曹文祥 張浩

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412000

隨著地鐵軌道交通的需求日益增加，對地鐵軌道交通車輛的關(guān)鍵零部件的可靠性提出越來越高的要求。而在車輛眾多關(guān)鍵零部件中，空壓機(jī)是保證城市地鐵安全的極為重要的部件。城軌車輛出于可靠性考慮，配置有兩套空氣供給裝置，互為冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)其中一套空氣供給裝置出現(xiàn)故障，另一套空氣供給裝置自動(dòng)啟動(dòng)，為車輛提供足夠的壓縮空氣保證車輛運(yùn)行。本文結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)營中空壓機(jī)停轉(zhuǎn)的典型故障開展分析研究，方便支持地鐵車輛的制動(dòng)系統(tǒng)的檢修工作。

1 空壓機(jī)的組成

目前空壓機(jī)的供風(fēng)形式分為活塞式和螺桿式，為車輛的制動(dòng)、連掛和舒適性提供風(fēng)源?？諌簷C(jī)作為列車制動(dòng)及調(diào)節(jié)舒適度的重要組成部分，在保證列車安全運(yùn)行的同時(shí)，進(jìn)一步提高乘客的乘坐舒適度。空壓機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、冷卻器、機(jī)頭等組成，如圖1所示。其中螺桿空氣壓縮機(jī)為旋轉(zhuǎn)陰陽子機(jī)械結(jié)構(gòu)，是目前行業(yè)內(nèi)商業(yè)應(yīng)用最多的壓縮機(jī)?？諌簷C(jī)螺桿結(jié)構(gòu)內(nèi)部由兩個(gè)相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子具有不對稱的嚙合型面，由電機(jī)帶動(dòng)在機(jī)頭結(jié)構(gòu)內(nèi)旋轉(zhuǎn)以壓縮空氣。壓縮機(jī)體從徑向吸氣，從軸向排氣，壓縮空氣通過壓縮機(jī)螺桿殼體內(nèi)特殊形狀的通道排出。當(dāng)轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片之間的空氣體積將被不斷壓縮。當(dāng)進(jìn)氣口打開時(shí)，被一級(jí)過濾的空氣吸入空壓機(jī)內(nèi)部。當(dāng)出入口都被轉(zhuǎn)子蓋住時(shí)，空氣被壓縮，同時(shí)向出口運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，出氣口打開，壓縮空氣從排氣口進(jìn)入第二級(jí)過濾裝置，如圖2所示。

圖1 空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 空氣壓縮機(jī)內(nèi)部機(jī)頭示意圖

2 空壓機(jī)故障檢查分析

引起空壓機(jī)故障原因存在多種，包括接觸器本身器件失效、驅(qū)動(dòng)電源線路短路造成接觸器跳開、空壓機(jī)管路堵塞造成空壓機(jī)輸入輸出空氣壓力差過大導(dǎo)致電機(jī)保護(hù)性停機(jī)、電機(jī)內(nèi)部繞組燒毀或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯等。因此，故障排除需遵循一定的順序進(jìn)行分析，進(jìn)而合理優(yōu)化空壓機(jī)的檢修方式及內(nèi)容，以提高地鐵車輛的運(yùn)營效率及列車服務(wù)可靠度。

2.1 電氣分析

主電路作為空壓機(jī)的電源輸入，是可能造成空壓機(jī)停轉(zhuǎn)的最直接原因，應(yīng)優(yōu)先測試驗(yàn)證。經(jīng)檢測，壓縮機(jī)主電路(AC380V)三相間阻值均大于100MΩ，說明主電路無故障。繼電器作為空壓機(jī)啟動(dòng)前及啟動(dòng)后的實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)，可以真實(shí)反饋當(dāng)前空壓機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)繼電器出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無法正確地監(jiān)控空壓機(jī)狀態(tài)，且可能會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)無法啟動(dòng)。經(jīng)檢查相對應(yīng)微動(dòng)開關(guān)接觸器阻值正常，線圈阻值正常，接觸器正常。空壓機(jī)啟動(dòng)后的反饋監(jiān)測點(diǎn)是由繼電器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)繼電器出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無法正確地監(jiān)控空壓機(jī)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)無法啟動(dòng)。繼電器故障可以通過車輛檢測軟件下載相關(guān)數(shù)據(jù)后查看相應(yīng)故障時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分析故障原因，同時(shí)通過控制電路圖對電路各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電阻值測量對比。在進(jìn)行日常檢修時(shí)，需重點(diǎn)監(jiān)測空壓機(jī)的繼電器及強(qiáng)迫泵風(fēng)控制點(diǎn)，同時(shí)保證空壓機(jī)的控制線路無故障，經(jīng)啟動(dòng)核查相關(guān)繼電器阻值正常線圈阻值正常，繼電器到空壓機(jī)的線纜絕緣均無窮大，繼電器工作正常。

