CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)油氣分離器更新周期優(yōu)化研究

周新力

(中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司廣州動(dòng)車(chē)段,廣東 廣州 511483)

0 引言

為進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)車(chē)組檢修周期,避免過(guò)度修,實(shí)現(xiàn)保證質(zhì)量安全、減少檢修頻次、降低檢修成本、提高運(yùn)用效率的總體目標(biāo),國(guó)鐵集團(tuán)組織各鐵路局推進(jìn)動(dòng)車(chē)組修程修制改革工作。廣州局集團(tuán)有限公司積極響應(yīng),以落實(shí)國(guó)鐵集團(tuán)關(guān)于提質(zhì)降本增效的部署要求,開(kāi)展了CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)油氣分離器更新周期優(yōu)化研究與驗(yàn)證,相關(guān)成果為開(kāi)展動(dòng)車(chē)組修程修制改革工作提供了有力數(shù)據(jù)支撐。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 現(xiàn)行檢修要求

我國(guó)動(dòng)車(chē)組修程修制分為5個(gè)級(jí)別,其中一、二級(jí)為運(yùn)用修,三、四、五級(jí)為高級(jí)修[1]。CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組三級(jí)修里程周期為每運(yùn)行145萬(wàn)km或3年,四級(jí)修為每運(yùn)行290萬(wàn)km或6年。CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組三級(jí)修時(shí),主空壓機(jī)需要進(jìn)行部分分解檢修,要求更換油氣分離器。由于空間限制,在更換油氣分離器時(shí)需要將主空壓機(jī)從車(chē)體上拆下。CRH3C平臺(tái)動(dòng)車(chē)組原型車(chē)由德鐵公司負(fù)責(zé)維護(hù),德鐵公司當(dāng)前執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是在車(chē)組運(yùn)行330萬(wàn)km或6年時(shí),主空壓機(jī)拆下后返廠分解檢修時(shí)更換油氣分離器,在此之前以故障修為主。

1.2 存在的問(wèn)題

CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組現(xiàn)行檢修要求在145萬(wàn)km或3年的三級(jí)修更新油氣分離器,除材料成本外,因受主空壓機(jī)結(jié)構(gòu)限制,更換油氣分離器時(shí)需要拆裝主空壓機(jī),在一定程度上制約了檢修效率的提升,同時(shí)其所需的人時(shí)成本也較高。此外,對(duì)比國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品檢修要求,存在一定過(guò)度修情況[2-4]。

1.3 研究目標(biāo)

掌握CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)油氣分離器性能劣化規(guī)律和使用壽命,研究將CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)油氣分離器由145萬(wàn)km或3年的三級(jí)修更新延長(zhǎng)至290萬(wàn)km或6年的四級(jí)修更新,以達(dá)到提高檢修效率,降低檢修成本的目的。

2 結(jié)構(gòu)原理

CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組配置SL22型旋轉(zhuǎn)螺桿式主空壓機(jī)[5],主要由空氣濾清器、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、濾油芯筒、油氣分離器、雙塔干燥器、精細(xì)濾油器等組成,用于產(chǎn)生和處理壓縮空氣。其中,油氣分離器是決定主空壓機(jī)壓縮空氣品質(zhì)的關(guān)鍵部件。主空壓機(jī)工作原理圖如圖1所示。油氣分離器如圖2所示。

圖1 CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)工作原理圖

圖2 CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)油氣分離器

圖3 油氣分離器歷史運(yùn)用故障統(tǒng)計(jì)(2016—2020年)

外界空氣經(jīng)空氣濾清器過(guò)濾后進(jìn)入壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子處,與潤(rùn)滑油壓縮形成油氣混合物,油氣混合物中夾雜著大大小小的油滴,必須進(jìn)行油氣分離。油氣分離一般是由油氣桶的一次分離和油氣分離器的二次分離組成。油氣混合物進(jìn)入到油氣桶中,大部分油在離心力和重力作用下,落到罐體底部,而含有油霧(直徑1 um以下懸浮油微粒)的壓縮空氣則必須通過(guò)油氣分離器濾芯的微米級(jí)玻纖濾材進(jìn)行二次分離。油微粒經(jīng)過(guò)濾材的擴(kuò)散作用,直接被濾材攔截以及慣性碰撞凝聚等機(jī)理,使壓縮空氣中的懸浮油微粒很快凝聚成大油滴,在重力作用下油集聚在油氣桶底部,通過(guò)底部凹處二次回油管進(jìn)口返回主機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng),從而使主空壓機(jī)排出更加純凈無(wú)油的壓縮空氣[6-7]。

