JW4G型接触网作业车发动机“拉缸”故障排查及防范

王荣新

(中国铁路昆明局集团有限公司玉溪供电段,云南 昆明 650100)

0 引言

接触网作业车同铁路机车一样在铁路轨道线路上运行,用于运送铁路供电专业检修人员,并为专业检修人员提供具备高空作业条件的工作平台,方便专业检修人员开展电气化铁路高空接触网设备检修工作。近年来为适应高速铁路长区间、大坡道线路接触网设备检修需要,接触网作业车设计速度已从原机械传动速度110 km/h提升到液力传动速度120 km/h、电传动速度120 km/h[1]、液力传动速度160 km/h[2],当前铁路供电设备管理单位使用最为广泛的接触网作业车是JW4G型接触网作业车(以下简称“JW4G”)。

JW4G为液力传动速度为120 km/h的车辆,该车型2012年研发后经实际使用优化改进,已成为全国铁路系统统型车辆,其动力传动系统的发动机、变速箱分别采用潍柴WP12.480 柴油机(以下简称“发动机”)、德国Voith T211re.4液力传动箱[1],多年来动力传动系统状态良好。近期,中国铁路昆明局集团有限公司玉溪供电段1辆JW4G车辆现场运用中突然出现动力下降故障。本次故障是玉溪供电段使用JW4G以来发动机首次发生的故障,对故障进行了重点排查。

1 发动机结构

JW4G发动机、变速箱整体布置图如图1所示,Voith T211re.4液力传动箱输入端与发动机飞轮、飞轮壳连接构成一个整体,通过橡胶减振装置安装在公用支架上,公用支架固定在车架安装座上。整体布置在车下即司机室地板下方,通过安装座固定在车架上。在司机室内的地板上设计有活动盖板,开启该活动盖板可以进行发动机冷却液加注和开展发动机上部检查。

1—WP12.480柴油机;2—WP12.480柴油机纵向支座;3—公用支架;4—Voith T211re.4液力传动箱;5—Voith T211re.4安装座;6—橡胶减振装置;7—机油冷却器盖。

发动机、Voith T211re.4液力传动箱整体布置在车下,优点是能够最大限度增加司机室内车上空间,隔离发动机、Voith T211re.4液力传动箱运转中的噪声,并且改善司机室的密封性能。存在的问题是发动机、Voith T211re.4液力传动箱整体安装后,发动机机油冷却器盖外侧被公用支架的立柱遮挡,机油冷却器盖、公用支架立柱间的空隙水平距离过窄,附近车架上安装有发电机组阻挡,发动机、Voith T211re.4液力传动箱整体距离地面轨枕距离过小,现场检修时,拆、装机油冷却器盖不方便。

2 故障概况

2.1 故障现象

玉溪供电段某接触网工区按计划夜间使用1辆JW4G进行电气化铁路接触网设备检修工作,作业结束驾驶JW4G从作业地点返回驻地,运行中司机突然发现正常运行中的车辆速度从70 km/h下降至40 km/h左右,多次进行提速操作车辆速度均不能提升,停车检查除发现发动机润滑油明显减少外其他未见异常,观察司机台显示屏无报警信息提示后,补足润滑油控制车辆以30～40 km/h的车速维持运行,返回驻地。

2.2 故障排查

车辆返回驻地后,对故障进行排查,排查过程简要分析如下。

(1)检查发动机油底壳内润滑油油量不足,冷却水位正常,外观检查发动机前端及两侧机体上均有油迹,特别是在油气分离器进气管、出气管接口处有油滴。本机型油气分离器上有进气管、出气管、回油管,进气管通过机体内部腔室连通曲轴箱,出气管引到底部通大气,回油管接通油底壳,工作原理是对曲轴箱内部的油气混合物分离后油液回到油底壳,气体排出机外,本现象表明油底壳内有大量的机油进入了油气分离器。

(2)补充润滑油约9 L达到正常油位,拆下油气分离器盖子,进行空载起机。启动发动机后,油气分离器的进气管内有大股气流喷出,怠速、中速2种工况下调整转速操作正常,转速越高喷出的气流越多。继续在怠速状态下仔细倾听,发动机内部似乎有异常声响传出。

