部分沿油氣分離器外壁回落到油底殼，一小部分油隨空氣進入油氣分離器內(nèi)腔，積存在底部的儲油凹槽中，繼而在殼體內(nèi)壓力的作用下，經(jīng)過回油管、過濾器返回到壓縮機螺桿組。油氣分離器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a) 油氣分離器外壁(b) 油氣分離器內(nèi)腔圖3 油氣分離器結(jié)構(gòu)

當油溫達到83 ℃，油控制單元內(nèi)的溫度自動調(diào)節(jié)器打開通向油冷器的通道，對油進行冷卻。當油溫低于83 ℃，通向油冷器的通道關(guān)閉，油直接傳送到壓縮機螺桿組，溫度調(diào)節(jié)器將油溫控制在最合適的工作溫度范圍內(nèi)(69～85 ℃)。

壓縮機殼體內(nèi)油、氣混合物的溫度由位于送風口處的溫度開關(guān)監(jiān)控，如果此溫度達到了停機極限，溫度開關(guān)切斷壓縮機運轉(zhuǎn)，避免壓縮機超溫損壞。

2 壓縮機常見故障原因分析及解決措施

2.1 壓縮機噴油故障引起煙霧報警

該故障通常發(fā)生在壓縮機補油后不久，由于壓縮機工作時殼體內(nèi)壓力、溫度較高，故障現(xiàn)象是熾熱的油氣混合物從加油口蓋墊子處泄漏出來，在機械間形成油霧，煙霧報警探測器誤以為火情隨即報警。

原因分析：(1)加油口蓋鋁質(zhì)密封墊未完全壓實，導致密封不良。機車運行過程中壓縮機啟停相當頻繁，因振動或熱脹冷縮等因素使加油口蓋緊固力矩降低，施加在密封墊上的壓力變小，墊子上的線性接觸帶不連續(xù)；(2)壓縮機補油后未更換新密封墊，二次使用的舊密封墊擰緊時，相對于第一次時的狀態(tài)墊子必定移位，導致線性接觸狀態(tài)不良，接觸面不嚴密。

解決措施：(1)壓縮機每一次補油或換油后鋁質(zhì)密封墊必須換新，并且加油口蓋擰緊力矩有嚴格的要求，擰緊力矩為90～100 N·m，不得過緊或過松；(2)地勤人員檢查壓縮機時嚴禁使用檢點錘敲擊加油口蓋。對壓縮機維護時，須用力矩扳手復緊加油口蓋。

2.2 壓縮空氣高含油量故障

正常情況下，壓縮機殼體內(nèi)油氣混合體經(jīng)油氣分離器細濾后，油、氣能被完全分離開來，空氣經(jīng)干燥器干燥、過濾后進入總風缸。但機車實際運行中，經(jīng)常發(fā)生油、氣沒有完全被分離的故障現(xiàn)象。進入制動、電氣系統(tǒng)的空氣含油量較高，嚴重污染了制動部件和高低壓電器裝置。不僅影響其工作性能，縮短使用壽命，還可能危及行車安全。圖4為制動系統(tǒng)撒砂模塊(F41)被污染滲油現(xiàn)象。引起壓縮空氣中高含油量故障的主要原因有以下3個方面。

圖4 撒砂模塊污染滲油現(xiàn)象

2.2.1機務段對油氣分離器沒有進行壽命管理

理想工作環(huán)境下，油氣分離器工作4年或6 000 h后需要更換，以先達到項為準。但機務段C1～C3修(小修程)中沒有更換油氣分離器的技術(shù)規(guī)定，需要C4修(大修程)在機車檢修基地進行更換。而HXD1B型機車一個C4修程周期一般超出4年，油氣分離器的工作時間超出了它的維護周期，導致油氣分離器因使用過久，分離能力降低。

解決措施：對油氣分離器進行壽命管理。在1個C4修程內(nèi)，機車正常運行約2年或3 000 h后予以更換，以先達到項為準，從而確保油氣分離器功能正常。

2.2.2壓縮機油量偏多致使油氣分離器功能失效

壓縮機正常油量為6.2 L，由于壓縮機內(nèi)的油位會隨壓縮機停機時間的長短和溫度的變化而變化。有時在油視窗中看不到油位，但壓縮機內(nèi)的油量是正常的。檢修人員往往根據(jù)油視窗中顯示的油位進行補油，當按規(guī)定補油至上限標記時，壓縮機內(nèi)的實際油量已經(jīng)過剩(超出6.2 L)。壓縮機運行時機殼內(nèi)油氣混合物的含油量增加，超出了油氣分離器的承載能力。油氣分離器長期工作在這種惡劣環(huán)境，油、氣分離功能逐步喪失。高含油量空氣直接被送出，進入制動、電氣系統(tǒng)。

解決措施：為避免油量過多造成油氣分離器損壞，控制壓縮機油量非常關(guān)鍵。杭州機務段在機車檢修生產(chǎn)實踐中，總結(jié)了一套實用的油位檢查和補油方法。具體步驟如下。

(1)檢查油位或補油前，先讓壓縮機運行5 min以上，寒冷季節(jié)運行時間適當延長，使壓縮機油溫達到83 ℃左右。油控制單元的溫度自動調(diào)節(jié)器打開通向油冷器的通道，油進入油冷器開始冷卻。然后停止壓縮機運轉(zhuǎn)，待5 min后壓縮機內(nèi)壓力會完全泄去。停機后5～20 min內(nèi)從油視窗中觀察油位，標準油位應在視油窗上、下限標記范圍內(nèi)(見圖5)。

