鐵路客車空調(diào)機(jī)組ZR68型壓縮機(jī)插頭脫落故障分析與改進(jìn)

王路

摘要：鐵路客車用KLC-29機(jī)組，使用兩臺ZR68KC-TFD-622型壓縮機(jī)，在實(shí)際運(yùn)用過程中，出現(xiàn)了壓縮機(jī)電源插頭脫落問題。本文從此型壓縮機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)、電源連接方式工作環(huán)境特點(diǎn)等方面，對插頭脫落故障進(jìn)行了分析，并提出了對應(yīng)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：空調(diào)機(jī)組;ZR68壓縮機(jī);插頭脫落;分析改進(jìn)

1.問題提出

1.1 ZR68KC-TFD-622壓縮機(jī)的基本情況

ZR68KC-TFD-622壓縮機(jī)（以下簡稱ZR68壓縮機(jī)）是全封閉渦旋壓縮機(jī)的一種，廣泛使用在鐵路客車空調(diào)機(jī)組，是KLC-29型空調(diào)機(jī)組的核心部件。

ZR68壓縮機(jī)型號含義如表1所示：

1.2 典型故障現(xiàn)象

1.2.1 故障的集中性

在2015年以前，鐵路客車空調(diào)機(jī)組使用的ZR68型壓縮機(jī)是TFD-522型號，壓縮機(jī)引入電源使用的是接線端子螺栓連接的方式，在2015年，原鐵路總公司統(tǒng)一圖紙，對壓縮機(jī)使用的型號進(jìn)行了調(diào)整，開始使用TFD-622壓縮機(jī)。

自2015年后，在出現(xiàn)的KLC-29空調(diào)機(jī)組制冷故障中，均發(fā)現(xiàn)有ZR68壓縮機(jī)電源插頭脫落，壓縮機(jī)不工作，影響機(jī)組制冷效果的情況。

多數(shù)插頭脫落后，插頭有輕微打火痕跡，極少數(shù)壓縮機(jī)插座內(nèi)極柱有打火損傷。出現(xiàn)故障的時(shí)間特征明顯，多數(shù)在每年5月末～7月中上旬，此期間為梅雨時(shí)期，雨水較多，空氣濕度大，進(jìn)入7月末后，雖然空調(diào)機(jī)組使用頻率更高，但故障發(fā)生率明顯降低。

1.2.2 故障存在普遍性

自2015年后，在全路各鐵路客車車輛段出現(xiàn)的KLC-29空調(diào)機(jī)組制冷故障中，均發(fā)現(xiàn)有ZR68壓縮機(jī)電源插頭脫落，壓縮機(jī)不工作，影響機(jī)組制冷效果的情況，且采取的防治措施效果不明顯，已成為空調(diào)制冷故障的一個(gè)頑疾。

1.2.3 故障的隱蔽性

因鐵路客車使用的是車頂單元機(jī)組，日常作業(yè)時(shí)無法檢查壓縮機(jī)，插頭脫落后，壓縮機(jī)主電路斷電，但控制電路并無報(bào)警顯示，需等到車內(nèi)制冷效果下降時(shí)，觀察機(jī)組工作電流才能發(fā)現(xiàn)，故障較為隱蔽，判斷故障需具備一定經(jīng)驗(yàn)。

2.原因分析

2.1 從各次故障時(shí)壓縮機(jī)本身絕緣故障較少，插頭脫落的空調(diào)機(jī)組，空調(diào)控制柜內(nèi)主開關(guān)跳閘的現(xiàn)象不多，多數(shù)壓縮機(jī)的絕緣良好，極少發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)絕緣不良，處理方式一般為更換壓縮機(jī)的電源插頭線。更換壓縮機(jī)的電源插頭線后，基本可以恢復(fù)壓縮機(jī)的工作狀態(tài)情況來看，可排除壓縮機(jī)本身故障問題;從插頭脫落后的打火痕跡看，多數(shù)故障是插頭與插座連接處出現(xiàn)絕緣不良，引發(fā)瞬間過流現(xiàn)象，極少數(shù)是瞬間短路大電流打火現(xiàn)象。

