HXD1B型机车SL20-5型压缩机原理分析及常见故障探讨

陈志申

(杭州机务段 浙江 杭州 310002)

1 SL20-5型压缩机简介

1.1 基本结构及工作原理

SL20-5型电机压缩机组由驱动装置、压缩机、联轴器/冷却器三个主要部分组成，三部分由螺栓连接成为一个紧凑、自承式机组，通过弹性支脚弹性连接到车体[1]。螺杆式压缩机为2个螺杆状转子的排放式机械，按起动、停止(间歇式)模式工作。空气从螺杆组径向进入，从螺杆组壳体内特别形状的通道轴向排出，其工作原理是强迫送风。电机压缩机组示意图如图1所示。

1—空气过滤器；2—油冷器；3—冷却器；4—空气冷却器；5—空气输出口；6—泄压阀；7—进气止回阀；8—起动必需开关(项目特定设备)；9—安全阀；10—最小压力止回阀；11—压缩机壳体；12—油气分离器；13—回油过滤器；14—隔板；15—温度开关；16—排油阀或排油塞；17—滤油器滤芯筒；18—油控制单元；19—温度自动调节器；20—阴转子；21—阳转子；22—压缩机螺杆组；23—离心式风扇；24—连接器壳；25—联轴器；26—弹性支脚；27—电机；28—涡形壳；A1—进入压缩机的空气入口；A2—通向系统的空气出口；A4—散热器冷却空气。图1 SL20-5型电机压缩机组示意图

压缩机螺杆组由2个相互啮合的螺旋状槽形转子构成，转子外形为不对称的啮合形状(见图2)。

1—阴转子；2—阳转子。图2 压缩机螺杆组啮合剖面(从送风口端观察)

转子在壳体内旋转时，其叶片之间的空气量不断变化，打开进气口吸气。转子将2个风口闭合后，空气被压缩并从送风口排出。

1.2 空气循环

当压缩机起动时，通过空气过滤器和进气止回阀吸入空气，压缩后通过送风口将空气推入压缩机壳体。如果压缩机在壳体内压力为零的情况下起动，最小压力止回阀将保持关闭状态，使压缩机壳体内快速建立起压力，继而油路通过压力差进行循环。

当压缩机壳体内空气压力达到0.65 MPa时，最小压力止回阀打开，压缩空气排出，经干燥器干燥、过滤后进入总风缸。当总风缸压力达到0.9 MPa时，压缩机停止运转，最小压力止回阀与进气止回阀关闭。壳体内空气回流至压缩机螺杆组，进气口处压力升高，泄压阀被打开。壳体内压缩空气通过开放的泄压阀端面流向空气过滤器，快速将壳体内的空气排出。当压力降到约0.18 MPa时，泄压阀关闭，壳体内剩余压力通过泄压阀塞门全部排出，达到零。这个泄压过程约6 s，这种精确协调的过程极大地抑制了压缩机油的泡沫化趋势，同时，压缩机在不小于6 s后再次起动时负载较低。

1.3 油循环

压缩机运行时，压缩机壳体内建立起来的空气压力通过油滤器将油运送到各轴承、传动装置和压缩机螺杆组的注油点。这些油起润滑作用，也把转子叶片的啮合点和转子叶片端部同压缩机壳体的接触点密封起来，此外，这些油还可以带走绝大部分压缩过程产生的热量[2]。

压缩机推动油、气混合物，通过送风口打在压缩机壳体的隔板上，该动作形成了油的粗过滤，然后油、气混合物经油气分离器细滤。分离出来的油大部分沿油气分离器外壁回落到油底壳，一小部分油随空气进入油气分离器内腔，积存在底部的储油凹槽中，继而在壳体内压力的作用下，经过回油管、过滤器返回到压缩机螺杆组。油气分离器结构如图3所示。

(a) 油气分离器外壁(b) 油气分离器内腔图3 油气分离器结构

当油温达到83 ℃，油控制单元内的温度自动调节器打开通向油冷器的通道，对油进行冷却。当油温低于83 ℃，通向油冷器的通道关闭，油直接传送到压缩机螺杆组，温度调节器将油温控制在最合适的工作温度范围内(69～85 ℃)。

