地铁工程车活塞式空压机二级机构的气阀故障诊断研究

刘建胜

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510440）

地铁工程车活塞式空压机二级机构的气阀故障诊断研究

刘建胜

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510440）

广州地铁早期采购的工程车车载空压机多为活塞式，其故障率高于近几年逐渐推广的螺杆式空压机。气阀工作状态的好坏是空压机技术优劣的核心问题之一，深入研究气阀故障机理和故障诊断方法，具有较大的实际意义。

活塞式空压机；气阀；故障诊断

1 背景

广州地铁内燃机车均采用活塞式空压机，型号为W-1.6/9型，其故障率高于近几年逐渐推广的螺杆式空压机。2013年初，正在段内作业的工程车空压机突发异响，检查发现安装在中间冷却器上面的安全阀意外开启，安全阀卸荷时发出刺耳的尖叫声。意外开启的安全阀安装在联接一级气缸和二级气缸之间的中间冷却器上，被称为一级安全阀，其校准压力为3.5+0.5（bar）（表压），当中间冷却器超压时便自动开启。

1.1 故障原因分析

触发安全阀的因素有二：第一，安全阀自身故障导致意外开启；第二，安装该安全阀的中间冷却器内压力异常过高，致使安全阀开启。基于第一条原因，连续更换了两个安全阀，故障均未解除，排除了安全阀自身故障，所以唯一可能原因是二级压缩气缸的高压空气窜回中间冷却器。

拆解二级压缩机构进一步确定故障点，完全拆解的故障气阀见图1，该气阀融合了吸气阀和排气阀功能于一体，吸排气阀功能类似于单向阀，通过支撑弹簧和两侧气体压力的交替作用自动启闭，实现二级压缩机构的吸、排气功能。

图1 完全拆解的故障气阀

检查发现气阀的吸气阀片破裂，见图2，破损的阀片碎块落入气缸，与缸内高速往复运动的活塞撞击，阀片碎块在高速冲击的环境下发生卷曲，见图3气缸内发现的阀片碎块。此外，检查活塞的上表面被严重拉伤，气阀总成的下表面也有不同程度的刮花，幸好气缸内壁未出现拉毛现象。进一步检查发现支撑该阀片的三个弹簧中有两个断裂。

图2 破裂的吸气阀片

图3 气缸内发现的阀片碎块

当吸气阀片疲劳破裂后，压缩机构处于排气阶段时，吸气阀片无法起到密封作用，部分高压空气通过吸气阀片的破裂处窜到吸气口，二级压缩机构的吸气口与中间冷却器连通，故而触发了安装在中间冷却器上的安全阀。

1.2 故障发生过程

本次故障引起的直接后果有气阀的吸气阀片破裂、高速冲撞情况下阀片碎块卷曲、活塞的上表面被严重擦伤、气阀总成的下表面也有不同程度的刮花、支撑该阀片的三个弹簧中有两个断裂等。

故障发生过程分析如图6所示。

图4 支撑吸气阀片的弹簧断裂

图5 阀片碎块深度擦伤活塞

图6 故障发生过程

2 故障机理探究

2.1 故障诊断方法

活塞式空压机从反映故障状态的监控参数上可分为两大类：一类故障征兆表现在热力参数变化上，如排气量变化、吸排气压力变化、各部位温度变化等；另一类故障征兆表现在动力参数变化上，如空压机零部件的缺陷、磨损、断裂和损坏等故障所表现的征兆。所以空压机日常检修时要做到以下几个方面：

听：检查空压机运行时有无异响，异响是零部件磨损、断裂和损坏等故障所表现的征兆；

测：测量一级气缸和二级气缸的排气压力，观测总风缸风压、打风速度等参数；

感：用红外测温仪观测空压机各气缸温度变化，对于包含有高速运转的零部件的设备来说，观测温度是故障诊断最常见的方法之一。

2.2 阀片破裂机理分析

阀片主要的破坏形式是在频繁的撞击载荷下引起的径向断裂。此外阀片磨损、阀片材料缺陷、介质腐蚀亦会引起阀片破坏。

阀片的运动规律是气缸内压力、管路压力、气阀弹簧力、阀片开启高度、阀片重量等综合因素作用的结果。阀片运动规律曲线如图7所示。

阀片开启和关闭过程的平均速度分别为：

式中：h—阀片升程高度。

曲线各点的斜率表示对应位置的瞬时运动速度：

阀片运动速度能够反映阀片开闭是否及时、缸内是否存在气流压力脉动、气阀流通能力是否完好，分析阀片运动规律有助于查护气阀故障的原因和选择合适的气阀弹簧。

图7 阀片运动规律曲线

3 改进措施和发展趋势

3.1 提高气阀耐用性的措施

（1）改变气阀结构。降低阀片的开启高度可以减小阀片的撞击速度，确保气阀及时关闭。阀片的开启高度降低后，气阀的流通缝隙面积将减小，气流阻力增大，补偿的方法是增加阀座的通道数、采用多环窄通道气阀，这样既可以增大气流在阀隙中流通的面积，又可以改善阀片的受力状态。

（2）调整弹簧力。选用预应力和劲度系数较大的弹簧，可以提高弹簧的缓冲能力，但预应力和劲度系数不可过大。

（3）控制压缩空气中的油水含量。阀片和密封口接触时液膜产生的附着力将阻碍阀片运动，引起阀片开启关闭滞后。当阀片克服附着力脱离密封口后，以高速撞击阀座和阀档，从而降低了阀片使用寿命。

3.2 气阀发展趋势

往复式空压机的技术上的发展方向是高速短行程，减小气阀的开启和关闭过程中对阀座和阀档的冲击速度和冲击力，优化阀片受力环境。但是缩短行程后，需要提高了气阀的动作频率以弥补打风速度，即单位时间内阀片对阀座和阀档的冲击次数增多，阀片和弹簧更易疲劳破坏。这些问题的解决需要在气阀结构、阀片动力特性和阀片及弹簧材料等方面进行研究。

4 结语

本文从现场案例出发，分析活塞式空压机气阀故障发生过程，探究阀片的运动规律和疲劳破裂机理，站在设备保养人员的角度，提出了维修现场可行性较高的故障诊断方法。气阀的工作状态决定着空压机的总体性能，及时诊断气阀故障原因，采取合理的措施，提高空压机运行可靠性是很有必要的。此外，设备保养人员要及时申报备件，包括吸排气阀片、支撑弹簧等，便于及时处理故障。

从国内来看，螺杆式空压机逐渐替代往复式空压机是大势所趋，前者是免维护型，性能优于传统的往复式空压机。笔者公司也逐渐普及螺杆式空压机，广州地铁有三台采购较早的工程车于2012年开展了空压机改型项目，将原有的活塞式空压机改为螺杆式空压机。设备维修部门也可研讨该工程车开展空压机换型的可行性。

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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

刘建胜，男，1986年生，山东菏泽人，大学本科，助理工程师。研究领域：城市轨道交通。

(编辑：王智圣)

2014－01－16