孟繁輝

(中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林長春 130026)

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運(yùn)用與檢修

高速動車組供風(fēng)系統(tǒng)故障分析及改進(jìn)措施

孟繁輝

(中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林長春 130026)

介紹了CRH5型動車組供風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)原理，并對多年運(yùn)用中供風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的主要故障進(jìn)行了分析，并提出有效的改進(jìn)措施。

動車組; 供風(fēng)系統(tǒng); 故障分析

CRH5型動車組自2007年投入運(yùn)營，至今最早投入運(yùn)營的動車組時間已經(jīng)超過8年，已經(jīng)進(jìn)入480萬km的五級修程。其運(yùn)營范圍覆蓋東北、西北、中原、華南、華東等18個省區(qū)，承受了零下40℃到零上40℃間的高寒高溫環(huán)境以及蘭新線的高海拔、強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境等全天候全氣候的考驗。

CRH5型動車組供風(fēng)系統(tǒng)采用螺桿式空壓機(jī)和雙塔式干燥器，在各種環(huán)境條件中運(yùn)用良好。本文總結(jié)了在多年運(yùn)用中供風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的主要故障，并提出了有效的改進(jìn)措施。

1　供風(fēng)系統(tǒng)介紹

CRH5型動車組主供風(fēng)單元由SL22-49型螺桿壓縮機(jī)、LTZ型雙塔式干燥器和精細(xì)濾油器等組成。

1.1技術(shù)參數(shù)

(1) 電氣參數(shù)

額定工作電壓/VAC 400±10%，50 Hz±2%；

額定控制電壓/VDC 24；

啟動電流有效值(20℃)/A144+20%(rms)；

峰值電流(20℃)/A264+20%；

功率因數(shù) 不低于0.8；

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1 460±3%。

(2)氣動參數(shù)

壓縮空氣出口壓力/kPa額定壓力為1 000，最大為1 200；

壓縮空氣質(zhì)量不低于ISO 8573-1中3-2-3級要求；

壓縮空氣排量/(dm3·min-1)1 060±7%；

冷卻空氣排量/(m3·h-1)不大于1 400；

壓縮空氣出口溫度/℃不高于環(huán)境溫度15～20。

1.2技術(shù)要求

(1)螺桿壓縮機(jī)設(shè)置溫度保護(hù)開關(guān)，當(dāng)溫度超過105℃±5℃時，溫度保護(hù)開關(guān)動作。溫度潤滑油及壓縮空氣在未經(jīng)冷卻器之前的極限溫度滿足TB/T 2710.2的要求。

(2)主供風(fēng)單元在額定工況下，每小時啟停機(jī)不少于30次，應(yīng)正常穩(wěn)定工作。

(3)主供風(fēng)單元壓縮機(jī)的振動烈度符合GB/T 7777的規(guī)定，其最大值不超過7.1 mm/s。

(4)主供風(fēng)單元壓縮機(jī)的油消耗量滿足TB/T 2710.2的要求。

(5)主供風(fēng)單元的壓縮空氣出口溫度不高于環(huán)境溫度15℃～20℃，且壓縮機(jī)運(yùn)行20 min時，潤滑油油溫應(yīng)穩(wěn)定在77℃～93℃。

(6)空氣壓縮機(jī)按連續(xù)工作制設(shè)計。

(7)主供風(fēng)單元壓縮機(jī)由運(yùn)行切換為停機(jī)后，應(yīng)能盡快將空壓機(jī)內(nèi)部壓力卸壓。

(8)主供風(fēng)單元振動沖擊性能滿足IEC 61373-2010 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗規(guī)定的1類B級要求。

1.3螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)(見圖1)

壓縮機(jī)通過彈性聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)剛性安裝在一起，直接由電機(jī)驅(qū)動。壓縮機(jī)單元壓縮后的空氣經(jīng)過壓縮機(jī)折流板1.1.1.a和除油過濾元件1.1.4除油后，再經(jīng)過空氣散熱器(1.8.b) 進(jìn)入壓縮空氣管道(1.8.c)。

壓縮過程中用于密封、潤滑和散熱的油通過控油單元(1.2) 再次被導(dǎo)入壓縮機(jī)單元。壓縮機(jī)組每次關(guān)斷后，泄壓閥(1.4) 把壓縮機(jī)內(nèi)的壓力降低，壓力卸載情況由壓力開關(guān)D進(jìn)行監(jiān)控。此外，壓縮機(jī)還包括油循環(huán)和空氣循環(huán)回路中的過濾、調(diào)節(jié)及監(jiān)控裝置。

圖1　螺桿壓縮機(jī)示意圖

1.4雙塔干燥器結(jié)構(gòu)(見圖2)