压缩机壳体内油、气混合物的温度由位于送风口处的温度开关监控，如果此温度达到了停机极限，温度开关切断压缩机运转，避免压缩机超温损坏。

2 压缩机常见故障原因分析及解决措施

2.1 压缩机喷油故障引起烟雾报警

该故障通常发生在压缩机补油后不久，由于压缩机工作时壳体内压力、温度较高，故障现象是炽热的油气混合物从加油口盖垫子处泄漏出来，在机械间形成油雾，烟雾报警探测器误以为火情随即报警。

原因分析：(1)加油口盖铝质密封垫未完全压实，导致密封不良。机车运行过程中压缩机启停相当频繁，因振动或热胀冷缩等因素使加油口盖紧固力矩降低，施加在密封垫上的压力变小，垫子上的线性接触带不连续；(2)压缩机补油后未更换新密封垫，二次使用的旧密封垫拧紧时，相对于第一次时的状态垫子必定移位，导致线性接触状态不良，接触面不严密。

解决措施：(1)压缩机每一次补油或换油后铝质密封垫必须换新，并且加油口盖拧紧力矩有严格的要求，拧紧力矩为90～100 N·m，不得过紧或过松；(2)地勤人员检查压缩机时严禁使用检点锤敲击加油口盖。对压缩机维护时，须用力矩扳手复紧加油口盖。

2.2 压缩空气高含油量故障

正常情况下，压缩机壳体内油气混合体经油气分离器细滤后，油、气能被完全分离开来，空气经干燥器干燥、过滤后进入总风缸。但机车实际运行中，经常发生油、气没有完全被分离的故障现象。进入制动、电气系统的空气含油量较高，严重污染了制动部件和高低压电器装置。不仅影响其工作性能，缩短使用寿命，还可能危及行车安全。图4为制动系统撒砂模块(F41)被污染渗油现象。引起压缩空气中高含油量故障的主要原因有以下3个方面。

图4 撒砂模块污染渗油现象

2.2.1机务段对油气分离器没有进行寿命管理

理想工作环境下，油气分离器工作4年或6 000 h后需要更换，以先达到项为准。但机务段C1～C3修(小修程)中没有更换油气分离器的技术规定，需要C4修(大修程)在机车检修基地进行更换。而HXD1B型机车一个C4修程周期一般超出4年，油气分离器的工作时间超出了它的维护周期，导致油气分离器因使用过久，分离能力降低。

解决措施：对油气分离器进行寿命管理。在1个C4修程内，机车正常运行约2年或3 000 h后予以更换，以先达到项为准，从而确保油气分离器功能正常。

2.2.2压缩机油量偏多致使油气分离器功能失效

压缩机正常油量为6.2 L，由于压缩机内的油位会随压缩机停机时间的长短和温度的变化而变化。有时在油视窗中看不到油位，但压缩机内的油量是正常的。检修人员往往根据油视窗中显示的油位进行补油，当按规定补油至上限标记时，压缩机内的实际油量已经过剩(超出6.2 L)。压缩机运行时机壳内油气混合物的含油量增加，超出了油气分离器的承载能力。油气分离器长期工作在这种恶劣环境，油、气分离功能逐步丧失。高含油量空气直接被送出，进入制动、电气系统。

解决措施：为避免油量过多造成油气分离器损坏，控制压缩机油量非常关键。杭州机务段在机车检修生产实践中，总结了一套实用的油位检查和补油方法。具体步骤如下。

(1)检查油位或补油前，先让压缩机运行5 min以上，寒冷季节运行时间适当延长，使压缩机油温达到83 ℃左右。油控制单元的温度自动调节器打开通向油冷器的通道，油进入油冷器开始冷却。然后停止压缩机运转，待5 min后压缩机内压力会完全泄去。停机后5～20 min内从油视窗中观察油位，标准油位应在视油窗上、下限标记范围内(见图5)。

图5 油视窗标准油位

(2)如果油位低于油视窗下限标记，或估计油位在下个维护周期之前会达到油视窗下限标记，就应该补油。受压缩机后的50 L冷却风缸的影响，会导致风缸内的压缩空气返回到压缩机内部，可能在压缩机停机20 min后仍然看不到油位或者油位偏低。此时需要将加油盖旋松1/2圈进行泄压，油位如果升至正常位置，则更换密封垫，拧紧加油口盖(拧紧力矩90～100 N·m)。如果此时油位仍然偏低，则需要通过安装在加油口盖上的油标尺来检查油位。

