延長地鐵車輛空調(diào)壓縮機更換周期的探討

王大奎 畢 林 藺 高

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，266109，青島；2.重慶市軌道交通(集團)有限公司，401120，重慶∥第一作者，高級工程師)

目前，我國各大城市的地鐵車輛逐漸進入架修或大修期[1]。當前采用的維修方式大多相對保守，存在較多過度修行為。如何合理地進行維修優(yōu)化、如何在維修可靠性和經(jīng)濟性之間找到恰當?shù)钠胶恻c成為亟待解決的問題。對此，各地鐵公司及專家學者從多方面開展了理論研究和實踐論證：文獻[2]以維修成本最小為目標，基于可靠性建立齒輪箱的維修周期優(yōu)化模型，有效延長了齒輪箱的維修周期、降低了維修成本；文獻[3]提出以均衡修理念進行重慶地鐵車輛日常維修方式的優(yōu)化，可有效減少列車扣修天數(shù)；深圳市地鐵集團有限公司通過對空調(diào)機組部件的壽命研究，為修程優(yōu)化提供依據(jù)，達到減少維修量、降低成本的目的[4]；南京地下鐵道有限責任公司通過多年車輛運用故障的統(tǒng)計分析，對檢修周期和內(nèi)容均進行了優(yōu)化，獲得了良好的經(jīng)濟效益[5]。國外的專家學者針對維修優(yōu)化也做了大量研究：文獻[6-8]從維修費用、設備可用度、部件服役時間及建立維修模型等角度提出了不同的維修優(yōu)化方式。

本文以某城市地鐵在大修期更換空調(diào)壓縮機為切入點，從壓縮機工作原理、設計壽命、檢修中的測試檢查、運用故障分析、故障模式及影響分析等角度，對其合理性進行探討，為地鐵車輛相關(guān)維修的優(yōu)化提供參考。

1 空調(diào)壓縮機簡介

1.1 工作原理

空調(diào)的制冷回路由壓縮機、室外熱交換器、電子膨脹閥、室內(nèi)熱交換器及風機等主要部件構(gòu)成，形成了封閉的制冷系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

首先，壓縮機將低溫低壓的氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓的過熱氣體，并輸入室外熱交換器；然后，通過室外側(cè)風機使外界空氣與室外熱交換器進行強制換熱后，通過電子膨脹閥節(jié)流降壓進入室內(nèi)熱交換器；之后，通過室內(nèi)側(cè)風機使客室與外界新風組成的混合空氣與室內(nèi)熱交換器進行強制換熱；最后，室內(nèi)熱交換器內(nèi)的液體蒸發(fā)成為低壓氣體，再被壓縮機吸入，完成1個制冷循環(huán)。

1.2 設計壽命

我國地鐵車輛所用空調(diào)一般為單冷式。在制冷時，壓縮機工作；在制熱時，壓縮機不工作(采用電加熱)?？照{(diào)壓縮機設計壽命為50 000 h。按壓縮機每年6月—10月工作、每天工作15 h計算，1年中壓縮機運轉(zhuǎn)的時間約為2 250 h，則車輛大修期(10年)的壓縮機運轉(zhuǎn)時間約為22 500 h，遠遠低于壓縮機的設計壽命。

因此，從設計壽命角度分析，大修期更換空調(diào)壓縮機是過度修行為。按設計壽命為50 000 h，壓縮機每年運轉(zhuǎn)2 250 h計算，壓縮機的理論使用壽命約為22年。而壓縮機在使用過程中的載荷條件較為復雜，其實際壽命可能與設計壽命存在一定偏差；此外，車輛壽命一般為30年，在車輛全壽命周期內(nèi)需更換1次空調(diào)壓縮機。綜上考慮，每15年更換1次空調(diào)壓縮機更為合理。

2 檢修中的測試檢查

隨機選取12臺于大修期更換下來的空調(diào)壓縮機，從性能檢測和部件狀態(tài)兩個方面進行分析，論證其更換的合理性。

2.1 性能試驗檢測

按照新品出廠時的例行試驗要求，對12臺壓縮機分別進行啟動性能、噪聲、輸入功率、制冷量和絕緣耐壓等8項測試。測試結(jié)果見表1所示。

表1 壓縮機測試結(jié)果

各新品檢測項目的要求為：以額定電壓的1.06倍和0.85倍分別連續(xù)通電3次，如均能正常啟動，則啟動性能項檢測結(jié)果為“通過”；聲壓級噪聲值應不大于79 dB(A)；運行電流應不超過額定值(14.2 A)的105%；施加1.06倍額定電壓時的測試漏電流不應超過3.5 mA；輸入功率不應超過8.1 kW；制冷量不小于名義值(23.6 kW)的95%；在DC 500 V、持續(xù)1 min工況下，絕緣電阻應大于2 MΩ；而在AC 2 000 V、持續(xù)1 min工況下，如無擊穿和閃絡，則耐壓測試結(jié)果為“通過”。