2.2 機(jī)械分析

空壓機(jī)主要用于為制動(dòng)系統(tǒng)、空氣彈簧、車鉤系統(tǒng)、風(fēng)笛、受電弓供風(fēng)等多個(gè)系統(tǒng)提供干凈的風(fēng)源。通過多年來對列車空壓機(jī)的運(yùn)行故障分析經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了主空壓機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和高溫故障發(fā)生的可能性原因及后續(xù)防范措施。一般來說，空壓機(jī)內(nèi)部機(jī)械部件為陰陽轉(zhuǎn)子復(fù)合結(jié)構(gòu)，相對比較可靠，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，主要為潤滑油乳化導(dǎo)致的二次問題。經(jīng)檢查空氣過濾器、油濾、溫控閥等管路部分未發(fā)現(xiàn)堵塞，但通過視油鏡觀察潤滑油情況，潤滑油發(fā)生中度乳化且含量較少，如圖3所示。同時(shí)潤滑油的乳化與油品中的添加劑性能亦有關(guān)系。本項(xiàng)目空壓機(jī)潤滑油中含有部分抗氧化劑，當(dāng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時(shí)，抗乳化劑的極性基團(tuán)對水也會(huì)產(chǎn)生一定的親和能力，油水分離的難度將大大提高，一定程度上促進(jìn)了油質(zhì)乳化。通過人工轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)扇葉，發(fā)現(xiàn)相對正?？諌簷C(jī)有較大的阻塞感，因此初步判斷為空壓機(jī)內(nèi)部機(jī)頭硬件故障。

圖3 潤滑油中度乳化情況

2.3 內(nèi)部拆解分析

空壓機(jī)機(jī)頭位于油氣筒內(nèi)部，如需拆除更換需先將外部零部件全部拆除，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、冷卻器及聯(lián)軸節(jié)等，待拆除外部零部件后，將故障的機(jī)頭拆解進(jìn)行檢查。

經(jīng)拆解檢查，發(fā)現(xiàn)相比較完整的機(jī)頭，故障的油漆桶內(nèi)部存在大量的金屬腐蝕碎屑，檢查中發(fā)現(xiàn)端蓋、軸承室存在銹蝕產(chǎn)生的腐蝕痕跡，進(jìn)一步拆開轉(zhuǎn)子后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子型線上也有明顯的銹痕和劃痕，陽轉(zhuǎn)子兩端面均有嚴(yán)重的磨損，其中陽轉(zhuǎn)子進(jìn)氣端端面有一大塊積聚的金屬碎塊，如圖4所示。

圖4 陰陽轉(zhuǎn)子存在階梯狀磨損

根據(jù)拆解中發(fā)現(xiàn)的銹痕和油泥，可基本判斷此風(fēng)源裝置曾發(fā)生潤滑油乳化情況。潤滑油乳化后會(huì)導(dǎo)致機(jī)頭端蓋和軸承處產(chǎn)生銹渣，由于腐蝕產(chǎn)生的銹渣填充了轉(zhuǎn)子端面和機(jī)殼的配合間隙，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的條件下造成轉(zhuǎn)子與機(jī)殼磨損。同時(shí)銹渣和研磨產(chǎn)生的金屬碎屑進(jìn)入轉(zhuǎn)子型線間空隙，造成轉(zhuǎn)子劃傷，導(dǎo)致大量的金屬碎屑隨潤滑油進(jìn)入油氣桶內(nèi)。