2.2 插頭與插座連接處絕緣不良原因分析

2.2.1 插頭結(jié)構(gòu)形式

ZR68壓縮機(jī)殼體上有圓柱形插頭盒，插頭安裝到插座盒后，安裝三爪保持器固定插頭。插頭盒直徑約7cm，插頭直徑約6cm，插頭安裝后與插座盒間隙約12mm?？照{(diào)機(jī)組檢修期間，在插頭拆卸檢修工序，發(fā)現(xiàn)ZR68插頭底部S和R相有水漬、插座殼內(nèi)部銹蝕的情況較多，說明空調(diào)機(jī)組在運(yùn)用期間插頭內(nèi)長期積水或潮濕的現(xiàn)象較多

2.2.2 機(jī)體表面冷凝水的產(chǎn)生

ZR68型壓縮機(jī)插頭接線盒的位置如圖1所示，基本上與低壓回氣管的高度一致，在空調(diào)機(jī)組動態(tài)試驗(yàn)后（約40分鐘），多數(shù)壓縮機(jī)外殼會有大量冷凝水，冷凝水高度超過插座位置，插座上布滿冷凝水，少數(shù)壓縮機(jī)有冷凝水但高度不到插座位置。說明ZR68壓縮機(jī)在運(yùn)用期間，其插座長期處于有冷凝水狀態(tài)。

2.2.3冷凝水進(jìn)入插座分析

經(jīng)檢修的壓縮機(jī)靜態(tài)絕緣值多數(shù)絕緣超過200M，但經(jīng)過空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)臺試驗(yàn)后，部分壓縮機(jī)絕緣值雖然達(dá)標(biāo)，但下降明顯，一般放置一段時(shí)間或拆開插頭后絕緣能恢復(fù)，部分需要分解插頭烘干后恢復(fù)。說明壓縮機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間，外殼產(chǎn)生冷凝水后，插頭部位有潮氣進(jìn)入。

在梅雨季節(jié)，插頭脫落的故障率較高，梅雨季節(jié)與高溫晴朗天氣的主要區(qū)別之一是梅雨季節(jié)的空氣濕度非常大，表現(xiàn)在壓縮機(jī)上的就是會在壓縮機(jī)外殼上產(chǎn)生的更多的冷凝水，說明插頭脫落故障與冷凝水有很大關(guān)系。

為查找進(jìn)水原因，破拆一個(gè)故障插頭，可見插頭內(nèi)有三個(gè)獨(dú)立空間，分別為C＼S＼R三相，三相之間雖然隔開，但蓋板處存在間隙。向一個(gè)完好的插頭S相注水，可明顯看到C、R相孔內(nèi)也有水滲出。說明當(dāng)插頭進(jìn)水時(shí)，水在插頭內(nèi)部是相互擴(kuò)散的，任意一個(gè)孔進(jìn)水，都有可能造成相間絕緣不良甚至短路。

冷凝水進(jìn)入插座后，在插座底部逐步積累，插座內(nèi)部濕度逐步增加，當(dāng)空氣濕度達(dá)到一定程度時(shí)，三相相間或相對外殼因?yàn)榻^緣不良打火，由于只是空氣電離造成的空氣劇烈膨脹，插頭內(nèi)打火痕跡往往不明顯，且壓縮機(jī)三根極柱一般不受損傷。

