劉建勝

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510440）

地鐵工程車(chē)活塞式空壓機(jī)二級(jí)機(jī)構(gòu)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(gòu)的工程車(chē)車(chē)載空壓機(jī)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(jī)。氣閥工作狀態(tài)的好壞是空壓機(jī)技術(shù)優(yōu)劣的核心問(wèn)題之一，深入研究氣閥故障機(jī)理和故障診斷方法，具有較大的實(shí)際意義。

活塞式空壓機(jī)；氣閥；故障診斷

1 背景

廣州地鐵內(nèi)燃機(jī)車(chē)均采用活塞式空壓機(jī)，型號(hào)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(jī)。2013年初，正在段內(nèi)作業(yè)的工程車(chē)空壓機(jī)突發(fā)異響，檢查發(fā)現(xiàn)安裝在中間冷卻器上面的安全閥意外開(kāi)啟，安全閥卸荷時(shí)發(fā)出刺耳的尖叫聲。意外開(kāi)啟的安全閥安裝在聯(lián)接一級(jí)氣缸和二級(jí)氣缸之間的中間冷卻器上，被稱(chēng)為一級(jí)安全閥，其校準(zhǔn)壓力為3.5+0.5（bar）（表壓），當(dāng)中間冷卻器超壓時(shí)便自動(dòng)開(kāi)啟。

1.1 故障原因分析

觸發(fā)安全閥的因素有二：第一，安全閥自身故障導(dǎo)致意外開(kāi)啟；第二，安裝該安全閥的中間冷卻器內(nèi)壓力異常過(guò)高，致使安全閥開(kāi)啟?；诘谝粭l原因，連續(xù)更換了兩個(gè)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(jí)壓縮氣缸的高壓空氣竄回中間冷卻器。

拆解二級(jí)壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)一步確定故障點(diǎn)，完全拆解的故障氣閥見(jiàn)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(lèi)似于單向閥，通過(guò)支撐彈簧和兩側(cè)氣體壓力的交替作用自動(dòng)啟閉，實(shí)現(xiàn)二級(jí)壓縮機(jī)構(gòu)的吸、排氣功能。

圖1 完全拆解的故障氣閥

檢查發(fā)現(xiàn)氣閥的吸氣閥片破裂，見(jiàn)圖2，破損的閥片碎塊落入氣缸，與缸內(nèi)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞撞擊，閥片碎塊在高速?zèng)_擊的環(huán)境下發(fā)生卷曲，見(jiàn)圖3氣缸內(nèi)發(fā)現(xiàn)的閥片碎塊。此外，檢查活塞的上表面被嚴(yán)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(nèi)壁未出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)支撐該閥片的三個(gè)彈簧中有兩個(gè)斷裂。

圖2 破裂的吸氣閥片

圖3 氣缸內(nèi)發(fā)現(xiàn)的閥片碎塊

當(dāng)吸氣閥片疲勞破裂后，壓縮機(jī)構(gòu)處于排氣階段時(shí)，吸氣閥片無(wú)法起到密封作用，部分高壓空氣通過(guò)吸氣閥片的破裂處竄到吸氣口，二級(jí)壓縮機(jī)構(gòu)的吸氣口與中間冷卻器連通，故而觸發(fā)了安裝在中間冷卻器上的安全閥。

1.2 故障發(fā)生過(guò)程

本次故障引起的直接后果有氣閥的吸氣閥片破裂、高速?zèng)_撞情況下閥片碎塊卷曲、活塞的上表面被嚴(yán)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(gè)彈簧中有兩個(gè)斷裂等。

故障發(fā)生過(guò)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(fā)生過(guò)程

2 故障機(jī)理探究

2.1 故障診斷方法

活塞式空壓機(jī)從反映故障狀態(tài)的監(jiān)控參數(shù)上可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)故障征兆表現(xiàn)在熱力參數(shù)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(lèi)故障征兆表現(xiàn)在動(dòng)力參數(shù)變化上，如空壓機(jī)零部件的缺陷、磨損、斷裂和損壞等故障所表現(xiàn)的征兆。所以空壓機(jī)日常檢修時(shí)要做到以下幾個(gè)方面：

聽(tīng)：檢查空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)有無(wú)異響，異響是零部件磨損、斷裂和損壞等故障所表現(xiàn)的征兆；