3 故障驗(yàn)證及檢修建議

3.1 故障驗(yàn)證

對空壓機(jī)電路管路氣路進(jìn)行預(yù)檢查，將手放在空氣過濾器吸氣口感覺到有明顯吸力，而且系統(tǒng)很快建立起壓力，說明進(jìn)氣閥中的止回閥部分工作良好。在額定壓力情況下，空壓機(jī)機(jī)頭油路、端蓋處無油泄漏，用檢漏噴劑檢查所有氣路系統(tǒng)是否有泄漏。將壓力露點(diǎn)測試儀傳感器插入管路并聯(lián)型測試接口，維持管路壓力900±20kPa，檢測風(fēng)源系統(tǒng)輸出壓縮空氣的相對濕度<35%。將全新的機(jī)頭安裝進(jìn)油氣筒內(nèi)，在額定工作壓力下運(yùn)行空壓機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，更換機(jī)頭后空壓機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)30min，供風(fēng)正常，TMCS未反饋故障。

空壓機(jī)卡滯故障緣由為機(jī)頭內(nèi)部腐蝕磨損抱死導(dǎo)致。機(jī)頭內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕磨損的最常見原因?yàn)榭諌簷C(jī)潤滑油出現(xiàn)乳化?？諌簷C(jī)潤滑油發(fā)生乳化的主要原因是由于在空氣壓縮過程中潤滑油與水激烈攪拌導(dǎo)致混濁。乳化液是油和水的混合物，當(dāng)含水量達(dá)到0.15%(1500ppm)左右時(shí)，稱為輕度乳化。隨著工作時(shí)長的增加，可能會(huì)發(fā)生中度和重度乳化現(xiàn)象。

廣州地區(qū)位于南部沿海區(qū)域，常年空氣潮濕，溫度較高是誘發(fā)潤滑油乳化的主要原因。同時(shí)若空氣壓縮機(jī)未按期更換空氣過濾器濾芯、油過濾器濾芯，以及未按照維修手冊要求進(jìn)行補(bǔ)加油及換油工序，也可能會(huì)導(dǎo)致潤滑油中雜質(zhì)增加。空壓機(jī)潤滑油乳化會(huì)引起油氣筒內(nèi)部及陰陽轉(zhuǎn)子銹蝕，導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯故障。

3.2 檢修建議

為了給總風(fēng)管提供穩(wěn)定的壓力，空壓機(jī)工作時(shí)會(huì)以1400r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)導(dǎo)致油和水分的激烈攪拌。所以為了預(yù)防空壓機(jī)潤滑油乳化帶來的機(jī)頭卡滯故障，主要是減少空壓機(jī)油中的水分以及加強(qiáng)日常檢修。

1.制定合理的檢修頻次

目前廣州地鐵檢修規(guī)程包括日檢、雙周檢、系統(tǒng)修、月修、年修等。為了防止空壓機(jī)油乳化，應(yīng)在日檢中增加空壓機(jī)油油位及油品的檢查項(xiàng)目，保證空壓機(jī)油的良好狀態(tài)。

2.確?？諌簷C(jī)科學(xué)的使用率

空壓機(jī)發(fā)生乳化的主要原因在于空壓機(jī)油中的水汽未能及時(shí)排出。而空壓機(jī)使用率為其實(shí)際工作時(shí)間與上電時(shí)間的比值，若車輛在初始運(yùn)行時(shí)間較短，空壓機(jī)油溫度未能上升到溫控閥的工作溫度，則會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)油中的水汽得不到及時(shí)冷凝排出，進(jìn)而發(fā)生潤滑油乳化現(xiàn)象。

3.定期添加抗乳化劑

對于空氣較為潮濕的沿海地區(qū)，為延長空壓機(jī)的使用壽命和降低由潤滑油乳化造成的故障頻次，可根據(jù)運(yùn)行中潤滑油的油質(zhì)情況，定期向油中添加抗乳化劑，以破壞油水界面上的乳化膜。

結(jié)語

空壓機(jī)作為車輛核心關(guān)鍵零部件，負(fù)責(zé)車輛為地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)、空簧及其他用風(fēng)設(shè)備提供潔凈的壓縮空氣，針對正線運(yùn)營情況下，供風(fēng)模塊出現(xiàn)故障需高效可靠處理。本文通過空壓機(jī)潤滑油乳化導(dǎo)致的內(nèi)部轉(zhuǎn)子意外卡滯的典型故障案例，詳細(xì)介紹了空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和故障分析流程，并提出了針對此故障的日常檢修要點(diǎn)，為地鐵車輛空壓機(jī)的檢測維修提供了參考依據(jù)。