鐵路客車空調機組ZR68型壓縮機插頭脫落故障分析與改進

王路

摘要：鐵路客車用KLC-29機組，使用兩臺ZR68KC-TFD-622型壓縮機，在實際運用過程中，出現了壓縮機電源插頭脫落問題。本文從此型壓縮機的機體結構、電源連接方式工作環境特點等方面，對插頭脫落故障進行了分析，并提出了對應改進措施。

關鍵詞：空調機組;ZR68壓縮機;插頭脫落;分析改進

1.問題提出

1.1 ZR68KC-TFD-622壓縮機的基本情況

ZR68KC-TFD-622壓縮機（以下簡稱ZR68壓縮機）是全封閉渦旋壓縮機的一種，廣泛使用在鐵路客車空調機組，是KLC-29型空調機組的核心部件。

ZR68壓縮機型號含義如表1所示：

1.2 典型故障現象

1.2.1 故障的集中性

在2015年以前，鐵路客車空調機組使用的ZR68型壓縮機是TFD-522型號，壓縮機引入電源使用的是接線端子螺栓連接的方式，在2015年，原鐵路總公司統一圖紙，對壓縮機使用的型號進行了調整，開始使用TFD-622壓縮機。

自2015年后，在出現的KLC-29空調機組制冷故障中，均發現有ZR68壓縮機電源插頭脫落，壓縮機不工作，影響機組制冷效果的情況。

多數插頭脫落后，插頭有輕微打火痕跡，極少數壓縮機插座內極柱有打火損傷。出現故障的時間特征明顯，多數在每年5月末～7月中上旬，此期間為梅雨時期，雨水較多，空氣濕度大，進入7月末后，雖然空調機組使用頻率更高，但故障發生率明顯降低。

1.2.2 故障存在普遍性

自2015年后，在全路各鐵路客車車輛段出現的KLC-29空調機組制冷故障中，均發現有ZR68壓縮機電源插頭脫落，壓縮機不工作，影響機組制冷效果的情況，且采取的防治措施效果不明顯，已成為空調制冷故障的一個頑疾。

1.2.3 故障的隱蔽性

因鐵路客車使用的是車頂單元機組，日常作業時無法檢查壓縮機，插頭脫落后，壓縮機主電路斷電，但控制電路并無報警顯示，需等到車內制冷效果下降時，觀察機組工作電流才能發現，故障較為隱蔽，判斷故障需具備一定經驗。

2.原因分析

2.1 從各次故障時壓縮機本身絕緣故障較少，插頭脫落的空調機組，空調控制柜內主開關跳閘的現象不多，多數壓縮機的絕緣良好，極少發現壓縮機絕緣不良，處理方式一般為更換壓縮機的電源插頭線。更換壓縮機的電源插頭線后，基本可以恢復壓縮機的工作狀態情況來看，可排除壓縮機本身故障問題;從插頭脫落后的打火痕跡看，多數故障是插頭與插座連接處出現絕緣不良，引發瞬間過流現象，極少數是瞬間短路大電流打火現象。

2.2 插頭與插座連接處絕緣不良原因分析

2.2.1 插頭結構形式

ZR68壓縮機殼體上有圓柱形插頭盒，插頭安裝到插座盒后，安裝三爪保持器固定插頭。插頭盒直徑約7cm，插頭直徑約6cm，插頭安裝后與插座盒間隙約12mm。空調機組檢修期間，在插頭拆卸檢修工序，發現ZR68插頭底部S和R相有水漬、插座殼內部銹蝕的情況較多，說明空調機組在運用期間插頭內長期積水或潮濕的現象較多

2.2.2 機體表面冷凝水的產生

ZR68型壓縮機插頭接線盒的位置如圖1所示，基本上與低壓回氣管的高度一致，在空調機組動態試驗后（約40分鐘），多數壓縮機外殼會有大量冷凝水，冷凝水高度超過插座位置，插座上布滿冷凝水，少數壓縮機有冷凝水但高度不到插座位置。說明ZR68壓縮機在運用期間，其插座長期處于有冷凝水狀態。