圖2　雙塔干燥器示意圖

干燥器由2個干燥劑罐(19)，各帶有內(nèi)置的油分離器。干燥器內(nèi)設(shè)止回閥(24)和溢流閥(71)、1個雙活塞閥(34)用于設(shè)備排水、1個電磁閥(43)和用于控制循環(huán)的電路板。每個干燥劑罐配有1個壓力指示器，用以顯示其所處的工作狀態(tài)。例如，如果左側(cè)干燥劑罐中有壓力，說明它處于干燥階段。

雙室型無熱再生吸附干燥器以兩個階段同時工作，即干燥和再生同時進(jìn)行。當(dāng)主氣流在其中一個干燥塔中干燥時，另一個干燥塔中的干燥劑進(jìn)行再生。

在空轉(zhuǎn)或關(guān)閉壓縮機(jī)后，控制裝置將接通的實際狀態(tài)儲存下來，當(dāng)重新接通時繼續(xù)計數(shù)。由此可以確保需要再生的干燥劑能夠完全干燥而不致于因推遲轉(zhuǎn)換周期而出現(xiàn)過飽和狀況。

2　故障分析及改進(jìn)措施

2.1空壓機(jī)卸載壓力開關(guān)故障

(1)故障情況：運(yùn)用中空壓機(jī)發(fā)生過多起報故障不能工作的情況，經(jīng)過檢查均為卸載壓力開關(guān)故障導(dǎo)致。卸載壓力開關(guān)用于檢測壓縮機(jī)停機(jī)后的壓力卸載情況，防止壓縮機(jī)帶壓力啟動。該壓力開關(guān)在壓縮機(jī)停機(jī)后立即激活，在幾秒鐘后壓力重新下降，壓力開關(guān)重新關(guān)閉。如果此壓力開關(guān)故障，將導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤的檢測到壓力持續(xù)處于未卸荷狀態(tài)，從而導(dǎo)致空壓機(jī)無法啟動。

(2)原因分析：經(jīng)過對空壓機(jī)卸載壓力開關(guān)故障件拆解檢查，發(fā)現(xiàn)故障的壓力開關(guān)普遍存在內(nèi)部橡膠膜板破裂情況，見圖3。

圖3　破裂的壓力開關(guān)橡膠膜板

經(jīng)過試驗室測試，破裂的橡膠膜板相比新的橡膠膜板硬度增加10%到20%，脆化轉(zhuǎn)換點(diǎn)溫度由-30℃提高到約-15℃。為此確定空壓機(jī)卸載壓力開關(guān)故障的主要原因是長時間運(yùn)用后，由于壓力開關(guān)內(nèi)橡膠膜板長時間接觸油氣，出現(xiàn)變硬老化直致破裂使得油氣混合物污染壓力開關(guān)內(nèi)部，導(dǎo)致壓力開關(guān)觸點(diǎn)失效。

(3)改進(jìn)方案：經(jīng)調(diào)查故障的的卸載壓力開關(guān)運(yùn)用時間普遍超過動車組四級修程，該橡膠膜板在運(yùn)用240萬km后故障率顯著增加。為此變更主空壓機(jī)檢修規(guī)程，規(guī)定在四級修規(guī)程(240萬km)更換此卸載壓力開關(guān)。同時對卸載壓力開關(guān)橡膠膜板進(jìn)行優(yōu)化。

(4)實施驗證:從2012年開始所有空壓機(jī)卸載壓力開關(guān)在四級修程時進(jìn)行更換，同時對已經(jīng)完成四級修出廠的卸載壓力開關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場更換。經(jīng)過兩年多的運(yùn)用檢驗，目前由于卸載壓力開關(guān)故障導(dǎo)致空壓機(jī)故障不能啟動的故障已經(jīng)顯著降低。

2.2干燥器故障

運(yùn)用中空壓機(jī)發(fā)生多起干燥器活塞閥漏風(fēng)故障，導(dǎo)致干燥器功能減弱或失效，制動系統(tǒng)管路中出現(xiàn)大量的水，在寒冷的冬季將導(dǎo)致水在管路中凍結(jié)，發(fā)生空氣簧無風(fēng)的情況。經(jīng)過對故障干燥器活塞閥拆解，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致活塞閥漏風(fēng)故障存在以下兩種原因。

2.2.1干燥器活塞閥故障

(1)故障情況：克諾爾公司在2007年以前生產(chǎn)的干燥器活塞閥閥頭采用了密封橡膠墊與金屬基座熔結(jié)結(jié)構(gòu)，見圖4。經(jīng)拆卸故障活塞閥，發(fā)現(xiàn)活塞閥閥頭和密封結(jié)構(gòu)在長期活塞閥轉(zhuǎn)換作用下部分出現(xiàn)了熔結(jié)不牢失效的情況，見圖5。

