VV120型空氣壓縮機(jī)排氣溫度的監(jiān)測與分析

梁國添 梁仲文

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運營事業(yè)總部 廣東 廣州 510380)

VV120型空氣壓縮機(jī)排氣溫度的監(jiān)測與分析

梁國添 梁仲文

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運營事業(yè)總部 廣東 廣州 510380)

分析了廣州地鐵車輛裝用的VV120型空壓機(jī)影響排氣溫度的因素，提出了空壓機(jī)運行狀態(tài)評估方法，及時解決了車載空壓機(jī)維護(hù)過程中的實際問題。

VV120型空壓機(jī)；排氣溫度；評估

廣州地鐵目前已開通運營的各條線路中，90%以上的車輛采用了德國Knorr公司生產(chǎn)的VV120型活塞式空氣壓縮機(jī)(以下簡稱空壓機(jī))，列車配置2臺作為雙備份系統(tǒng)，為車輛各氣路系統(tǒng)提供干燥潔凈的空氣。從車輛日常運營檢修和架、大修維護(hù)情況來看，隨著列車使用年限和運行里程的增加，空壓機(jī)故障率逐漸增大，如空壓機(jī)漏油、異響、供風(fēng)量不足、排氣溫度過高等，影響了列車制動系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重時將危及列車的運行安全。

空壓機(jī)排氣溫度過高也直接影響到氣缸活塞環(huán)的使用壽命和氣缸的氣密性，且氣缸內(nèi)的潤滑油由于溫度過高而分解，容易燒壞活塞環(huán)，情況嚴(yán)重時會引起爆炸，因此在空壓機(jī)試驗中對排氣溫度的監(jiān)測不可或缺。

1 VV120型空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

VV120型空壓機(jī)由380 V三相交流電機(jī)驅(qū)動，采用3缸(1個高壓缸，2個低壓缸)兩級壓縮結(jié)構(gòu)(見圖1)。其工作原理是：外部氣流通過空氣濾清器清潔后進(jìn)入2個低壓缸中進(jìn)行一級壓縮，然后經(jīng)過中間冷卻器冷卻，冷卻后的壓縮空氣再進(jìn)入高壓缸進(jìn)行二級壓縮，壓縮后的空氣再次回流至冷卻器進(jìn)行冷卻，形成高壓低溫的氣體，進(jìn)入干燥器進(jìn)行干燥清潔處理，最終進(jìn)入列車空氣回路。

圖1 VV120型空壓機(jī)結(jié)構(gòu)

2 理論計算

根據(jù)VV120型空壓機(jī)工作原理和熱力學(xué)理論[1]，推斷出空壓機(jī)排氣溫度的計算公式如下：

(1)

式中：T1為氣缸的進(jìn)氣溫度，K；T2為氣缸的排氣溫度，K；P1為氣缸的進(jìn)氣壓力，MPa；P2為氣缸的排氣壓力，MPa；N為空氣壓縮過程的多變指數(shù)。

由式(1)可知，氣缸的壓縮比(P2/P1)、T1、N是影響空壓機(jī)排氣溫度的3項主要因素。如果空壓機(jī)運行時排氣溫度超標(biāo)，則該3項指標(biāo)超過標(biāo)準(zhǔn)值，在持續(xù)超標(biāo)的溫度下工作進(jìn)而引發(fā)空壓機(jī)故障。

若不考慮管道阻力，低壓缸的進(jìn)氣壓力P低1即為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫p去空氣過濾器的阻力，低壓缸的排氣壓力P低2即為冷卻器的一級進(jìn)氣壓力，因此在正常情況下低壓缸的壓縮比P低2/P低1變化很小；如果空壓機(jī)運行中由低壓排氣至高壓進(jìn)氣間管道堵塞導(dǎo)致阻力增大，或當(dāng)?shù)蛪焊椎呐艢忾y或高壓缸的吸氣閥發(fā)生故障時，低壓缸排氣壓力P低2增大，從而使低壓缸的壓縮比P低2/P低1增大。若不考慮管道與冷卻器的阻力，高壓缸的進(jìn)氣壓力P高1即等于低壓缸的排氣壓力P低2，當(dāng)?shù)蛪焊坠ぷ髡r其變化不大，P高2則主要根據(jù)車輛運行狀態(tài)而調(diào)整，在滿足車輛運行氣壓的前提下，此壓力越低，則空壓機(jī)耗電更少，工作更經(jīng)濟(jì)，排氣溫度也隨之降低。如果空壓機(jī)運行中高、低壓缸的吸、排氣閥發(fā)生故障或管路和冷卻器堵塞導(dǎo)致阻力增大時，都會使高壓缸排氣壓力P高2增大，從而使高壓缸的壓縮比P高2/P高1增大，排氣溫度升高。