測(cè)：測(cè)量一級(jí)氣缸和二級(jí)氣缸的排氣壓力，觀測(cè)總風(fēng)缸風(fēng)壓、打風(fēng)速度等參數(shù)；

感：用紅外測(cè)溫儀觀測(cè)空壓機(jī)各氣缸溫度變化，對(duì)于包含有高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件的設(shè)備來(lái)說(shuō)，觀測(cè)溫度是故障診斷最常見(jiàn)的方法之一。

2.2 閥片破裂機(jī)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(zhì)腐蝕亦會(huì)引起閥片破壞。

閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是氣缸內(nèi)壓力、管路壓力、氣閥彈簧力、閥片開(kāi)啟高度、閥片重量等綜合因素作用的結(jié)果。閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖7所示。

閥片開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程的平均速度分別為：

式中：h—閥片升程高度。

曲線各點(diǎn)的斜率表示對(duì)應(yīng)位置的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度：

閥片運(yùn)動(dòng)速度能夠反映閥片開(kāi)閉是否及時(shí)、缸內(nèi)是否存在氣流壓力脈動(dòng)、氣閥流通能力是否完好，分析閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律有助于查護(hù)氣閥故障的原因和選擇合適的氣閥彈簧。

圖7 閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

3 改進(jìn)措施和發(fā)展趨勢(shì)

3.1 提高氣閥耐用性的措施

（1）改變氣閥結(jié)構(gòu)。降低閥片的開(kāi)啟高度可以減小閥片的撞擊速度，確保氣閥及時(shí)關(guān)閉。閥片的開(kāi)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(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃黾娱y座的通道數(shù)、采用多環(huán)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(tài)。

（2）調(diào)整彈簧力。選用預(yù)應(yīng)力和勁度系數(shù)較大的彈簧，可以提高彈簧的緩沖能力，但預(yù)應(yīng)力和勁度系數(shù)不可過(guò)大。

（3）控制壓縮空氣中的油水含量。閥片和密封口接觸時(shí)液膜產(chǎn)生的附著力將阻礙閥片運(yùn)動(dòng)，引起閥片開(kāi)啟關(guān)閉滯后。當(dāng)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(fā)展趨勢(shì)

往復(fù)式空壓機(jī)的技術(shù)上的發(fā)展方向是高速短行程，減小氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中對(duì)閥座和閥檔的沖擊速度和沖擊力，優(yōu)化閥片受力環(huán)境。但是縮短行程后，需要提高了氣閥的動(dòng)作頻率以彌補(bǔ)打風(fēng)速度，即單位時(shí)間內(nèi)閥片對(duì)閥座和閥檔的沖擊次數(shù)增多，閥片和彈簧更易疲勞破壞。這些問(wèn)題的解決需要在氣閥結(jié)構(gòu)、閥片動(dòng)力特性和閥片及彈簧材料等方面進(jìn)行研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從現(xiàn)場(chǎng)案例出發(fā)，分析活塞式空壓機(jī)氣閥故障發(fā)生過(guò)程，探究閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和疲勞破裂機(jī)理，站在設(shè)備保養(yǎng)人員的角度，提出了維修現(xiàn)場(chǎng)可行性較高的故障診斷方法。氣閥的工作狀態(tài)決定著空壓機(jī)的總體性能，及時(shí)診斷氣閥故障原因，采取合理的措施，提高空壓機(jī)運(yùn)行可靠性是很有必要的。此外，設(shè)備保養(yǎng)人員要及時(shí)申報(bào)備件，包括吸排氣閥片、支撐彈簧等，便于及時(shí)處理故障。

從國(guó)內(nèi)來(lái)看，螺桿式空壓機(jī)逐漸替代往復(fù)式空壓機(jī)是大勢(shì)所趨，前者是免維護(hù)型，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的往復(fù)式空壓機(jī)。筆者公司也逐漸普及螺桿式空壓機(jī)，廣州地鐵有三臺(tái)采購(gòu)較早的工程車(chē)于2012年開(kāi)展了空壓機(jī)改型項(xiàng)目，將原有的活塞式空壓機(jī)改為螺桿式空壓機(jī)。設(shè)備維修部門(mén)也可研討該工程車(chē)開(kāi)展空壓機(jī)換型的可行性。

［1］沈慶根.鄭水英.設(shè)備故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

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

［3］W1.6/9型活塞式空壓機(jī)使用維護(hù)手冊(cè)［Z］.大連勞雷機(jī)械有限公司，2009.

［4］胡家順.活塞式壓縮機(jī)氣閥彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)，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(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：城市軌道交通。

(編輯：王智圣)

2014－01－16