2.2.3冷凝水進入插座分析

經檢修的壓縮機靜態絕緣值多數絕緣超過200M，但經過空調機組試驗臺試驗后，部分壓縮機絕緣值雖然達標，但下降明顯，一般放置一段時間或拆開插頭后絕緣能恢復，部分需要分解插頭烘干后恢復。說明壓縮機在運行一段時間，外殼產生冷凝水后，插頭部位有潮氣進入。

在梅雨季節，插頭脫落的故障率較高，梅雨季節與高溫晴朗天氣的主要區別之一是梅雨季節的空氣濕度非常大，表現在壓縮機上的就是會在壓縮機外殼上產生的更多的冷凝水，說明插頭脫落故障與冷凝水有很大關系。

為查找進水原因，破拆一個故障插頭，可見插頭內有三個獨立空間，分別為C＼S＼R三相，三相之間雖然隔開，但蓋板處存在間隙。向一個完好的插頭S相注水，可明顯看到C、R相孔內也有水滲出。說明當插頭進水時，水在插頭內部是相互擴散的，任意一個孔進水，都有可能造成相間絕緣不良甚至短路。

冷凝水進入插座后，在插座底部逐步積累，插座內部濕度逐步增加，當空氣濕度達到一定程度時，三相相間或相對外殼因為絕緣不良打火，由于只是空氣電離造成的空氣劇烈膨脹，插頭內打火痕跡往往不明顯，且壓縮機三根極柱一般不受損傷。

冷凝水進入插頭后，在插座底部積累到一定高度，進入插頭底部插孔的S和R相，造成相間短路，瞬時大電流打火，伴隨空氣劇烈膨脹和水的汽化，插頭被高壓氣體漲開脫落。當插頭脫落速度較快時，一旦脫開則短路消除，插頭內可能只有打火痕跡，嚴重的會造成插孔附近的塑膠體有燒損痕跡，而控制柜的斷路器由于積累時間短而不足以跳閘。當插頭脫落速度較慢時，持續大電流打火會造成壓縮機三根極柱局部燒損、插頭塑膠體碳化等現象，且可能引發控制柜斷路器跳閘。部分特殊情況下，插頭內部濕度過大，可能造成三相相間同時打火。

3.改進方案

根據上述分析總結，可以初步判定ZR68壓縮機插頭脫落的原因是由于冷凝水造成的絕緣不良或短路。通過對ZR68壓縮機進行噴霧試驗和2小時運轉試驗，初步判斷冷凝水是通過插座盒外圈的兩個長方形腰孔，即三爪保持器左右兩側卡爪固定孔進入插頭內部。冷凝水進入插頭后，逐步積累并沿插頭兩側向下流動，當密封圈密封不好時，進入插頭內部。

插頭進水是造成故障的主要原因，解決問題可以從兩個方向入手：一是防止冷凝水進入插座盒，一是減少冷凝水。

3.1防止冷凝水進入插座盒的方案

3.1.1 結構改進方案

根據使用單位的反饋，壓縮機生產廠家提供了防水方案，在安裝插頭前，應增加兩個步驟，一是向插孔注入適量潤滑脂，二是將密封圈周圍涂抹潤滑脂。從原理上分析，其作用一是防止冷凝水進入插孔，二是降低安裝過程中的阻力，提高密封圈的密封性。

但實際操作中，該方案存在兩個問題，一是注入的潤滑脂后再插入插頭，部分潤滑脂會被極柱插針壓入插孔，當潤滑脂附著在電氣接點上時，不確定對插針和插孔的接觸是否會產生影響;二是再次進行檢修時，無法將插孔內的潤滑脂清理干凈。因此，不建議在插孔內注入潤滑脂。

