直線電機(jī)車輛空調(diào)離心風(fēng)機(jī)葉輪散架故障分析與改進(jìn)

陳 旗

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

廣州地區(qū)屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖多雨，光熱充足，夏長(zhǎng)冬短。廣州地鐵近年來飛速發(fā)展，線網(wǎng)里程數(shù)成倍增加，日均客運(yùn)量突破800萬人次。天氣常年濕熱、客流量激增，兩個(gè)因素疊加，地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的壓力與日俱增，而空調(diào)系統(tǒng)中的離心風(fēng)機(jī)作為給車廂送風(fēng)的關(guān)鍵部件，每天自上線運(yùn)營(yíng)運(yùn)轉(zhuǎn)直至列車回庫后才關(guān)閉，日均工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)到18 h以上，離心風(fēng)機(jī)的可靠性、維護(hù)方式等均影響其工作狀態(tài)及使用壽命。

1 離心風(fēng)機(jī)概況

廣州六號(hào)線L3型直線電機(jī)車輛空調(diào)系統(tǒng)采用雙吸多葉離心風(fēng)機(jī)，如圖1所示，葉片材質(zhì)為SUS304不銹鋼，電機(jī)功率0.55 kW，轉(zhuǎn)速1 390 r/min，每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)離心風(fēng)機(jī)，安裝在空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)器腔內(nèi)，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與車廂頂部的下風(fēng)道相連。在制冷模式時(shí)，其作用是強(qiáng)化冷媒在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，并將經(jīng)蒸發(fā)器冷卻降溫的空氣送入車內(nèi)；在通風(fēng)模式時(shí)主要是將空氣送入車內(nèi)。離心風(fēng)機(jī)是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中通風(fēng)制冷的最基礎(chǔ)部件，若出現(xiàn)故障，則對(duì)應(yīng)機(jī)組功能將失效，嚴(yán)重影響列車服務(wù)質(zhì)量。

圖1 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 離心風(fēng)機(jī)葉輪散架故障表現(xiàn)

廣州地鐵六號(hào)線2013年底開通運(yùn)營(yíng)，自2017年以來，陸續(xù)出現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)葉輪散架故障。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，故障表現(xiàn)有以下共性特點(diǎn)：

（1）散架的葉輪均在電機(jī)遠(yuǎn)端；

（2）葉輪散架均為瞬間發(fā)生，無明顯征兆；

（3）初始狀態(tài)的斷裂葉片均有鉚接焊點(diǎn)，且斷口較新。

3 離心風(fēng)機(jī)葉輪散架故障分析

根據(jù)上述故障表現(xiàn)，計(jì)劃對(duì)離心風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部件進(jìn)行逐一排查，包括電機(jī)、電機(jī)軸承、導(dǎo)流圈、葉輪、渦殼等，同時(shí)利用各類儀器對(duì)部件進(jìn)行檢測(cè)檢定，從根本上找到原因并制訂改進(jìn)措施。

3.1 離心風(fēng)機(jī)外觀檢查

外觀檢查是整個(gè)檢查過程的第一步，通過檢查能夠?qū)收险w有一個(gè)初步的判斷。檢查發(fā)現(xiàn)，離心風(fēng)機(jī)整體外觀臟污，葉片上積塵較多，兩個(gè)葉輪靠近電機(jī)一側(cè)的葉片正常無脫落，遠(yuǎn)離電機(jī)一側(cè)的葉片全部脫落，葉輪斷面圓箍斷裂變形，風(fēng)機(jī)渦殼內(nèi)側(cè)有大量的磨損痕跡，初步認(rèn)為，遠(yuǎn)離電機(jī)端的葉輪因某些原因在運(yùn)行過程中突然出現(xiàn)了散架問題，導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)失效。

3.2 離心風(fēng)機(jī)電機(jī)檢查

電機(jī)作為整個(gè)離心風(fēng)機(jī)的動(dòng)力輸出部件，在風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如出現(xiàn)異常情況也可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失效?，F(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行通電檢查，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無振動(dòng)及異響情況，同時(shí)對(duì)電機(jī)絕緣電阻及軸承進(jìn)行詳細(xì)檢查，結(jié)果如下：

（1）電機(jī)絕緣電阻檢查：檢查離心風(fēng)機(jī)電機(jī)的絕緣電阻，測(cè)量阻值為1 000 MΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)《鐵道車輛空調(diào)空調(diào)機(jī)組》（TB/T 1804—2017）中鐵路客車空調(diào)機(jī)組絕緣電阻大于2 MΩ的要求。

