地鐵工程車活塞式空壓機二級機構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）

地鐵工程車活塞式空壓機二級機構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。氣閥工作狀態的好壞是空壓機技術優劣的核心問題之一，深入研究氣閥故障機理和故障診斷方法，具有較大的實際意義。

活塞式空壓機；氣閥；故障診斷

1 背景

廣州地鐵內燃機車均采用活塞式空壓機，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。2013年初，正在段內作業的工程車空壓機突發異響，檢查發現安裝在中間冷卻器上面的安全閥意外開啟，安全閥卸荷時發出刺耳的尖叫聲。意外開啟的安全閥安裝在聯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，其校準壓力為3.5+0.5（bar）（表壓），當中間冷卻器超壓時便自動開啟。

1.1 故障原因分析

觸發安全閥的因素有二：第一，安全閥自身故障導致意外開啟；第二，安裝該安全閥的中間冷卻器內壓力異常過高，致使安全閥開啟。基于第一條原因，連續更換了兩個安全閥，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。

拆解二級壓縮機構進一步確定故障點，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氣體壓力的交替作用自動啟閉，實現二級壓縮機構的吸、排氣功能。

圖1 完全拆解的故障氣閥

檢查發現氣閥的吸氣閥片破裂，見圖2，破損的閥片碎塊落入氣缸，與缸內高速往復運動的活塞撞擊，閥片碎塊在高速沖擊的環境下發生卷曲，見圖3氣缸內發現的閥片碎塊。此外，檢查活塞的上表面被嚴重拉傷，氣閥總成的下表面也有不同程度的刮花，幸好氣缸內壁未出現拉毛現象。進一步檢查發現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 氣缸內發現的閥片碎塊

當吸氣閥片疲勞破裂后，壓縮機構處于排氣階段時，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，二級壓縮機構的吸氣口與中間冷卻器連通，故而觸發了安裝在中間冷卻器上的安全閥。

1.2 故障發生過程

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 故障發生過程

2 故障機理探究

2.1 故障診斷方法

活塞式空壓機從反映故障狀態的監控參數上可分為兩大類：一類故障征兆表現在熱力參數變化上，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在動力參數變化上，如空壓機零部件的缺陷、磨損、斷裂和損壞等故障所表現的征兆。所以空壓機日常檢修時要做到以下幾個方面：

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

測：測量一級氣缸和二級氣缸的排氣壓力，觀測總風缸風壓、打風速度等參數；

感：用紅外測溫儀觀測空壓機各氣缸溫度變化，對于包含有高速運轉的零部件的設備來說，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、介質腐蝕亦會引起閥片破壞。

閥片的運動規律是氣缸內壓力、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果。閥片運動規律曲線如圖7所示。

閥片開啟和關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，分析閥片運動規律有助于查護氣閥故障的原因和選擇合適的氣閥彈簧。

圖7 閥片運動規律曲線

3 改進措施和發展趨勢

3.1 提高氣閥耐用性的措施

（1）改變氣閥結構。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，補償的方法是增加閥座的通道數、采用多環窄通道氣閥，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。

（2）調整彈簧力。選用預應力和勁度系數較大的彈簧，可以提高彈簧的緩沖能力，但預應力和勁度系數不可過大。

（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生的附著力將阻礙閥片運動，引起閥片開啟關閉滯后。當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 氣閥發展趨勢

往復式空壓機的技術上的發展方向是高速短行程，減小氣閥的開啟和關閉過程中對閥座和閥檔的沖擊速度和沖擊力，優化閥片受力環境。但是縮短行程后，需要提高了氣閥的動作頻率以彌補打風速度，即單位時間內閥片對閥座和閥檔的沖擊次數增多，閥片和彈簧更易疲勞破壞。這些問題的解決需要在氣閥結構、閥片動力特性和閥片及彈簧材料等方面進行研究。

4 結語

本文從現場案例出發，分析活塞式空壓機氣閥故障發生過程，探究閥片的運動規律和疲勞破裂機理，站在設備保養人員的角度，提出了維修現場可行性較高的故障診斷方法。氣閥的工作狀態決定著空壓機的總體性能，及時診斷氣閥故障原因，采取合理的措施，提高空壓機運行可靠性是很有必要的。此外，設備保養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。

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

［1］沈慶根.鄭水英.設備故障診斷［M］.北京：化學工業出版社，2005.

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

［3］W1.6/9型活塞式空壓機使用維護手冊［Z］.大連勞雷機械有限公司，2009.

［4］胡家順.活塞式壓縮機氣閥彈簧的優化設計［J］.武漢化工學院學報，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，大學本科，助理工程師。研究領域：城市軌道交通。

(編輯：王智圣)

2014－01－16