高速動車組供風系統故障分析及改進措施

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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運用與檢修

高速動車組供風系統故障分析及改進措施

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型動車組供風系統的技術參數、結構原理，并對多年運用中供風系統出現的主要故障進行了分析，并提出有效的改進措施。

動車組; 供風系統; 故障分析

CRH5型動車組自2007年投入運營，至今最早投入運營的動車組時間已經超過8年，已經進入480萬km的五級修程。其運營范圍覆蓋東北、西北、中原、華南、華東等18個省區，承受了零下40℃到零上40℃間的高寒高溫環境以及蘭新線的高海拔、強風沙環境等全天候全氣候的考驗。

CRH5型動車組供風系統采用螺桿式空壓機和雙塔式干燥器，在各種環境條件中運用良好。本文總結了在多年運用中供風系統出現的主要故障，并提出了有效的改進措施。

1　供風系統介紹

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

1.1技術參數

(1) 電氣參數

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 不低于0.8；

轉速/(r·min-1)1 460±3%。

(2)氣動參數

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/℃不高于環境溫度15～20。

1.2技術要求

(1)螺桿壓縮機設置溫度保護開關，當溫度超過105℃±5℃時，溫度保護開關動作。溫度潤滑油及壓縮空氣在未經冷卻器之前的極限溫度滿足TB/T 2710.2的要求。

(2)主供風單元在額定工況下，每小時啟停機不少于30次，應正常穩定工作。

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

(4)主供風單元壓縮機的油消耗量滿足TB/T 2710.2的要求。

(5)主供風單元的壓縮空氣出口溫度不高于環境溫度15℃～20℃，且壓縮機運行20 min時，潤滑油油溫應穩定在77℃～93℃。

(6)空氣壓縮機按連續工作制設計。

(7)主供風單元壓縮機由運行切換為停機后，應能盡快將空壓機內部壓力卸壓。

(8)主供風單元振動沖擊性能滿足IEC 61373-2010 機車車輛設備沖擊和振動試驗規定的1類B級要求。

1.3螺桿壓縮機結構(見圖1)

壓縮機通過彈性聯軸節與電機剛性安裝在一起，直接由電機驅動。壓縮機單元壓縮后的空氣經過壓縮機折流板1.1.1.a和除油過濾元件1.1.4除油后，再經過空氣散熱器(1.8.b) 進入壓縮空氣管道(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) 再次被導入壓縮機單元。壓縮機組每次關斷后，泄壓閥(1.4) 把壓縮機內的壓力降低，壓力卸載情況由壓力開關D進行監控。此外，壓縮機還包括油循環和空氣循環回路中的過濾、調節及監控裝置。

圖1　螺桿壓縮機示意圖

1.4雙塔干燥器結構(見圖2)

圖2　雙塔干燥器示意圖

干燥器由2個干燥劑罐(19)，各帶有內置的油分離器。干燥器內設止回閥(24)和溢流閥(71)、1個雙活塞閥(34)用于設備排水、1個電磁閥(43)和用于控制循環的電路板。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。例如，如果左側干燥劑罐中有壓力，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行。當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行再生。

在空轉或關閉壓縮機后，控制裝置將接通的實際狀態儲存下來，當重新接通時繼續計數。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換周期而出現過飽和狀況。

2　故障分析及改進措施

2.1空壓機卸載壓力開關故障

(1)故障情況：運用中空壓機發生過多起報故障不能工作的情況，經過檢查均為卸載壓力開關故障導致。卸載壓力開關用于檢測壓縮機停機后的壓力卸載情況，防止壓縮機帶壓力啟動。該壓力開關在壓縮機停機后立即激活，在幾秒鐘后壓力重新下降，壓力開關重新關閉。如果此壓力開關故障，將導致系統錯誤的檢測到壓力持續處于未卸荷狀態，從而導致空壓機無法啟動。

(2)原因分析：經過對空壓機卸載壓力開關故障件拆解檢查，發現故障的壓力開關普遍存在內部橡膠膜板破裂情況，見圖3。

圖3　破裂的壓力開關橡膠膜板

經過試驗室測試，破裂的橡膠膜板相比新的橡膠膜板硬度增加10%到20%，脆化轉換點溫度由-30℃提高到約-15℃。為此確定空壓機卸載壓力開關故障的主要原因是長時間運用后，由于壓力開關內橡膠膜板長時間接觸油氣，出現變硬老化直致破裂使得油氣混合物污染壓力開關內部，導致壓力開關觸點失效。

(3)改進方案：經調查故障的的卸載壓力開關運用時間普遍超過動車組四級修程，該橡膠膜板在運用240萬km后故障率顯著增加。為此變更主空壓機檢修規程，規定在四級修規程(240萬km)更換此卸載壓力開關。同時對卸載壓力開關橡膠膜板進行優化。

(4)實施驗證:從2012年開始所有空壓機卸載壓力開關在四級修程時進行更換，同時對已經完成四級修出廠的卸載壓力開關進行現場更換。經過兩年多的運用檢驗，目前由于卸載壓力開關故障導致空壓機故障不能啟動的故障已經顯著降低。

2.2干燥器故障

運用中空壓機發生多起干燥器活塞閥漏風故障，導致干燥器功能減弱或失效，制動系統管路中出現大量的水，在寒冷的冬季將導致水在管路中凍結，發生空氣簧無風的情況。經過對故障干燥器活塞閥拆解，發現導致活塞閥漏風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年以前生產的干燥器活塞閥閥頭采用了密封橡膠墊與金屬基座熔結結構，見圖4。經拆卸故障活塞閥，發現活塞閥閥頭和密封結構在長期活塞閥轉換作用下部分出現了熔結不牢失效的情況，見圖5。