第1級氣缸(低壓缸)的進(jìn)氣溫度T低1即為室外溫度，該溫度隨不同的季節(jié)而變化，但由于空壓機(jī)本身散熱對周圍溫度的影響，空壓機(jī)的進(jìn)氣溫度總是略高于室外溫度。若不考慮進(jìn)氣管道的熱損失，第2級氣缸(高壓缸)的進(jìn)氣溫度T高1即為經(jīng)過冷卻器一次冷卻后的的出口溫度。而冷卻器的冷卻效率直接影響一次冷卻后的出口溫度，進(jìn)而影響高壓缸的排氣溫度。

多變指數(shù)N受冷卻器的影響，根據(jù)冷卻器的熱平衡公式推算可導(dǎo)出[2]：

(2)

式中： F—冷卻器的冷卻面積，m2；k—冷卻器的傳熱系數(shù)，一般取20～25kcal/m2h℃；Δtcp—冷卻器管壁的平均溫差，℃；T空出、T空入—進(jìn)入冷卻器的空氣出、入口空氣溫度，℃；t風(fēng)入、t風(fēng)出—通過冷卻器的冷卻風(fēng)溫度，℃；r—壓縮空氣密度，kg/m3；v—通過冷卻器的空氣容積，m3/h；Cp空—空氣定壓比熱，0.24kcal/kg℃；W—通過冷卻器的冷卻風(fēng)消耗量，kg/h。

由(2)式可以看出，對于空壓機(jī)的二級冷卻系統(tǒng)，壓縮空氣經(jīng)過冷卻器后的出口空氣溫度T空出與進(jìn)入冷卻器的入口空氣溫度T空入和進(jìn)入冷卻器的壓縮空氣量v成正比，而與冷卻風(fēng)的溫差，冷卻器的面積F、冷卻風(fēng)量W和傳熱系數(shù)k成反比。在冷卻風(fēng)扇功率恒定和冷卻器不變的情況下，為了得到較低的出口空氣溫度，空壓機(jī)運行中應(yīng)首先保證兩級壓縮缸工作正常，氣缸排氣溫度不能過高，其次保證冷卻器的傳熱效率[3-4]。

空壓機(jī)運行過程中可以通過冷卻系數(shù)和欠冷值2項指標(biāo)來判斷空壓機(jī)冷卻是否良好。

(3)

根據(jù)冷卻器設(shè)計計算值，對于工作良好的冷卻器，θ值應(yīng)在0.45～0.7之間，如θ值大于0.7則表明冷卻器冷卻風(fēng)量不足、冷卻面積不夠，氣路堵塞、傳熱效率下降，這時必須對空壓機(jī)進(jìn)行檢查。欠冷值為空壓機(jī)排氣溫度T空出與通過冷卻器進(jìn)口風(fēng)t風(fēng)入的差值，此值應(yīng)不大于30～40 ℃。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

根據(jù)上述理論分析，對廣州地鐵一號線大修車輛的VV120型空壓機(jī)進(jìn)行實測，其中1號機(jī)為新機(jī)，性能正常，用于測量對比高壓缸進(jìn)氣溫度，2～5號機(jī)為大修前機(jī)組。因低壓缸排氣溫度比高壓缸的低，且測量溫度值受空壓機(jī)內(nèi)部管路熱傳導(dǎo)影響較大，故對低壓缸不再分析。測量時在高壓缸進(jìn)氣和排氣管路、低壓缸的排氣管路和冷卻器散熱風(fēng)出口處裝有溫度傳感器。機(jī)組測試報告如圖2所示，橫坐標(biāo)為測試時間(s)，左側(cè)縱坐標(biāo)為氣壓(bar)，右側(cè)縱坐標(biāo)為溫度(℃)，測試結(jié)果如表1所示。