（2）電機(jī)軸承拆解檢查：對(duì)離心風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行拆檢，檢查軸承油脂無變質(zhì)現(xiàn)象，測(cè)量前、后軸承端蓋及前、后軸承外徑尺寸，數(shù)據(jù)表明軸承外徑與端蓋內(nèi)徑?jīng)]有發(fā)生磨損，與主軸配合緊密，電機(jī)各項(xiàng)狀態(tài)正常，尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)軸承測(cè)量數(shù)值

3.3 離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量

隨機(jī)對(duì)廣州地鐵六號(hào)線某列車的8個(gè)空調(diào)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)及其限值》（JB/T 8689—2014）3.1.2要求，在剛性支撐下振動(dòng)速度均方根值vrms≤4.6 mm/s，對(duì)比測(cè)量所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該列車的離心風(fēng)機(jī)在軸向和垂向振動(dòng)值普遍超標(biāo)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量值

3.4 斷裂葉片檢測(cè)分析

3.4.1 化學(xué)成分分析[1]

利用碳硫分析儀，參照《鋼鐵總碳硫含量的測(cè)定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》（GB/T 20123—2006）對(duì)斷裂葉片中的碳及硫元素進(jìn)行檢定和成分分析，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，參照《不銹鋼化學(xué)成分測(cè)定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》（SN/T 2718—2010）對(duì)斷裂葉片中的其他元素進(jìn)行檢定，檢定斷裂葉片的成分符合SUS304材質(zhì)的要求，檢定成分如表3所示。

表3 斷裂葉片化學(xué)成分表

3.4.2 斷口分析

通過對(duì)離心風(fēng)機(jī)的其中一個(gè)葉片斷口進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)斷口處有明顯的疲勞貝紋線，通過放大倍數(shù)進(jìn)行觀察，在疲勞擴(kuò)展區(qū)域可觀察到疲勞輝紋，端口上亦有韌窩組織，可以判斷葉片為整體疲勞斷裂。

3.5 葉輪結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析

離心風(fēng)機(jī)葉輪共47片葉片通過鉚接方式固定在葉輪上，風(fēng)機(jī)葉輪每相隔6個(gè)葉片焊接一個(gè)焊點(diǎn)在葉輪端面圓箍上，該結(jié)構(gòu)在業(yè)內(nèi)較為成熟可靠。利用有限元分析法對(duì)葉輪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證分析，風(fēng)機(jī)渦殼、底盤、電機(jī)支座、葉輪均為SUS304材質(zhì)，材料性能如表4所示。

表4 材料性能表

對(duì)葉輪做有限元分析，在X方向加速度5g、Y方向加速度3g、Z方向加速度3g的工況下，加轉(zhuǎn)軸1 380 r/min的通風(fēng)力，葉輪的整體應(yīng)力位置最大值為108 MPa，小于SUS304材料屈服極限，葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求，有限元分析如圖2所示。

圖2 有限元分析圖

3.6 制造工藝分析

離心風(fēng)機(jī)葉輪為前向多翼式旋彎鉚接結(jié)構(gòu)，葉輪采用旋彎鉚接工藝，操作工人利用插片胎具完成葉片插裝后，將葉輪裝卡至安裝有專用旋壓胎具的旋壓設(shè)備上，根據(jù)葉輪旋向按壓對(duì)應(yīng)開關(guān)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葉輪的自動(dòng)旋壓。在旋壓過程中，折彎部位產(chǎn)生塑性膨脹變形，使葉片板厚與葉片安裝槽形成過盈配合，從而保證葉片與中盤、端環(huán)固定牢固。旋壓完成后，需要按照《通風(fēng)機(jī)鉚焊件技術(shù)條件》（JB/T 10214—2014）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)如下：旋壓完成后葉片與前后盤最大間隙小于0.3 mm；用橡皮錘輕敲整體半輪，聲音清脆單一，不得有振顫雜音。通過對(duì)葉輪加工過程進(jìn)行回溯，當(dāng)出現(xiàn)不符合上述要求的葉輪時(shí)，會(huì)利用沖床進(jìn)行二次沖壓，但是二次沖壓僅以葉輪理論高度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖床行程調(diào)試，導(dǎo)致二次沖壓過程中葉片折彎處受損，目視檢查無法識(shí)別，使得缺陷葉輪安裝至風(fēng)機(jī)上用于地鐵列車。

3.7 故障原因分析總結(jié)

通過對(duì)故障件進(jìn)行的一系列分析論證，最終發(fā)現(xiàn)問題為離心風(fēng)機(jī)葉片旋壓鉚接處的二次沖壓工藝存在問題，使得折彎處受損，且目視檢查未能發(fā)現(xiàn)。在后續(xù)運(yùn)用過程中，離心風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致受損葉片疲勞斷裂失效的過程加速，進(jìn)而造成整個(gè)葉輪動(dòng)平衡失效散架。另外，檢修時(shí)對(duì)于風(fēng)機(jī)內(nèi)部積塵的清潔不夠徹底，也對(duì)風(fēng)機(jī)整體動(dòng)平衡有一定影響[2]。