(2)原因分析：雙塔干燥器在工作中通過轉(zhuǎn)換電磁閥控制兩個活塞閥定時轉(zhuǎn)換實現(xiàn)干燥劑的持續(xù)再生功能，活塞閥和密封結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換過程中承受了較高的壓力以及瞬時的沖擊。在這種反復(fù)疲勞沖擊下，原密封橡膠墊與金屬基座熔接結(jié)構(gòu)如果存在熔接不良時容易出現(xiàn)橡膠墊與金屬基座脫離情況，從而導(dǎo)致干燥器活塞閥出現(xiàn)泄漏。

(3)改進(jìn)方案：優(yōu)化活塞閥閥頭結(jié)構(gòu)，取消原熔接結(jié)構(gòu)，采用加厚的錐形閥頭和O型密封圈結(jié)構(gòu)，見圖6。同時在活塞閥的控制氣路上增加節(jié)流縮孔，以降低活塞閥轉(zhuǎn)換時閥頭橡膠件受到的沖擊力，經(jīng)過實際測試增加節(jié)流縮孔后閥頭受到的沖擊載荷由2 800 N降低為800 N。

圖4　熔接結(jié)構(gòu)閥頭

(4)試驗驗證：新改進(jìn)的結(jié)構(gòu)在試驗室中最苛刻的條件下進(jìn)行耐久性試驗。在常溫120 kPa的空氣壓力載荷條件下活塞閥的工作次數(shù)超過100萬次。在最嚴(yán)苛的高溫+67℃和相對濕度100%條件下，活塞閥的工作次數(shù)超過43萬次。在-40℃低溫條件下活塞閥的工作次數(shù)超過17 000次。改進(jìn)后的活塞閥在最嚴(yán)苛條件下使用壽命比原結(jié)構(gòu)提升超過300%，可以滿足約13 000個工作小時，完全滿足動車組240萬km的大修要求。

圖5　損壞的熔接閥頭

圖6　新的密封圈閥頭

2.2.2干燥器溫控開關(guān)故障

(1)故障情況：運(yùn)用中活塞閥發(fā)生多起漏氣故障。對故障的活塞閥拆卸下在試驗臺上進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)在低壓側(cè)存在漏氣現(xiàn)象。對活塞閥進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)活塞閥閥芯上的所有橡膠密封圈外側(cè)均由紅色變?yōu)楹谏?，并且密封圈上存在明顯的壓痕。

(2)原因分析：由于干燥器是設(shè)計為在高寒環(huán)境下工作，為此干燥器活塞閥設(shè)有低溫加熱裝置。分解中發(fā)現(xiàn)活塞閥內(nèi)油脂很少，橡膠密封圈已經(jīng)出現(xiàn)碳化，說明活塞閥處于持續(xù)高溫工作狀態(tài)。對活塞閥的溫控開關(guān)電路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)溫控開關(guān)存在短路，觸點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)燒融情況。由于溫控開關(guān)控制在環(huán)境溫度高于10℃時禁止活塞閥加熱，而溫控開關(guān)短路將導(dǎo)致活塞閥在環(huán)境溫度高于10℃的環(huán)境(尤其是在夏季高溫條件下)中也持續(xù)處于加熱狀態(tài)。

經(jīng)過試驗室測試發(fā)現(xiàn)故障溫控開關(guān)觸點(diǎn)中存在大量硅化合物，這些物質(zhì)導(dǎo)致溫控開關(guān)觸點(diǎn)電阻增加，從而溫度升高導(dǎo)致燒損。經(jīng)確定這些硅化合物來自于溫控開關(guān)的密封膠。

(3)改進(jìn)方案：對溫控開關(guān)密封膠進(jìn)行改進(jìn)，更換為不含硅化合物的密封膠。

(4)實施驗證: 從2014年開始對所有動車組干燥器的溫控開關(guān)進(jìn)行更換。經(jīng)過一年多的運(yùn)用檢驗，目前由于溫控開關(guān)故障導(dǎo)致干燥器功能失效的故障基本消除。

2.3運(yùn)用維護(hù)問題

動車組運(yùn)用中由于運(yùn)營方操作維護(hù)經(jīng)驗不足，發(fā)生多起空壓機(jī)故障情況。運(yùn)用維護(hù)方面主要存在以下幾種問題：

2.3.1潤滑油加注問題

在多年的運(yùn)用維護(hù)中，經(jīng)調(diào)查各路局在潤滑油加注方面主要存在以下兩個問題：

(1)潤滑油型號選擇錯誤

運(yùn)用維護(hù)中存在更換和補(bǔ)加潤滑油時使用不符合規(guī)定的廠家及型號的潤滑油的情況，使得空壓機(jī)潤滑油混用?？諌簷C(jī)在選擇潤滑油時經(jīng)過大量的測試和數(shù)據(jù)分析以確定油品。更換后的潤滑油可能不能滿足空壓機(jī)初始設(shè)計輸入的各種要求，如潤滑性能、散熱性能、溫度耐受和壽命等重要指標(biāo)。另外混用潤滑油極易產(chǎn)生雜質(zhì)，堵塞潤滑油系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)溫度過高，引發(fā)空壓機(jī)燒損；同時危害轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磨損卡滯，破壞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，甚至燒損電機(jī)。

