劉建勝

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510440）

地鐵工程車活塞式空壓機(jī)二級機(jī)構(gòu)的氣閥故障診斷研究

劉建勝

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510440）

廣州地鐵早期采購的工程車車載空壓機(jī)多為活塞式，其故障率高于近幾年逐漸推廣的螺桿式空壓機(jī)。氣閥工作狀態(tài)的好壞是空壓機(jī)技術(shù)優(yōu)劣的核心問題之一，深入研究氣閥故障機(jī)理和故障診斷方法，具有較大的實際意義。

活塞式空壓機(jī)；氣閥；故障診斷

1 背景

廣州地鐵內(nèi)燃機(jī)車均采用活塞式空壓機(jī)，型號為W-1.6/9型，其故障率高于近幾年逐漸推廣的螺桿式空壓機(jī)。2013年初，正在段內(nèi)作業(yè)的工程車空壓機(jī)突發(fā)異響，檢查發(fā)現(xiàn)安裝在中間冷卻器上面的安全閥意外開啟，安全閥卸荷時發(fā)出刺耳的尖叫聲。意外開啟的安全閥安裝在聯(lián)接一級氣缸和二級氣缸之間的中間冷卻器上，被稱為一級安全閥，其校準(zhǔn)壓力為3.5+0.5（bar）（表壓），當(dāng)中間冷卻器超壓時便自動開啟。

1.1 故障原因分析

觸發(fā)安全閥的因素有二：第一，安全閥自身故障導(dǎo)致意外開啟；第二，安裝該安全閥的中間冷卻器內(nèi)壓力異常過高，致使安全閥開啟?；诘谝粭l原因，連續(xù)更換了兩個安全閥，故障均未解除，排除了安全閥自身故障，所以唯一可能原因是二級壓縮氣缸的高壓空氣竄回中間冷卻器。

拆解二級壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)一步確定故障點，完全拆解的故障氣閥見圖1，該氣閥融合了吸氣閥和排氣閥功能于一體，吸排氣閥功能類似于單向閥，通過支撐彈簧和兩側(cè)氣體壓力的交替作用自動啟閉，實現(xiàn)二級壓縮機(jī)構(gòu)的吸、排氣功能。

圖1 完全拆解的故障氣閥

檢查發(fā)現(xiàn)氣閥的吸氣閥片破裂，見圖2，破損的閥片碎塊落入氣缸，與缸內(nèi)高速往復(fù)運動的活塞撞擊，閥片碎塊在高速沖擊的環(huán)境下發(fā)生卷曲，見圖3氣缸內(nèi)發(fā)現(xiàn)的閥片碎塊。此外，檢查活塞的上表面被嚴(yán)重拉傷，氣閥總成的下表面也有不同程度的刮花，幸好氣缸內(nèi)壁未出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)支撐該閥片的三個彈簧中有兩個斷裂。

圖2 破裂的吸氣閥片

圖3 氣缸內(nèi)發(fā)現(xiàn)的閥片碎塊

當(dāng)吸氣閥片疲勞破裂后，壓縮機(jī)構(gòu)處于排氣階段時，吸氣閥片無法起到密封作用，部分高壓空氣通過吸氣閥片的破裂處竄到吸氣口，二級壓縮機(jī)構(gòu)的吸氣口與中間冷卻器連通，故而觸發(fā)了安裝在中間冷卻器上的安全閥。

1.2 故障發(fā)生過程

本次故障引起的直接后果有氣閥的吸氣閥片破裂、高速沖撞情況下閥片碎塊卷曲、活塞的上表面被嚴(yán)重擦傷、氣閥總成的下表面也有不同程度的刮花、支撐該閥片的三個彈簧中有兩個斷裂等。

故障發(fā)生過程分析如圖6所示。

圖4 支撐吸氣閥片的彈簧斷裂

圖5 閥片碎塊深度擦傷活塞

圖6 故障發(fā)生過程

2 故障機(jī)理探究

2.1 故障診斷方法

活塞式空壓機(jī)從反映故障狀態(tài)的監(jiān)控參數(shù)上可分為兩大類：一類故障征兆表現(xiàn)在熱力參數(shù)變化上，如排氣量變化、吸排氣壓力變化、各部位溫度變化等；另一類故障征兆表現(xiàn)在動力參數(shù)變化上，如空壓機(jī)零部件的缺陷、磨損、斷裂和損壞等故障所表現(xiàn)的征兆。所以空壓機(jī)日常檢修時要做到以下幾個方面：

聽：檢查空壓機(jī)運行時有無異響，異響是零部件磨損、斷裂和損壞等故障所表現(xiàn)的征兆；

測：測量一級氣缸和二級氣缸的排氣壓力，觀測總風(fēng)缸風(fēng)壓、打風(fēng)速度等參數(shù)；

感：用紅外測溫儀觀測空壓機(jī)各氣缸溫度變化，對于包含有高速運轉(zhuǎn)的零部件的設(shè)備來說，觀測溫度是故障診斷最常見的方法之一。

2.2 閥片破裂機(jī)理分析

閥片主要的破壞形式是在頻繁的撞擊載荷下引起的徑向斷裂。此外閥片磨損、閥片材料缺陷、介質(zhì)腐蝕亦會引起閥片破壞。

閥片的運動規(guī)律是氣缸內(nèi)壓力、管路壓力、氣閥彈簧力、閥片開啟高度、閥片重量等綜合因素作用的結(jié)果。閥片運動規(guī)律曲線如圖7所示。