4 改進(jìn)方案

4.1 設(shè)計(jì)角度改進(jìn)

根據(jù)故障原因，從以下三個(gè)方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)：

（1）為消除二次沖壓過程對(duì)葉片折彎處造成的損傷，對(duì)葉輪的制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，即取消二次沖壓的制造工藝，避免二次沖壓造成葉片折彎處受損；同時(shí)為保證加工過程中所有葉片的鉚接間隙小于0.3 mm的要求，將工藝改成用葉片小爪專用工裝進(jìn)行修整，通過人工修整可消除批量沖壓帶來的損傷，從源頭上解決了工藝存在的問題。

（2）葉片以單爪折彎鉚接的形式固定在葉輪上，如果單爪出現(xiàn)松動(dòng)則可能導(dǎo)致葉片松脫。為進(jìn)一步提升葉片的強(qiáng)度，將葉片結(jié)構(gòu)從單爪改為雙爪，增加葉片對(duì)于葉輪的約束受力，極大地降低了葉片松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，可靠性得到明顯提升。

（3）經(jīng)過分析，葉片的厚度也是影響葉片強(qiáng)度的因素之一，如果能在滿足空調(diào)離心風(fēng)機(jī)整體設(shè)計(jì)匹配性的條件下盡可能加厚葉片，也可以提升葉片的可靠性。經(jīng)過理論分析及樣件試改的驗(yàn)證，將風(fēng)機(jī)葉片厚度由0.8 mm增加至1 mm，對(duì)整機(jī)匹配度是無影響的，故而按照1 mm的葉片厚度進(jìn)行改進(jìn)，以提高葉片的強(qiáng)度。

4.2 維護(hù)角度改進(jìn)

離心風(fēng)機(jī)目前的維護(hù)周期是每半年進(jìn)行一次除塵[3]，檢查內(nèi)容為：清潔離心風(fēng)機(jī)，檢查風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行無卡滯，風(fēng)機(jī)與葉片外觀良好、無松動(dòng)，風(fēng)機(jī)底座無裂紋。根據(jù)目前除塵后的跟蹤情況，半年一次的除塵周期太長(zhǎng)，導(dǎo)致每次除塵都有大量的灰塵堆積，難以清除；但如果除塵工作周期太短，將給日常的系統(tǒng)修作業(yè)帶來較大的工作量。綜合考慮多方面因素，計(jì)劃從以下兩個(gè)方面進(jìn)行維護(hù)改進(jìn)：

（1）結(jié)合預(yù)防性維護(hù)增加對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉輪的除塵頻次，建議以三個(gè)月為周期進(jìn)行一次清潔，降低風(fēng)機(jī)堆積灰塵過多后影響葉輪動(dòng)平衡的風(fēng)險(xiǎn)，從檢修維護(hù)的角度降低離心風(fēng)機(jī)葉輪故障發(fā)生的可能。

（2）結(jié)合預(yù)防性維護(hù)定期開展風(fēng)機(jī)葉輪的振動(dòng)測(cè)試，建議以半個(gè)架修為周期進(jìn)行一次振動(dòng)測(cè)試，提前更換存在振動(dòng)值超標(biāo)問題的風(fēng)機(jī)葉輪，將故障消除在萌芽狀態(tài)。

4.3 使用效果評(píng)價(jià)

廣州地鐵六號(hào)線車輛空調(diào)系統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)經(jīng)過改造后已投入使用，改進(jìn)后的產(chǎn)品目前裝車運(yùn)營(yíng)已超過2年，運(yùn)營(yíng)里程超20萬km，在有針對(duì)性的跟蹤檢查過程中，未發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪狀態(tài)異常的情況，初步判斷換型后的產(chǎn)品滿足使用要求。

5 結(jié)語

列車空調(diào)離心風(fēng)機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)保障列車服務(wù)質(zhì)量有重要意義。本文通過對(duì)廣州地鐵六號(hào)線直線電機(jī)車輛的空調(diào)離心風(fēng)機(jī)故障進(jìn)行多維度分析并提出改進(jìn)措施，從根本上排除了風(fēng)機(jī)葉輪散架的故障隱患，為行業(yè)內(nèi)存在同類故障隱患的地鐵公司提供了排查改進(jìn)方向，對(duì)生產(chǎn)制造廠家的工藝改進(jìn)及各地方的車輛采購項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)意義。