通過對插座和插頭結構的觀察，ZR68和ZR94插頭內均有直徑約6mm沉孔，極柱根部均有直徑約6mm絕緣膠柱。其中ZR94絕緣膠柱高度L≈10mm，ZR68的L≈5mm。通過初步測量，ZR94的插頭安裝后，極柱的絕緣膠柱與插頭的沉孔緊密壓死，起到了密封作用;而ZR68的插頭安裝后，由于絕緣膠柱高度L不夠，極柱的絕緣膠柱與插頭的沉孔未緊密接觸，沒有密封作用

初步分析壓縮機生產廠家在沉孔內注入潤滑脂的方案，目的就是將此處密封。考慮到在極柱孔內注入潤滑脂可能引發的后果不可預知，建議定制硅膠密封圈，密封圈外徑與絕緣膠柱（如圖1所示）一致，內徑略小于極柱直徑，高度3mm（因插頭沉孔高度約3mm）。安裝插頭前，先將密封圈安裝到插座內的三個極柱上，再安裝插頭，利用硅膠密封圈嵌入插頭沉孔凹槽內，起到密封防水作用。該方案能起到和艾默生方案一樣的防水水密封作用，便于操作，同時避免了其不便于下次檢修的問題。

3.1.2 改進安裝工藝方案

安裝插頭步驟改為三步，第一步安裝插頭，第二步在長方形腰孔處注入絕緣室溫固化密封膠，第三步在密封膠未固化前安裝三爪保持器。當密封膠固化后，能填充到腰孔空隙，當壓縮機運行期間插座外殼聚集冷凝水時，可以有效防止冷凝水進入插頭。密封膠易于去除，對下次檢修沒有影響。

3.2減少冷凝水的整改建議。

3.2.1 降低制冷量充注量。

可以將ZR68、ZR81壓縮機充注量降低300g/臺，經在2019年3臺大修空調機組測試，降低300g/臺的空調機組，制冷量仍符合不小于90%的技術要求。

3.2.2空調優先使用自動位工況。

在手動制冷工位，壓縮機會一直處于工作狀態，持續產生冷凝水，增加了冷凝水進入插頭的風險。而自動位利用溫控器的調溫控制機制，使壓縮機處于間歇工作狀態，有利于減少冷凝水。

3.2.3規范制冷劑充注工藝。

在滿足條件的情況下，采用定量充注法，避免使用通過看壓縮機電流、摸壓縮機是否有冷凝水等方法來判斷充注量，防止過充造成冷凝水過多。

3.2.4 提高制冷劑低壓管的回氣溫度

參考餐車冰箱壓縮機的制冷管路布設辦法，將一段高壓管和低壓管包裹在一起，以提高制冷低壓管的汽化效果的方案，可以拆除機組壓縮機進氣低壓銅管保溫海綿，利用外溫促使低壓管內制冷器充分汽化，提高壓縮機進氣溫度，從而減少壓縮機外殼冷凝水。通過對E5修空調機組的試驗，拆除保溫管對系統制冷量影響非常有限，不會造成制冷量不足問題。

3.2.5 確保蒸發器換熱效率

當蒸發器、回風網比較臟時，蒸發器會出現換熱不良現象，造成蒸發器流向壓縮機的制冷劑溫度過低，導致壓縮機表面冷凝水過多。應通過加強蒸發器和回風的清洗，避免出風口被異物堵塞等方式，確保蒸發器的換熱量，從而減少冷凝水的產生。

3.2.6改變壓縮機插座盒位置

壓縮機在運行期間，低溫制冷劑被吸入壓縮機，經過壓縮后變為高溫，壓縮機表面大致可以分為低溫區、中溫區、高溫區，從實際運行情況看，ZR68壓縮機插座盒完全位于低溫區內，所有存在大量冷凝水。從實際運用角度看，插座盒位于中溫區相對比較合理，既可以避免低溫區的冷凝水，又可以防止高溫區對電纜線的影響。

4.結語

按以上方案進行改進處置后，ZR68壓縮機插頭脫落的故障可完全消除，改進方案已通過現場驗證。

以后的空調機組設計時，對于壓縮機的選型與系統整合，應充分吸取此類設計缺陷的教訓，從源頭上解決冷凝水影響壓縮機插頭供電的問題。