試驗結(jié)果表明：12臺壓縮機的測試結(jié)果均在新品檢測要求范圍內(nèi)，能滿足繼續(xù)使用的要求。

2.2 部件狀態(tài)檢查

對隨機選取的12臺壓縮機進行分解，檢查關(guān)鍵零部件外觀狀態(tài)及使用情況。檢查結(jié)果見表2所示。

表2 所選12臺壓縮機的關(guān)鍵零部件狀態(tài)檢查記錄表

由關(guān)鍵零部件的狀態(tài)檢查結(jié)果可見，12臺壓縮機的零部件狀態(tài)均良好，能滿足繼續(xù)使用的需求。

2.3 檢查檢測結(jié)果

對12臺壓縮機的檢查檢測情況表明：大修期更換下的壓縮機性能良好，滿足繼續(xù)運用需求；零部件狀態(tài)良好，與新品對比無明顯差異。因此，結(jié)合設計壽命，從測試檢查角度分析，大修期更換空調(diào)壓縮機為過度修行為，延長至15年更換較為合理。

3 運用故障分析

經(jīng)統(tǒng)計，從開始運營至今(約10年)，共發(fā)生22起壓縮機相關(guān)故障，其中通信故障10起、電機故障6起、泄露故障3起、過熱故障3起。該項目共有29列列車，且每列車有20臺空調(diào)壓縮機，折合每臺壓縮機平均每年發(fā)生故障僅約0.003起?？梢姡瑝嚎s機故障率極低，說明其運用情況穩(wěn)定，非空調(diào)系統(tǒng)主要故障點。

按列車運營里程節(jié)點統(tǒng)計壓縮機故障分布情況，如表3所示。

表3 空調(diào)壓縮機故障里程分布

從表3可以看出：① 壓縮機故障率未隨車輛運營里程增加而呈上升趨勢，且在運營里程為90萬～120萬km內(nèi)未出現(xiàn)故障率明顯上升，說明運營里程為120萬km時的壓縮機并未到達壽命極限；② 在0～120萬km的運營里程區(qū)間內(nèi)，壓縮機的故障率總體呈遞減趨勢，符合“浴盆曲線”[9]規(guī)律，說明在大修期的壓縮機處于浴盆曲線底端，即性能穩(wěn)定期，仍然可以繼續(xù)使用。

4 故障模式及影響分析

4.1 故障模式

根據(jù)故障情況及壓縮機自身屬性，壓縮機故障共有4種典型故障模式，其影響如表4所示。

表4 空調(diào)壓縮機典型故障模式及其影響

4.2 影響分析

由表3可知，單臺壓縮機故障對行車安全和運營秩序無影響。此外，每列車有2臺空調(diào)機組，每臺空調(diào)機組有2臺壓縮機。在實際運營過程中，司機通常會開啟“自動”模式。根據(jù)送風與回風溫度差，空調(diào)系統(tǒng)自動在“全冷”與“半冷”模式間切換：“全冷”為單個空調(diào)機組的2臺壓縮機同時工作，“半冷”為單個空調(diào)機組的1臺壓縮機工作?？梢?，單臺壓縮機不工作會導致單輛車喪失1/3的制冷量，且 “半冷”工況時無影響，“全冷”工況時可能導致乘坐舒適度略降低。

綜上所述，延長壓縮機更換周期至15年較為合理。

5 結(jié)語

根據(jù)本文研究結(jié)果，大修期更換的車輛空調(diào)壓縮機未達設計使用壽命，狀態(tài)良好，性能良好，故障率低，能滿足繼續(xù)使用的要求。因此大修期更換車輛空調(diào)壓縮機屬于過度維修。為提升運營可靠性、降低全壽命周期成本，經(jīng)進一步分析，運營期為15年時更換空調(diào)壓縮機更為合理。本文研究思路可為城市軌道交通車輛修程修制優(yōu)化提供參考。

車輛運營環(huán)境較為復雜，本文僅論證了壓縮機可延長至15年更換的合理性，優(yōu)化后仍需結(jié)合運營環(huán)境、運營表現(xiàn)、地面試驗、壽命研究等工作驗證修程優(yōu)化的合理性，形成修程制定及優(yōu)化的閉環(huán)管理。