(2)潤滑油加注操作不當(dāng)

運(yùn)用維護(hù)中出現(xiàn)潤滑油加注操作不當(dāng)?shù)闹饕獑栴}是潤滑油加注過多和加油時帶入雜質(zhì)。加入過量的潤滑油將導(dǎo)致過高的油位，這將會淹沒空壓機(jī)的用于一級油氣分離的擋油板，使得空壓機(jī)內(nèi)的油氣混合物不能有效分離，這將導(dǎo)致油耗過高，不及時補(bǔ)油易導(dǎo)致空壓機(jī)燒損；這也將導(dǎo)致油氣分離器被潤滑油浸泡失效(見圖7)，使得潤滑油隨壓縮空氣進(jìn)入后續(xù)管路和空氣干燥器，油氣分離器失效也會導(dǎo)致從進(jìn)氣卸載閥噴出油霧(見圖8)，因此污染空氣濾清器；另外空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部壓力超壓，會使得安全閥動作噴出油霧。

圖7　失效的油氣分離器

針對上述問題，必須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行油位檢查。應(yīng)在空壓機(jī)暖機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行油位檢查，也就是在空壓機(jī)啟動5 min后，停機(jī)5～20 min內(nèi)完成潤滑油位檢查。如果從視窗看不到油位，需要打開油標(biāo)尺進(jìn)行檢查，油位的極限最高位不能超過上限10 mm。油位過高需排出多余的潤滑油。

圖8　污染的卸載閥

2.3.2過濾器更換問題

運(yùn)用維護(hù)中不按照要求定期更換空氣濾清器、潤滑油、油過濾器、油氣分離器、回油管內(nèi)部過濾網(wǎng)。

不定期更換空氣濾清器將直接導(dǎo)致空壓機(jī)的排風(fēng)量明顯下降，表現(xiàn)為初充風(fēng)時間明顯變長。應(yīng)隨時檢查真空指示器，同時按要求最晚1年或1 500工作小時更換空氣濾清器濾芯。

不及時更換油過濾器和潤滑油，就會使得過濾下來的雜質(zhì)殘存在空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致油過濾器功能失效，雜質(zhì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子，造成磨損，軸承破裂，空壓機(jī)風(fēng)量下降，壓力降低，并產(chǎn)生工作時的異音，嚴(yán)重時導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡死，電機(jī)燒損。每次更換油過濾器時必須同時更換潤滑油。應(yīng)按要求最晚2年或3 000工作小時更換油過濾器。

不及時更換油氣分離器，將導(dǎo)致油氣分離器失效。出現(xiàn)與潤滑油加注過多導(dǎo)致油氣分離器失效相同的后果。

不及時清潔回油管內(nèi)部的過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)堵塞將使得經(jīng)油氣分離器分離的潤滑油不能及時返回空壓機(jī)內(nèi)部，隨著油越積越多將導(dǎo)致油氣分離器失效。

2.3.3散熱器清潔問題

運(yùn)用維護(hù)中如果不定期清潔散熱器，則會導(dǎo)致散熱不良，空壓機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)溫度上升，而發(fā)生高溫斷路器保護(hù)，嚴(yán)重時燒損空壓機(jī)。另外，不定期清潔散熱器也會導(dǎo)致空壓機(jī)排出的壓縮空氣的溫度偏高，影響后續(xù)干燥器的干燥性能。按照要求，空壓機(jī)使用1年或1 500工作小時，必須清潔散熱器。

3　結(jié)束語

經(jīng)過對動車組供風(fēng)系統(tǒng)多年運(yùn)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和改進(jìn)，由于故障原因查找清楚，改進(jìn)措施得當(dāng)，目前CRH5型動車組供風(fēng)系統(tǒng)整體運(yùn)用狀態(tài)良好，慣性質(zhì)量問題得到了有效解決。對于部分維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)導(dǎo)致的故障，需要運(yùn)營方加強(qiáng)對空壓機(jī)組維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)驗的總結(jié)。參考文獻(xiàn)

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Fault Analysis and Improvement Measures for Air Supply System High-speed EMU

MENGFanhui

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd., Changchun 130026 Jilin, China)

This article introduces the structure principle of the CRH5type EMU air supply system, and analyzes the main failure of the air supply system in the years of application and puts forward effective measures to improve.

EMU; air supply system; fault analysis

1008-7842 (2016) 03-0077-04

??)男，教授級高級工程師(

2015-12-18)

U266.2.4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.16