冷凝水進(jìn)入插頭后，在插座底部積累到一定高度，進(jìn)入插頭底部插孔的S和R相，造成相間短路，瞬時(shí)大電流打火，伴隨空氣劇烈膨脹和水的汽化，插頭被高壓氣體漲開脫落。當(dāng)插頭脫落速度較快時(shí)，一旦脫開則短路消除，插頭內(nèi)可能只有打火痕跡，嚴(yán)重的會造成插孔附近的塑膠體有燒損痕跡，而控制柜的斷路器由于積累時(shí)間短而不足以跳閘。當(dāng)插頭脫落速度較慢時(shí)，持續(xù)大電流打火會造成壓縮機(jī)三根極柱局部燒損、插頭塑膠體碳化等現(xiàn)象，且可能引發(fā)控制柜斷路器跳閘。部分特殊情況下，插頭內(nèi)部濕度過大，可能造成三相相間同時(shí)打火。

3.改進(jìn)方案

根據(jù)上述分析總結(jié)，可以初步判定ZR68壓縮機(jī)插頭脫落的原因是由于冷凝水造成的絕緣不良或短路。通過對ZR68壓縮機(jī)進(jìn)行噴霧試驗(yàn)和2小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，初步判斷冷凝水是通過插座盒外圈的兩個(gè)長方形腰孔，即三爪保持器左右兩側(cè)卡爪固定孔進(jìn)入插頭內(nèi)部。冷凝水進(jìn)入插頭后，逐步積累并沿插頭兩側(cè)向下流動，當(dāng)密封圈密封不好時(shí)，進(jìn)入插頭內(nèi)部。

插頭進(jìn)水是造成故障的主要原因，解決問題可以從兩個(gè)方向入手：一是防止冷凝水進(jìn)入插座盒，一是減少冷凝水。

3.1防止冷凝水進(jìn)入插座盒的方案

3.1.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

根據(jù)使用單位的反饋，壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家提供了防水方案，在安裝插頭前，應(yīng)增加兩個(gè)步驟，一是向插孔注入適量潤滑脂，二是將密封圈周圍涂抹潤滑脂。從原理上分析，其作用一是防止冷凝水進(jìn)入插孔，二是降低安裝過程中的阻力，提高密封圈的密封性。

但實(shí)際操作中，該方案存在兩個(gè)問題，一是注入的潤滑脂后再插入插頭，部分潤滑脂會被極柱插針壓入插孔，當(dāng)潤滑脂附著在電氣接點(diǎn)上時(shí)，不確定對插針和插孔的接觸是否會產(chǎn)生影響;二是再次進(jìn)行檢修時(shí)，無法將插孔內(nèi)的潤滑脂清理干凈。因此，不建議在插孔內(nèi)注入潤滑脂。

通過對插座和插頭結(jié)構(gòu)的觀察，ZR68和ZR94插頭內(nèi)均有直徑約6mm沉孔，極柱根部均有直徑約6mm絕緣膠柱。其中ZR94絕緣膠柱高度L≈10mm，ZR68的L≈5mm。通過初步測量，ZR94的插頭安裝后，極柱的絕緣膠柱與插頭的沉孔緊密壓死，起到了密封作用;而ZR68的插頭安裝后，由于絕緣膠柱高度L不夠，極柱的絕緣膠柱與插頭的沉孔未緊密接觸，沒有密封作用

初步分析壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家在沉孔內(nèi)注入潤滑脂的方案，目的就是將此處密封?？紤]到在極柱孔內(nèi)注入潤滑脂可能引發(fā)的后果不可預(yù)知，建議定制硅膠密封圈，密封圈外徑與絕緣膠柱（如圖1所示）一致，內(nèi)徑略小于極柱直徑，高度3mm（因插頭沉孔高度約3mm）。安裝插頭前，先將密封圈安裝到插座內(nèi)的三個(gè)極柱上，再安裝插頭，利用硅膠密封圈嵌入插頭沉孔凹槽內(nèi)，起到密封防水作用。該方案能起到和艾默生方案一樣的防水水密封作用，便于操作，同時(shí)避免了其不便于下次檢修的問題。