3 可行性分析

3.1 歷史故障數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析了CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組油氣分離器2016—2020年的運(yùn)用故障情況,油氣分離器故障數(shù)較少,屬于偶發(fā)故障,整體運(yùn)用性能平穩(wěn)可靠。

3.2 故障失效影響分析

CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組配置了2臺(tái)(長(zhǎng)編4臺(tái))主空壓機(jī),對(duì)油氣分離器的潛在失效影響及危害進(jìn)行分析[8-10],分析結(jié)果具體如表1所示。從失效危害可以看出,油氣分離器故障后若及時(shí)處理對(duì)車(chē)輛安全影響較小,在極端工況下可能影響車(chē)組制動(dòng)性能,對(duì)行車(chē)安全造成影響。

表1 油氣分離器失效影響及危害分析

3.3 理論使用壽命分析

為掌握油氣分離器理論使用壽命,組織開(kāi)展油氣分離器耐久試驗(yàn)。在壓縮機(jī)組最小壓力閥后安裝2個(gè)精細(xì)濾油器。試驗(yàn)時(shí),每運(yùn)行500 h左右,在1 MPa、0.65 MPa背壓下進(jìn)行1次精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)。根據(jù)壓縮機(jī)排量、階段排油體積、排油持續(xù)時(shí)間等,按照公式(1)換算成壓縮空氣實(shí)際含油量。

(1)

式中:X為含油量,mg/m3;ρ為潤(rùn)滑油密度,g/cm3;Q為壓縮機(jī)排量,L/min;V為精細(xì)濾油器排油體積,cm3;h為持續(xù)時(shí)間,min。

根據(jù)TB/T 2710.2—2015《機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組用空氣壓縮機(jī)組技術(shù)條件 第2部分:螺桿活塞空氣壓縮機(jī)組》[11]要求,壓縮機(jī)出口壓縮空氣含油量等級(jí)應(yīng)符合ISO 8573-1等級(jí)4規(guī)定的限值5 mg/m3,若超出限值則視為油氣分離器失效。經(jīng)對(duì)各階段的壓縮空氣含油量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,壓縮空氣平均含油量在前期一段時(shí)間內(nèi)均維持較低水平且趨勢(shì)平穩(wěn)。隨著主空壓機(jī)運(yùn)行小時(shí)數(shù)增加,油氣分離器性能逐漸衰退,當(dāng)達(dá)到4 000 h左右時(shí),壓縮空氣含油量開(kāi)始快速上升,最終超限。壓縮空氣平均含油量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 壓縮空氣平均含油量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該試驗(yàn)未考慮動(dòng)車(chē)組運(yùn)用實(shí)際環(huán)境的影響,為油氣分離器正常運(yùn)用維護(hù)的理論使用壽命。數(shù)據(jù)結(jié)果表明,油氣分離器正常運(yùn)用維護(hù)的理論使用壽命約5 000～6 000 h。

統(tǒng)計(jì)了CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組在三級(jí)修和四級(jí)修的主空壓機(jī)運(yùn)行總時(shí)間,具體如表2所示。三級(jí)修時(shí)主空壓機(jī)平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2 700 h,即油氣分離器正常更新時(shí)的平均使用周期,該使用周期遠(yuǎn)低于油氣分離器正常運(yùn)用維護(hù)的理論使用壽命。四級(jí)修時(shí)主空壓機(jī)平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5 900 h,若油氣分離器由三級(jí)修更新延長(zhǎng)至四級(jí)修更新,則油氣分離器的使用周期將基本達(dá)到正常運(yùn)用維護(hù)的理論使用壽命上限。