(3)拆卸发动机缸盖,拆卸增压器检查发现:4缸活塞顶部熔化(见图2),并在活塞顶部有长约30 mm、宽约10 mm、厚约10 mm的碎块,活塞环气环缺失、油环熔化在活塞环槽内;4缸缸盖的气门头有明显异物撞击印痕,排气道内有活塞碎块;4缸缸套、缸壁拉伤“起槽”,上部“起槽”比较严重,下部拉伤情况相对要小一些;5缸活塞顶上熔有活塞环碎块;增压器的涡轮叶片上有异物进入后撞击形成的“倒角”。从发动机工作过程,分析这些部件损坏原因为发动机工作中,4缸活塞因为异常原因造成温度突然大幅升高所致:活塞膨胀体积变大,活塞与缸壁的间隙远小于正常配合间隙,活塞往复运动在缸壁上形成纵向沟槽即“拉缸”[3],“拉缸”后燃烧室气体通过缸壁上形成的沟槽窜入油底壳;活塞温度过高顶部熔化、脱落、活塞环熔化,过高的温度使活塞与缸壁间难以形成油膜,从而导致干摩擦[4],造成活塞环断损;因进气门提前开启,排气门滞后关闭,在进排气门均开启的时间内,4缸燃烧室内的脱落物通过缸盖进气门、进气道进入进气管,并通过5缸缸盖上的进气道、进气门进入5缸燃烧室内,另一方面4缸燃烧室内的脱落物经缸盖排气门、排气道、排气管进入增压器涡轮内。

(4)拆卸全车活塞连杆组检查发现:4缸活塞润滑油喷嘴油孔已堵塞(见图2)。喷嘴安装在缸套下方的发动机机体上,与发动机机体主油道连通,润滑油通过喷嘴油管持续不断地向缸壁、活塞销进行喷溅,以对活塞进行冷却,并在缸壁、活塞间提供润滑油。至此,4缸活塞温度升高,喷嘴油孔堵塞后,润滑油对活塞的冷却[5],以及缸壁与活塞间的润滑作用失效所致。

3 故障原因

3.1 调查质量信息

对车辆检修、维护相关质量信息进行调查追溯,该车于2015年11月生产,故障时车辆总公里数为24 500 km,期间仅有1次质量信息:在本次故障发生前10个月,当时车辆总公里数20 245 km,发生机油冷却器盖与机体间冷却液渗漏的问题,更换机油冷却器盖与机体间的密封垫,处理后问题得到解决。

3.2 确定堵塞物

取出4缸活塞喷嘴油孔内的条状堵塞物,经过比对,确认该堵塞物为破损的O形橡胶圈。

3.3 故障原因

分析前期更换机油冷却器盖与机体间的密封垫的主要工作过程是:先拆下机油冷却器盖,更换机油冷却器盖与机体间的密封垫,更换机油冷却器上旁通阀油口处的O形橡胶圈(型号为φ30×3),再安装机油冷却器盖,O形橡胶圈如图3所示。结合堵塞物为破损的O形橡胶圈,确定故障原因为工作现场空间狭窄,机油冷却器盖形状复杂固定螺栓较多定位困难,拆卸或安装过程中难以定位发生滑移,造成O形橡胶圈脱出断损,拆卸时未彻底清理断损的O形橡胶圈,或安装过程中造成O形橡胶圈断损遗留在旁通阀油道内。

图3 JW4G发动机机油冷却器盖

发动机润滑油主油路通路为机油泵将油底壳内的润滑油泵入机油滤清器、机油冷却器,到达机体主油道,机体主油道上连接有多条润滑油支路,对不同的机件进行润滑[6]。机油冷却器盖上设计有一个旁通阀,作用是在机油冷却器油道堵塞的情况下,旁通阀开启继续为机体主油道提供润滑油通路,机油冷却器盖上的旁通阀油道与机体主油道连通[7]。 4缸活塞喷嘴润滑油流通路为:机油泵将油底壳内的润滑油泵入机油滤清器→机油冷却器→机体主油道→凸轮轴轴承油道→曲轴轴承油道→机体冷却油道→活塞喷嘴。