3.1.2 改進(jìn)安裝工藝方案

安裝插頭步驟改為三步，第一步安裝插頭，第二步在長方形腰孔處注入絕緣室溫固化密封膠，第三步在密封膠未固化前安裝三爪保持器。當(dāng)密封膠固化后，能填充到腰孔空隙，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行期間插座外殼聚集冷凝水時(shí)，可以有效防止冷凝水進(jìn)入插頭。密封膠易于去除，對下次檢修沒有影響。

3.2減少冷凝水的整改建議。

3.2.1 降低制冷量充注量。

可以將ZR68、ZR81壓縮機(jī)充注量降低300g/臺，經(jīng)在2019年3臺大修空調(diào)機(jī)組測試，降低300g/臺的空調(diào)機(jī)組，制冷量仍符合不小于90%的技術(shù)要求。

3.2.2空調(diào)優(yōu)先使用自動位工況。

在手動制冷工位，壓縮機(jī)會一直處于工作狀態(tài)，持續(xù)產(chǎn)生冷凝水，增加了冷凝水進(jìn)入插頭的風(fēng)險(xiǎn)。而自動位利用溫控器的調(diào)溫控制機(jī)制，使壓縮機(jī)處于間歇工作狀態(tài)，有利于減少冷凝水。

3.2.3規(guī)范制冷劑充注工藝。

在滿足條件的情況下，采用定量充注法，避免使用通過看壓縮機(jī)電流、摸壓縮機(jī)是否有冷凝水等方法來判斷充注量，防止過充造成冷凝水過多。

3.2.4 提高制冷劑低壓管的回氣溫度

參考餐車冰箱壓縮機(jī)的制冷管路布設(shè)辦法，將一段高壓管和低壓管包裹在一起，以提高制冷低壓管的汽化效果的方案，可以拆除機(jī)組壓縮機(jī)進(jìn)氣低壓銅管保溫海綿，利用外溫促使低壓管內(nèi)制冷器充分汽化，提高壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度，從而減少壓縮機(jī)外殼冷凝水。通過對E5修空調(diào)機(jī)組的試驗(yàn)，拆除保溫管對系統(tǒng)制冷量影響非常有限，不會造成制冷量不足問題。

3.2.5 確保蒸發(fā)器換熱效率

當(dāng)蒸發(fā)器、回風(fēng)網(wǎng)比較臟時(shí)，蒸發(fā)器會出現(xiàn)換熱不良現(xiàn)象，造成蒸發(fā)器流向壓縮機(jī)的制冷劑溫度過低，導(dǎo)致壓縮機(jī)表面冷凝水過多。應(yīng)通過加強(qiáng)蒸發(fā)器和回風(fēng)的清洗，避免出風(fēng)口被異物堵塞等方式，確保蒸發(fā)器的換熱量，從而減少冷凝水的產(chǎn)生。

3.2.6改變壓縮機(jī)插座盒位置

壓縮機(jī)在運(yùn)行期間，低溫制冷劑被吸入壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮后變?yōu)楦邷?，壓縮機(jī)表面大致可以分為低溫區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)，從實(shí)際運(yùn)行情況看，ZR68壓縮機(jī)插座盒完全位于低溫區(qū)內(nèi)，所有存在大量冷凝水。從實(shí)際運(yùn)用角度看，插座盒位于中溫區(qū)相對比較合理，既可以避免低溫區(qū)的冷凝水，又可以防止高溫區(qū)對電纜線的影響。

4.結(jié)語

按以上方案進(jìn)行改進(jìn)處置后，ZR68壓縮機(jī)插頭脫落的故障可完全消除，改進(jìn)方案已通過現(xiàn)場驗(yàn)證。

以后的空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，對于壓縮機(jī)的選型與系統(tǒng)整合，應(yīng)充分吸取此類設(shè)計(jì)缺陷的教訓(xùn)，從源頭上解決冷凝水影響壓縮機(jī)插頭供電的問題。