圖5 油視窗標準油位

(2)如果油位低于油視窗下限標記，或估計油位在下個維護周期之前會達到油視窗下限標記，就應該補油。受壓縮機后的50 L冷卻風缸的影響，會導致風缸內(nèi)的壓縮空氣返回到壓縮機內(nèi)部，可能在壓縮機停機20 min后仍然看不到油位或者油位偏低。此時需要將加油蓋旋松1/2圈進行泄壓，油位如果升至正常位置，則更換密封墊，擰緊加油口蓋(擰緊力矩90～100 N·m)。如果此時油位仍然偏低，則需要通過安裝在加油口蓋上的油標尺來檢查油位。

(3)切斷壓縮機電源，確保壓縮機不會意外啟動。先將加油口蓋旋松，待殼體內(nèi)壓力降低至和外界相同，再將加油口蓋連同油標尺取出，用無絨布擦凈油標尺上的油跡。然后重新蓋上加油口蓋，螺紋不要旋入，再取出加油口蓋，讀取油標尺上的油位。若油位位于油標尺的下限標記之下，則需要補油，可補至油視窗或油標尺上限標記位置。從下限至上限標記的加油量為500 mL。由于受油溫、油中氣泡含量以及停機時其他邊界條件的影響，壓縮機油位的波動不可避免，油位波動允許略超出油視窗上限標記。如果油位高出油標尺上限標記10 mm，則必須放油。

2.2.3回油管與油氣分離器儲油凹槽底面間距不當

油、氣分離過程中積存在油氣分離器儲油凹槽中的油，在空氣壓力作用下，通過安裝在儲油凹槽中心位置的油氣分離器蓋上的回油管，經(jīng)過濾器返回到壓縮機螺桿組。機務段在更換油氣分離器檢修作業(yè)中，因存在不規(guī)范的拆裝行為，造成回油管管端與儲油凹槽底部的間距偏大，凹槽中的油無法通過回油管回到螺桿組，而是隨空氣從出風口排出，經(jīng)過空氣干燥器后直接進入制動、電氣系統(tǒng)。

解決措施：更換油氣分離器時，應確保油氣分離器儲油凹槽底面與回油管端部的間距在3～5 mm之間。具體測量步驟如下。

(1)將防護塞塞入油氣筒口做好防護，用壁紙刀或磨制刀片輕輕剔除油氣筒上法蘭面和油氣分離器蓋表面殘留密封墊，清理干凈碎屑，然后取出防護塞。檢查安裝在油氣分離器蓋上的回油管下端開的1 mm深的十字槽,狀態(tài)良好，去除毛刺，清理吹掃回油管。

(2)保證回油管對中并垂直于油氣分離器蓋安裝面，用鋼板尺測量回油管端部至油氣分離器蓋安裝面的距離，記為L1。在新品油氣分離器上面加密封墊，然后在油氣分離器密封墊上面放一平板，用鋼板尺測量油氣分離器儲油凹槽底面距此平板的距離，記為L2。

(3)回油管與儲油凹槽底面間距為L2-L1。通過松開回油管鎖緊螺母可以調(diào)整回油管長度，控制兩者之間的間距在3～5 mm之間。

2.3 溫度過高壓縮機停機故障

壓縮機溫度過高導致停機故障的主要原因有以下2個方面：

(1)因油氣分離器失效或回油管安裝偏差，隨空氣排出的壓縮機油增多，壓縮機內(nèi)部油量消耗較快而使油量減少，壓縮過程中產(chǎn)生的熱量不能被充分帶走，溫度升高。當送風口溫度達到停機極限，溫度開關(guān)動作，壓縮機停機。

解決措施：如上所述，對油氣分離器進行壽命管理并控制壓縮機正常油位，以及準確控制回油管管端與儲油凹槽底部的間距，能有效減少壓縮機油的非正常消耗。

(2) 因壓縮機維護保養(yǎng)不當，油冷卻器散熱片較臟，散熱功能下降，壓縮機油溫升高，溫度開關(guān)保護壓縮機停機。

解決措施：日常維護須確保冷卻器散熱片清潔，機車運行過程中如發(fā)現(xiàn)冷卻器污損，必須用蒸汽噴嘴對散熱片兩面進行吹洗，最好從冷空氣流向的相反方向開始吹洗。如果污物不易除去，可使用堿性清潔劑清洗，或者使用各種尺寸的刷子清除污物(不要使用鐵刷)。

3 結(jié)束語

壓縮機是機車的關(guān)鍵部件，如發(fā)生故障，機車就無法運行。杭州機務段通過對壓縮機工作原理及常見故障的分析研究，提出了壓縮機檢查、維護、保養(yǎng)的實用措施。通過落實措施后的跟蹤調(diào)查，壓縮機運行狀態(tài)良好，故障率大幅度下降。但壓縮機油位的不確定性，始終給機車的運用和檢修帶來諸多不利因素。建議壓縮機制造廠設(shè)計研發(fā)單位或機車大修基地技術(shù)部門根據(jù)壓縮機故障情況，對壓縮機進行有針對性的改造，使司乘、檢修人員能直觀準確地讀取油位，便于壓縮機維護保養(yǎng)，確保機車運行安全穩(wěn)定。