(3)切断压缩机电源，确保压缩机不会意外启动。先将加油口盖旋松，待壳体内压力降低至和外界相同，再将加油口盖连同油标尺取出，用无绒布擦净油标尺上的油迹。然后重新盖上加油口盖，螺纹不要旋入，再取出加油口盖，读取油标尺上的油位。若油位位于油标尺的下限标记之下，则需要补油，可补至油视窗或油标尺上限标记位置。从下限至上限标记的加油量为500 mL。由于受油温、油中气泡含量以及停机时其他边界条件的影响，压缩机油位的波动不可避免，油位波动允许略超出油视窗上限标记。如果油位高出油标尺上限标记10 mm，则必须放油。

2.2.3回油管与油气分离器储油凹槽底面间距不当

油、气分离过程中积存在油气分离器储油凹槽中的油，在空气压力作用下，通过安装在储油凹槽中心位置的油气分离器盖上的回油管，经过滤器返回到压缩机螺杆组。机务段在更换油气分离器检修作业中，因存在不规范的拆装行为，造成回油管管端与储油凹槽底部的间距偏大，凹槽中的油无法通过回油管回到螺杆组，而是随空气从出风口排出，经过空气干燥器后直接进入制动、电气系统。

解决措施：更换油气分离器时，应确保油气分离器储油凹槽底面与回油管端部的间距在3～5 mm之间。具体测量步骤如下。

(1)将防护塞塞入油气筒口做好防护，用壁纸刀或磨制刀片轻轻剔除油气筒上法兰面和油气分离器盖表面残留密封垫，清理干净碎屑，然后取出防护塞。检查安装在油气分离器盖上的回油管下端开的1 mm深的十字槽,状态良好，去除毛刺，清理吹扫回油管。

(2)保证回油管对中并垂直于油气分离器盖安装面，用钢板尺测量回油管端部至油气分离器盖安装面的距离，记为L1。在新品油气分离器上面加密封垫，然后在油气分离器密封垫上面放一平板，用钢板尺测量油气分离器储油凹槽底面距此平板的距离，记为L2。

(3)回油管与储油凹槽底面间距为L2-L1。通过松开回油管锁紧螺母可以调整回油管长度，控制两者之间的间距在3～5 mm之间。

2.3 温度过高压缩机停机故障

压缩机温度过高导致停机故障的主要原因有以下2个方面：

(1)因油气分离器失效或回油管安装偏差，随空气排出的压缩机油增多，压缩机内部油量消耗较快而使油量减少，压缩过程中产生的热量不能被充分带走，温度升高。当送风口温度达到停机极限，温度开关动作，压缩机停机。

解决措施：如上所述，对油气分离器进行寿命管理并控制压缩机正常油位，以及准确控制回油管管端与储油凹槽底部的间距，能有效减少压缩机油的非正常消耗。

(2) 因压缩机维护保养不当，油冷却器散热片较脏，散热功能下降，压缩机油温升高，温度开关保护压缩机停机。

解决措施：日常维护须确保冷却器散热片清洁，机车运行过程中如发现冷却器污损，必须用蒸汽喷嘴对散热片两面进行吹洗，最好从冷空气流向的相反方向开始吹洗。如果污物不易除去，可使用碱性清洁剂清洗，或者使用各种尺寸的刷子清除污物(不要使用铁刷)。

3 结束语

压缩机是机车的关键部件，如发生故障，机车就无法运行。杭州机务段通过对压缩机工作原理及常见故障的分析研究，提出了压缩机检查、维护、保养的实用措施。通过落实措施后的跟踪调查，压缩机运行状态良好，故障率大幅度下降。但压缩机油位的不确定性，始终给机车的运用和检修带来诸多不利因素。建议压缩机制造厂设计研发单位或机车大修基地技术部门根据压缩机故障情况，对压缩机进行有针对性的改造，使司乘、检修人员能直观准确地读取油位，便于压缩机维护保养，确保机车运行安全稳定。