按发动机相关润滑油路通路,结合质量信息调查情况和确定的堵塞物,判断故障原因为O形橡胶圈断损遗留在旁通阀油道内,进入主油道,进入活塞喷嘴,堵塞了活塞喷嘴油孔。检查相关部件,更换全车活塞连杆组、更换全车缸套,更换4缸缸盖、气门,更换增压器,更换全车活塞喷嘴,发动机恢复正常。

4 防范措施

本次JW4G发动机“拉缸”故障的直接原因是发动机润滑油路中活塞喷嘴油孔堵塞所致,结合当前铁路供电设备管理单位驾驶员、运行线路基本固定,接触网作业车实行定期检修的实际情况,采取以下针对性措施。

4.1 及时识别故障

分析本次JW4G发动机活塞喷嘴油孔堵塞,有以下5个明显特点。

(1)发动机动力明显下降。

(2)发动机能正常运转,水温、油压无明显变化。故障车辆发动机怠速、中速两种工况下转速、水温、油压分别为怠速685 r/min、水温30 ℃、油压476 kPa,中速1 439 r/min、水温50 ℃、油压512 kPa,调查其他相同车型14辆车状态良好的发动机,如表1所示。

表1 WP12.480柴油机怠速、中速两种工况下油压、水温记录表

(3)油底壳内润滑油减少。观察故障车辆油底壳内的机油尺,可以看出润滑油减少明显,观察油气分离器可以看到接头处有润滑油滴,正常的发动机则比较干燥,基本没有油滴现象。

(4)油气分离器窜气明显。拆下故障车辆油气分离器上盖,可以明显看到油气大量窜出,正常的发动机基本看不到油气。

(5)有异音、抖动现象。发动机怠速运转时有“嗒、嗒、嗒”的响声,温度升高后响声更加沉闷,并伴有发动机抖动现象。

对驾驶员开展培训使其了解上述特点,及时识别活塞喷嘴油孔堵塞的问题,避免故障恶化加大设备损失和影响铁路运输秩序。

4.2 优化检修工艺

机油冷却器盖形状复杂固定螺栓较多,尤其在JW4G驻地检修场地受限,检修作业现场空间狭窄,拆卸、安装机油冷却器工作中,容易发生滑移造成密封圈脱出断损进入主油道的问题,制作2根ø8×62圆销为辅助工具,作为定位销使用。此圆销下段加工长度为24 mm的M8×1.25外螺纹可以与机体连接,上端面以圆截面直径为中线加工适当宽度和深度的“一字槽”可以与拆装工具(如一字螺丝刀)匹配,拆、装要点如下:

(1)拆卸机油冷却器盖时,先拆下旁通阀油道口对角处2个螺栓、安装2个定位销,再拆下其他螺栓,最后拆下2个定位销,取下机油冷却器盖,确认旁通阀油道口的2个O形橡胶圈彻底取下。

(2)安装机油冷却器盖时,首先检查、清理机体和机油冷却器盖的旁通阀油道口环槽,2个O形橡胶圈涂密封胶后稳妥装入机油冷却器盖旁通阀油道口环槽内,在机体的旁通阀油道口对角处螺栓孔上安装2个定位销,定位销上穿入机油冷却器盖与机体密贴接触,预先固定其他螺栓,取下定位销预先固定旁通阀油道口对角处4个螺栓,最后对旁通阀油道口对角处螺栓、其他螺栓依次进行紧固[8-10]。

4.3 完善年修修程

对《接触网检修作业车年修规则》(铁总工电〔2019〕68号)的2.2.2节进行完善,除原有检查项目、技术标准外,增加“拆卸全车活塞喷嘴,检查喷嘴内的单向阀状态良好、清洗油孔,检查、清洗喷嘴油管”。利用JW4G到检修基地年修的便利条件,定期进行活塞喷嘴状态的检查,提前消除喷嘴可能存在的堵塞问题。

5 结束语

JW4G配套的潍柴WP12.480 发动机与原机械传动接触网作业车普遍配套的康明斯NTC-290/360发动机相比,采用了一缸一盖、框架式主轴承结构、共轨式电控燃油喷射等成熟的新结构、新技术,当前铁路供电设备管理单位普遍对这些新设备了解不多。针对新设备运用过程中发生的故障,找到故障原因,采取有效措施补强专业管理中的弱项和短板,对逐步提高WP12.480柴油机等新设备管、用、修的工作有实际意义。