相對(duì)于以往的生物學(xué)教學(xué)，STEM教育首次引入了“工程學(xué)”的內(nèi)容。在工程學(xué)中，工程師是最重要的角色，他們運(yùn)用系統(tǒng)的過(guò)程、數(shù)學(xué)工具及科學(xué)知識(shí)來(lái)開(kāi)發(fā)、建模、分析、改進(jìn)特定問(wèn)題的解決方案。STEM教育就是去創(chuàng)造一種實(shí)踐環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生像工程師一樣去主動(dòng)探究，從而將STEM教育的特性運(yùn)用到學(xué)習(xí)與實(shí)踐中。以STEM理念來(lái)建構(gòu)生物學(xué)模型，將抽象知識(shí)轉(zhuǎn)化為直觀認(rèn)識(shí)，能夠有效地幫助學(xué)生理解微觀抽象的生物學(xué)知識(shí)，是其體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程的有效途徑。因此，利用STEM理念所建構(gòu)的“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型有以下特點(diǎn)。

表2 主空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

分析可見(jiàn),CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組三級(jí)修更新主空壓機(jī)油氣分離器,未完全利用其使用壽命,可研究延長(zhǎng)其更新周期,結(jié)合四級(jí)修進(jìn)行更新。

3.4 小結(jié)

綜上分析,CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組油氣分離器開(kāi)展更新周期延長(zhǎng)優(yōu)化研究具備理論可行性,擬采取實(shí)車(chē)跟蹤驗(yàn)證方式,評(píng)判優(yōu)化后是否滿足動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)用要求。

4 驗(yàn)證內(nèi)容

4.1 實(shí)施方案

CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)在三級(jí)修檢修時(shí),將短編組06車(chē)、長(zhǎng)編組06/11車(chē)配置的主空壓機(jī)作為驗(yàn)證主空壓機(jī),由分解檢修優(yōu)化為狀態(tài)修,不更新油氣分離器,至該動(dòng)車(chē)組下一輪四級(jí)修入修前,開(kāi)展為期一個(gè)高級(jí)修周期的運(yùn)用考核。運(yùn)用考核期間,跟蹤驗(yàn)證主空壓機(jī)運(yùn)用故障情況,每10萬(wàn)km對(duì)驗(yàn)證主空壓機(jī)開(kāi)展精細(xì)濾油器排油量檢測(cè),記錄主空壓機(jī)運(yùn)行小時(shí)數(shù),直至驗(yàn)證結(jié)束。

4.2 失效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式(1),壓縮空氣含油量應(yīng)不超過(guò)5 mg/m3。經(jīng)公式換算,當(dāng)主空壓機(jī)每運(yùn)行100 h精細(xì)濾油器排油量超過(guò)40 mL時(shí),壓縮空氣含油量將超過(guò)5 mg/m3,此時(shí)表明油氣分離器使用性能已不滿足使用要求,故設(shè)定本次驗(yàn)證油氣分離器失效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為:主空壓機(jī)精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超40 mL/100 h。

4.3 跟蹤驗(yàn)證情況

4.3.1總體情況

廣州局集團(tuán)有限公司共選取了37組CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組開(kāi)展跟蹤驗(yàn)證。跟蹤驗(yàn)證期間,主空壓機(jī)精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超40 mL/100 h共發(fā)生14起,占比達(dá)37.8%。主空壓機(jī)精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超標(biāo)后,檢查總風(fēng)缸和冷凝水箱排出有大量油水混合物,部分車(chē)組在邊門(mén)供風(fēng)管路中發(fā)現(xiàn)有油水混合物,影響到邊門(mén)正常使用。

4.3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超標(biāo)驗(yàn)證動(dòng)車(chē)組三級(jí)修后跟蹤里程和主空壓機(jī)總運(yùn)行小時(shí)數(shù):最大跟蹤驗(yàn)證里程為139萬(wàn)km,最小跟蹤驗(yàn)證里程為74萬(wàn)km;主空壓機(jī)最大總運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5 500 h,最小總運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2 950 h,具體如圖5所示。

圖5 超標(biāo)車(chē)組三級(jí)修后驗(yàn)證跟蹤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

