螺杆空压机全寿命周期可靠性评估研究

1.概述为降低全寿命周期成本，优化产品设计，提高机车可用率，选取运行里程在30万公里以上的和谐电力机车空压机，按照铁路行业机车、动车组用空气压缩机组试验方法 [1]进行性能测试，通过测试数据分析，研究空压机的可靠性能。2.试验基本情况在中车株洲电力机车有限公司的协助下，选取待检修的HXD1型电力机车6台空气压缩机，主要信息如表1所示，其中4台空压机出厂约14年，1台空压机出厂约13年，一台空压机出厂约8年，如表1。2.1.空压机结构和技术说明TSA-230AD型空压机属于喷油双螺杆空气冷却式压缩机，主要由：驱动装置（电机）、压缩装置（压缩机体）和冷却装置（冷却器）三个主要部件构成。采用联轴器直联传动，带动主机转动进行空气压缩，通过喷油对主机内的压缩空气进行冷却和密封，主机排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气[4]。3.试验测试情况随机选取HXD1机车在线运行超过230万公里的6台空压机，按照螺杆空气压缩机全寿命周期验证试验试验要求，根据机车、动车组用空气压缩机组试验方法[1]进行验证试验，判定其是否满足机车、动车组用空气压缩机组技术条件标准的相关要求。4.试验结果分析1.外观及拆解检查4.1.1.整机外观TSA-230AD空压机外观存在大量灰尘，但无零部件缺失，无明显损坏，未发现明显漏油、漏气现象。4.1.2.润滑油正常状态下的润滑油，随着机组的运行，颜色会从初始的淡黄色变为黄色，机组运行时间越长，黄色越深并渐渐变为红棕色。正常状态下的润滑油，无论颜色的深浅，都应该是清澈透明的，不应出现乳浊液状态。润滑油作为喷油式螺杆空气压缩机最主要部件之一。在机头转子啮合时，润滑油由喷油孔进入螺杆副之间，润滑油包裹压缩空气通过螺杆型线间孔隙逐渐压缩，不仅起到润滑作用，而且具有密封、冷却、降低噪音和振动的效果。同时在温控阀的控制下，通过调解进入冷却器内部油量，可以使机组运行温度始终处于最佳工作温度范围内。而被测空压机内部润滑油成墨汁颜色，并且浑浊，这将导致润滑油的润滑性、密封性、冷却性能的降低，有可能导致空压机机头转子的异常磨损，从而导致容积流量[3]降低、排气温度升高、机械振动烈度加剧、噪声增加等问题。4.1.3.冷却器经过拆解检查清洗，冷却器表面附着有大量灰尘，内部微小通道有较多杂物。而冷却器作为空压机冷却系统中的核心部件，其内部管路堵塞或者冷却表面减小，将直接影响空压机的冷却器效果，可导致空压机工作温度偏高，机组在较高的环境温度下运行存在空压机发生高温保护而停机的风险。4.1.4.空气过滤器空气过滤器是通过多孔过滤材料的作用从气固两相流中捕集粉尘，并使气体得以净化的设备。它把含尘量低的空气净化处理后送入空压机，以保证机组内润滑油的洁净度。通过拆解被测空压机，空气过滤器内壳附着有大量的灰尘，过滤器芯和安全滤芯容灰量已接近饱和。4.1.5.电机电机作为空压机的动力部件，通过电机轴带动空压机进行工作，由拆解检查可知。电机轴前后端盖处已经聚集了大量灰尘，不仅影响转矩而且对电机散热存在一定的影响。4.1.6.轴承电机轴承和机头轴承表面存在较多油泥和杂质，这些异物进入轴承内部，将会影响轴承转动，并导致轴承磨损，可导致机组异常噪音或者振动，严重时会发生轴承跑圈或者轴承卡死。4.2. 容积流量[3]空压机出厂时的额定容积流量[3]为3.0m3/min,而被测的6台空压机的实际容积流量[3]都发生了不同程度的衰减，其中3台机组（图11红色直方图）低于铁路行业标准要求的空压机出厂要求。其主要原因为机头阴阳转子由于长时间的运转而造成了磨损、磨耗；并且其机头内部的间隙容积，由于受到机车长时间的冲击振动及其机组自身的振动的影响，已经发生了尺寸变化。空压机的容积流量[3]是指在所要求的排气压力下，空压机单位时间内排出的气体容积，折算到进气状态的量，是空压机性能最重要的指标。其数值直接关系空压机的打风能力，空压机实际容积流量[3]的下降将导致打风时间的延长。4.3.