閥片開啟和關(guān)閉過程的平均速度分別為：

式中：h—閥片升程高度。

曲線各點的斜率表示對應(yīng)位置的瞬時運動速度：

閥片運動速度能夠反映閥片開閉是否及時、缸內(nèi)是否存在氣流壓力脈動、氣閥流通能力是否完好，分析閥片運動規(guī)律有助于查護(hù)氣閥故障的原因和選擇合適的氣閥彈簧。

圖7 閥片運動規(guī)律曲線

3 改進(jìn)措施和發(fā)展趨勢

3.1 提高氣閥耐用性的措施

（1）改變氣閥結(jié)構(gòu)。降低閥片的開啟高度可以減小閥片的撞擊速度，確保氣閥及時關(guān)閉。閥片的開啟高度降低后，氣閥的流通縫隙面積將減小，氣流阻力增大，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃黾娱y座的通道數(shù)、采用多環(huán)窄通道氣閥，這樣既可以增大氣流在閥隙中流通的面積，又可以改善閥片的受力狀態(tài)。

（2）調(diào)整彈簧力。選用預(yù)應(yīng)力和勁度系數(shù)較大的彈簧，可以提高彈簧的緩沖能力，但預(yù)應(yīng)力和勁度系數(shù)不可過大。

（3）控制壓縮空氣中的油水含量。閥片和密封口接觸時液膜產(chǎn)生的附著力將阻礙閥片運動，引起閥片開啟關(guān)閉滯后。當(dāng)閥片克服附著力脫離密封口后，以高速撞擊閥座和閥檔，從而降低了閥片使用壽命。

3.2 氣閥發(fā)展趨勢

往復(fù)式空壓機(jī)的技術(shù)上的發(fā)展方向是高速短行程，減小氣閥的開啟和關(guān)閉過程中對閥座和閥檔的沖擊速度和沖擊力，優(yōu)化閥片受力環(huán)境。但是縮短行程后，需要提高了氣閥的動作頻率以彌補(bǔ)打風(fēng)速度，即單位時間內(nèi)閥片對閥座和閥檔的沖擊次數(shù)增多，閥片和彈簧更易疲勞破壞。這些問題的解決需要在氣閥結(jié)構(gòu)、閥片動力特性和閥片及彈簧材料等方面進(jìn)行研究。

4 結(jié)語

本文從現(xiàn)場案例出發(fā)，分析活塞式空壓機(jī)氣閥故障發(fā)生過程，探究閥片的運動規(guī)律和疲勞破裂機(jī)理，站在設(shè)備保養(yǎng)人員的角度，提出了維修現(xiàn)場可行性較高的故障診斷方法。氣閥的工作狀態(tài)決定著空壓機(jī)的總體性能，及時診斷氣閥故障原因，采取合理的措施，提高空壓機(jī)運行可靠性是很有必要的。此外，設(shè)備保養(yǎng)人員要及時申報備件，包括吸排氣閥片、支撐彈簧等，便于及時處理故障。

從國內(nèi)來看，螺桿式空壓機(jī)逐漸替代往復(fù)式空壓機(jī)是大勢所趨，前者是免維護(hù)型，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的往復(fù)式空壓機(jī)。筆者公司也逐漸普及螺桿式空壓機(jī)，廣州地鐵有三臺采購較早的工程車于2012年開展了空壓機(jī)改型項目，將原有的活塞式空壓機(jī)改為螺桿式空壓機(jī)。設(shè)備維修部門也可研討該工程車開展空壓機(jī)換型的可行性。

［1］沈慶根.鄭水英.設(shè)備故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］劉光浩，韋林，覃日強(qiáng).基于故障樹的曲柄壓力機(jī)高頻振動故障分析診斷研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2011（8）：71-72，167.

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［4］胡家順.活塞式壓縮機(jī)氣閥彈簧的優(yōu)化設(shè)計［J］.武漢化工學(xué)院學(xué)報，1999，21（3）：61-66.

Air Valve Fault Diagnosis of Two Level Institutions of Piston Air Compressor on Metro Engineering Train

LIU Jian-sheng
（Guangzhou Metro Corporotion，Guangzhou 510440，China）

In the early period，most of engineering trains purchased by Guangzhou Metro were working with piston air compressor.The malfunction rate of piston air compressor is higher than the screw compressor.Valve working condition quality is one of the key problems of the advantage of air compressor.Study of valve fault mechanism and fault diagnosis method deeply,it is of great practical significance.

piston air compressor；air valve；malfunction elimination

TU857

A

1009－9492(2014)03－0109－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.033

劉建勝，男，1986年生，山東菏澤人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：城市軌道交通。

(編輯：王智圣)

2014－01－16