圖2 VV120型空壓機(jī)測試報告

測試項目機(jī) 組1號2號3號4號5號低壓缸排氣溫度/℃121.9167.5163.7119.6158.3高壓缸進(jìn)氣溫度/℃43.599.691.053.286.2高壓缸排氣溫度/℃165.8213189.6168.2179.3空壓機(jī)排氣溫度/℃49.973.764.350.267.6低壓缸進(jìn)氣壓力/bar0.930.910.900.920.93高壓缸排氣壓力/bar10.3110.3410.5810.3210.34冷卻器入風(fēng)溫度/℃22.626.023.523.623.2冷卻器出風(fēng)溫度/℃75.082.378.676.676.0冷卻器欠冷值/℃27.347.740.826.644.4冷卻系數(shù)0.520.850.740.500.84壓縮比11.0911.3611.7611.2211.12

由表1可以看出，除1號機(jī)和4號機(jī)外，2、3、5號機(jī)的排氣溫度都在60 ℃以上，通過對2、3、5號機(jī)及后續(xù)進(jìn)行大修的40臺空壓機(jī)組進(jìn)行拆解和分析，空壓機(jī)排氣溫度過高的主要因素為：

(1)冷卻器工作狀態(tài)不良，熱傳導(dǎo)性能不足，故障率約占10%。拆解2、3號機(jī)的冷卻器，發(fā)現(xiàn)冷卻器內(nèi)腔積碳，需進(jìn)行清洗，增大冷卻器的通風(fēng)量，才能降低壓縮機(jī)的排氣溫度；

(2)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)狀態(tài)不良，吸氣阻力過大，此項占大修空壓機(jī)故障比例最高，達(dá)到69%。對比低壓缸進(jìn)氣壓力和檢查吸氣濾芯發(fā)現(xiàn)，2、3、5號壓縮機(jī)的吸氣濾芯表面塵堵，需要更換新品以減少吸氣阻力，降低壓縮機(jī)功耗；

(3)設(shè)備本身缺陷，此故障比例約占21%。如高、低壓缸的吸(排)氣閥不嚴(yán)、氣管管路結(jié)垢堵塞、輸氣截面縮小、阻力增大、活塞環(huán)漏氣、氣缸余隙容積過大等都會導(dǎo)致排氣溫度升高，需對空壓機(jī)進(jìn)行檢查和清洗，更換相關(guān)故障部件。

4 日常維護(hù)

針對上述分析，可采取相關(guān)措施，如修訂檢修規(guī)程，日常維護(hù)過程中定期更新空壓機(jī)油和進(jìn)氣濾芯等，同時在空壓機(jī)大修規(guī)程中更新相應(yīng)的故障備件，保證空壓機(jī)正常運行。此外檢修人員在運行中對空壓機(jī)要進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常立即落車進(jìn)行維修處理。根據(jù)空壓機(jī)運行時的進(jìn)氣溫度、進(jìn)排氣壓力和溫度，計算相應(yīng)的欠冷值和冷卻系數(shù)，專業(yè)技術(shù)人員即可對空壓機(jī)運行工況進(jìn)行評價，及時對空壓機(jī)進(jìn)行維護(hù)，保障地鐵列車運行的安全。

[1] 楊玉順.工程熱力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計》編寫組.活塞式壓縮機(jī)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

[3] 孟亞男.壓縮機(jī)的在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)[J].制造業(yè)自動化，2010,32(6):25-28.

[4] 儲劍鋒.HXD3型機(jī)車空壓機(jī)燒損原因分析及改進(jìn)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2009(2)：55-56.□

(編輯：林素珍)

2095-5251(2016)01-0023-02

2015-01-18

梁國添(1987-)，男，本科學(xué)歷，助理工程師，從事地鐵車輛維護(hù)工作。

U270.38

B