机械振动烈度振动烈度是表征振动强烈程度的参量，绝大多数机械设备的结构损坏都是由振动速度过大引起的，被测6台机组，007AD231D号和007AD244D号两台空压机电机测的振动烈度超过GB/T7777-2003[5]的标准要求，空压机在此振动烈度下长期运行存在空压机轴承、转子损坏的风险。4.4.极限环境经过试验证明，在+55℃的环境仓内，3台被测空压机润滑油温度超过温度开关设定值，空压机被迫热保护停机。其主要原因有：空压机外表面被大量灰尘覆盖导致自然散热能力低；空压机冷却器内部不清洁和外部被灰尘覆盖，导致强制风冷效果降低；润滑油性能发生了变化，润滑效果降低导致空压机运转温度上升。因此经过230万公里运行的部分空压机在极限高温+55℃条件下无法长期运行。经过试验证明，被测机组在-40℃的环境仓内，空压机无法一次性启动成功。其主要原因有：润滑油性能发生了变化，一方面润滑效果降低导致转矩阻力增加，另一方面润滑油的倾点随着杂质的增多而升高，导致-40℃时润滑油发生凝固；空压机轴承等部件存在磨损，导致阻力增大。因此空压机在-40℃环境条件下存放一段时间后，导致机组无法一次性正常启动。4.5.温度保护按照TB/T 2710.2-2015[1] 机车、动车组用空气压缩机组技术条件标准，第4.4.9章节要求“螺杆空压机应设置温度保护开关，其润滑油及压缩空气在未经冷却器之前的极限温度不应超过120℃。当达到该极限温度时，螺杆空压机应通过螺杆空压机外部关联电路的控制迫使其停机”，其主要目的为防止润滑油和橡胶部件长时间处于高温状态下降低其使用寿命，并且防止机组温度高于润滑油闪点温度（ANDEROL 3057M润滑油闪点260℃）存在爆燃风险。经过测试所有被测空压机温度开关动作数值均小于120℃。4.6.排气温度被测6台空压机在环境温度约30℃条件下，空压机稳定运行后润滑油温度平均测试值96℃，与国家铁路产品质量监督检验中心对该型新品空压机的测试温度数据87.9℃比较，排气温度有所增加。其主要原因为：空压机由于长时间的运行，空压机效率的降低而导致了发热量有所增加，同时由于空压机冷却器内部不清洁和外部被灰尘覆盖，冷却效果的降低从而导致了排气温度的升高。但是所有空压机的测试数据都满足TB/T2710.2标准120℃的要求，证明其控温系统基本正常。4.7.噪声被测6台空压机的噪声声功率符合标准规定≤106dB(A)的要求，空压机运行基本正常，不会对周围环境造成超过标准要求的噪声污染。4.8.压力卸荷 被测6台空压机的压力卸荷时间，经过测试都符合≤14s的标准规定，空压机仍具有防背压保护功能，可有效的防止空压机因为高背压启动导致的电机烧毁或断轴等故障。4.9.接地电阻被测6台空压机的接地电阻测量结果，都符合≤50mΩ的标准规定，空压机接地导通良好。4.10.绝缘电阻被测6台空压机的绝缘电阻测量结果，都符合≥100MΩ的标准规定，空压机绝缘良好。4.11.启停机正常被测6台空压机在常温工况下，每小时启停机次数≥30次，持续时间8h，全部机组运行情况良好，无渗漏现象。4.12.超负荷运行被测6台空压机在1100kPa压力下运行4小时，全部运行状态良好，无部件损坏，无漏气、漏油现象。4.13.渗漏现象被测6台空压机经过验证，均不存在明显的渗漏现象。5.验证结论通过对在大秦线运行里程230万公里以上HXD1电力机车空压机的外观检查和性能测试，该状态下空压机的容积流量[3]发生了明显衰减，将会导致机车打风时间延长。并且由于润滑油的老化、旋转部件的磨耗、空压机冷却效果的下降等原因，导致了空压机在高温下长期运行有发生热保护而被迫停机的风险。同时空压机也不能在-40℃低温条件下一次性启动成功，因此在特殊高低温条件下，需先对采取措施才能正常使用。但经过检查和测试，该状态下的空压机外观完整，无零部件缺失或者损坏，无渗漏现象，接地导通良好，绝缘电阻满足要求，且能够在超负荷110%排气压力下正常工作，因此该状态下的空压机在常温下除容积流量[3]部分机组发生衰减外，其它的工作性能是良好的。