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

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

圖4　熔接結構閥頭

(4)試驗驗證：新改進的結構在試驗室中最苛刻的條件下進行耐久性試驗。在常溫120 kPa的空氣壓力載荷條件下活塞閥的工作次數超過100萬次。在最嚴苛的高溫+67℃和相對濕度100%條件下，活塞閥的工作次數超過43萬次。在-40℃低溫條件下活塞閥的工作次數超過17 000次。改進后的活塞閥在最嚴苛條件下使用壽命比原結構提升超過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干燥器溫控開關故障

(1)故障情況：運用中活塞閥發生多起漏氣故障。對故障的活塞閥拆卸下在試驗臺上進行測試，發現在低壓側存在漏氣現象。對活塞閥進行分解，發現活塞閥閥芯上的所有橡膠密封圈外側均由紅色變為黑色，并且密封圈上存在明顯的壓痕。

(2)原因分析：由于干燥器是設計為在高寒環境下工作，為此干燥器活塞閥設有低溫加熱裝置。分解中發現活塞閥內油脂很少，橡膠密封圈已經出現碳化，說明活塞閥處于持續高溫工作狀態。對活塞閥的溫控開關電路進行檢查，發現溫控開關存在短路，觸點已經出現燒融情況。由于溫控開關控制在環境溫度高于10℃時禁止活塞閥加熱，而溫控開關短路將導致活塞閥在環境溫度高于10℃的環境(尤其是在夏季高溫條件下)中也持續處于加熱狀態。

經過試驗室測試發現故障溫控開關觸點中存在大量硅化合物，這些物質導致溫控開關觸點電阻增加，從而溫度升高導致燒損。經確定這些硅化合物來自于溫控開關的密封膠。

(3)改進方案：對溫控開關密封膠進行改進，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進行更換。經過一年多的運用檢驗，目前由于溫控開關故障導致干燥器功能失效的故障基本消除。

2.3運用維護問題

動車組運用中由于運營方操作維護經驗不足，發生多起空壓機故障情況。運用維護方面主要存在以下幾種問題：

2.3.1潤滑油加注問題

在多年的運用維護中，經調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

運用維護中存在更換和補加潤滑油時使用不符合規定的廠家及型號的潤滑油的情況，使得空壓機潤滑油混用。空壓機在選擇潤滑油時經過大量的測試和數據分析以確定油品。更換后的潤滑油可能不能滿足空壓機初始設計輸入的各種要求，如潤滑性能、散熱性能、溫度耐受和壽命等重要指標。另外混用潤滑油極易產生雜質，堵塞潤滑油系統，導致系統內溫度過高，引發空壓機燒損；同時危害轉子，導致轉子磨損卡滯，破壞壓縮機轉子，甚至燒損電機。

(2)潤滑油加注操作不當

運用維護中出現潤滑油加注操作不當的主要問題是潤滑油加注過多和加油時帶入雜質。加入過量的潤滑油將導致過高的油位，這將會淹沒空壓機的用于一級油氣分離的擋油板，使得空壓機內的油氣混合物不能有效分離，這將導致油耗過高，不及時補油易導致空壓機燒損；這也將導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入后續管路和空氣干燥器，油氣分離器失效也會導致從進氣卸載閥噴出油霧(見圖8)，因此污染空氣濾清器；另外空壓機系統內部壓力超壓，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，必須嚴格按照要求進行油位檢查。應在空壓機暖機狀態下進行油位檢查，也就是在空壓機啟動5 min后，停機5～20 min內完成潤滑油位檢查。如果從視窗看不到油位，需要打開油標尺進行檢查，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

運用維護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、回油管內部過濾網。

不定期更換空氣濾清器將直接導致空壓機的排風量明顯下降，表現為初充風時間明顯變長。應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殘存在空壓機系統內，導致油過濾器功能失效，雜質進入轉子，造成磨損，軸承破裂，空壓機風量下降，壓力降低，并產生工作時的異音，嚴重時導致轉子卡死，電機燒損。每次更換油過濾器時必須同時更換潤滑油。應按要求最晚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，將導致油氣分離器失效。出現與潤滑油加注過多導致油氣分離器失效相同的后果。

不及時清潔回油管內部的過濾網，過濾網堵塞將使得經油氣分離器分離的潤滑油不能及時返回空壓機內部，隨著油越積越多將導致油氣分離器失效。

2.3.3散熱器清潔問題

運用維護中如果不定期清潔散熱器，則會導致散熱不良，空壓機內部系統溫度上升，而發生高溫斷路器保護，嚴重時燒損空壓機。另外，不定期清潔散熱器也會導致空壓機排出的壓縮空氣的溫度偏高，影響后續干燥器的干燥性能。按照要求，空壓機使用1年或1 500工作小時，必須清潔散熱器。

3　結束語

經過對動車組供風系統多年運用中出現的問題進行分析和改進，由于故障原因查找清楚，改進措施得當，目前CRH5型動車組供風系統整體運用狀態良好，慣性質量問題得到了有效解決。對于部分維護保養不當導致的故障，需要運營方加強對空壓機組維護保養經驗的總結。參考文獻

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[4]IEC 61373-2010 鐵路應用機車車輛設備沖擊和振動試驗標準[S].

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