分析上述驗(yàn)證跟蹤數(shù)據(jù),一是精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超標(biāo)車(chē)組三級(jí)修后驗(yàn)證跟蹤里程均超過(guò)70萬(wàn)km,且隨著運(yùn)用里程的增加,故障數(shù)量呈增加趨勢(shì),超過(guò)100萬(wàn)km以上后故障占比達(dá)71.4%;二是精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超標(biāo)車(chē)組主空壓機(jī)總運(yùn)行時(shí)間主要集中在4 000～5 000 h,占比達(dá)50%,表明油氣分離器運(yùn)用至4 000～5 000 h時(shí)大概率會(huì)發(fā)生失效。超標(biāo)車(chē)組三級(jí)修后驗(yàn)證里程統(tǒng)計(jì)分析如圖6所示,主空壓機(jī)運(yùn)行總小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析如圖7所示。

圖6 超標(biāo)車(chē)組三級(jí)修后驗(yàn)證跟蹤里程統(tǒng)計(jì)分析

4.3.3原因分析

針對(duì)失效油氣分離器,分別選取1個(gè)運(yùn)用4 000 h以上和1個(gè)運(yùn)用5 000 h以上的油氣分離器進(jìn)行拆解檢查,結(jié)果如下:油氣分離器外觀狀態(tài)類(lèi)似,接縫處表面膠帶均變色,且局部變形、損壞。進(jìn)一步拆解檢查,內(nèi)部濾材已變色、臟污。失效油氣分離器外觀及內(nèi)部狀態(tài)分別如圖8、圖9所示。

分析導(dǎo)致油氣分離器失效有如下原因:

(1)濾材達(dá)到使用壽命,過(guò)濾效果逐漸降低造成失效。

(2)空壓機(jī)長(zhǎng)期缺油或冷卻器臟污,造成空壓機(jī)長(zhǎng)期高溫工作,加速油氣分離器老化,造成失效。

(3)空壓機(jī)長(zhǎng)期加油過(guò)多,由于濾材表面累積的潤(rùn)滑油增多,長(zhǎng)期使用過(guò)程中形成較大壓差,導(dǎo)致局部區(qū)域?yàn)V材損壞,造成油氣分離器提前失效。

針對(duì)上述原因(2)、(3),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)運(yùn)用維護(hù)作業(yè)情況進(jìn)行了調(diào)研,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員均能夠按照空壓機(jī)運(yùn)用維護(hù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,排除上述原因。結(jié)合故障件現(xiàn)象和檢測(cè)數(shù)據(jù),判斷油氣分離器失效是由于受動(dòng)車(chē)組運(yùn)用實(shí)際環(huán)境的影響,油氣分離器在分離潤(rùn)滑油和壓縮空氣的同時(shí),部分雜質(zhì)不可避免滯留在濾材上,隨著使用時(shí)間的增加,堵塞過(guò)濾微孔,致使阻力過(guò)大,從而造成油氣分離器過(guò)濾油的功能失效。油氣分離器失效后,潤(rùn)滑油進(jìn)入干燥塔影響干燥塔干燥性能,導(dǎo)致精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超標(biāo)、總風(fēng)缸和冷凝水箱中出現(xiàn)大量油水混合物等問(wèn)題發(fā)生。

5 總結(jié)

本文對(duì)CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)油氣分離器檢修現(xiàn)狀及存在問(wèn)題開(kāi)展分析,擬定將油氣分離器由三級(jí)修更新延長(zhǎng)至四級(jí)修更新的研究目標(biāo)。通過(guò)采取實(shí)車(chē)跟蹤驗(yàn)證方式,分析油氣分離器性能劣化規(guī)律和實(shí)際使用壽命,總結(jié)如下:

(1)CRH3C、380B平臺(tái)動(dòng)車(chē)組主空壓機(jī)油氣分離器運(yùn)用至4 000 h或三級(jí)修后跟蹤里程達(dá)70萬(wàn)km以上后,精細(xì)濾油器排油量檢測(cè)超標(biāo)故障開(kāi)始逐漸增多,即油氣分離器性能開(kāi)始劣化,直至失效。

(2)油氣分離器失效后,下游用風(fēng)設(shè)備會(huì)進(jìn)入大量油水混合物,影響動(dòng)車(chē)組相關(guān)部件正常運(yùn)用。

(3)跟蹤驗(yàn)證期間油氣分離器失效故障占比較高,表明其實(shí)際使用壽命無(wú)法滿足一個(gè)四級(jí)修使用要求,仍需要維持在三級(jí)修進(jìn)行更新。