（车辆工程专业论文）内燃机车增压器失效问题的研究.pdf

e 塞銮适叁堂童些亟：上论塞 虫塞翅翌 中文摘要 摘要：目前提速、重载内燃机车柴油机废气涡轮增压器故障率攀升。据统计， 2 0 0 3 年沈阳铁路局吉林机务段因增压器故障发生机破2 0 件，占机破的3 6 。为 此，迅速稳定增压器检修质量成为减少机破的首要任务。 吉林机务段对z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器的检测，采用定期大修、中修的修 制方式。增压器的检测手段主要有试验台性能检测。试验台试验是在增压器大、 中修后进行，增压器经检测合格后投入使用，但存在的主要问题是：设备成本高、 耗费严重，且检测间隔长，不能保证两次修程之间增压器的良好状态。 为此，本文从理论上全面地分析了z n 31 0 c 型废气涡轮增压器常见的失效形 式及其主要原因，并采取科学有效的解决措施。然后从生产实践入手，进一步分 析吉林机务段2 0 0 3 年增压器全年的故障问题统计数据以及吉林机务段增压器大修 厂在2 0 0 3 年对全年中修的4 6 台z n 3 1 0 c 型增压器分解检修中故障问题的统计数 据。通过对增压器故障问题进行定性、定量的分析，科学的总结出增压器的最主 要的失效形式，即转子轴承故障问题。 我们和吉林机务段增压器大修厂的技术人员解体研究故障增压器，提出针对 增压器转子轴向间隙变化量发展趋势的研究方向。我们研究方案，确定1 0 台d f 4 c 型实验机车，通过在机车小、辅修中，定期检测、记录、分析增压器转子轴向间 隙的变化，经过两年多时间的努力，我们共同确定出科学的实验值，即轴向间隙 变化量的限度定为0 0 5 m m 。来实现对增压器轴承受损作出早期判断，同时作为内燃 机车废气涡轮增压器检修新的工艺标准。 关键词：提速；重载：废气涡轮增压器；故障；轴向间隙；工艺修订 分类号：u 2 7 0 e 立奎适厶堂皇些亟诠塞 墓塞翅翌 a b s t r a c t n o w a c c e l e r a t i n gt h es p e e d ，h e a v y - d u t yd i e s e le n g i n ee x h a u s tt u r b o c h a r g e rf a i l u r e r a t er i s e a c c o r d i n gt os t a t i s t i e s i n2 0 0 3t h es h e l l y a l l gr a i l w a yb u r e a ui nj i i i nf o r m a i n t e n a n c eo f t h es u p e r c h a r g e rf a u l tp l a n eb r e a k i n g2 0 ，b r e a k i n gt h ep l a n ef o r3 6 t ot h i se n d ，q u i c k l ys t a b i l i z et h es u p e r c h a r g e rm a i n t e n a n c eq u a l i t yr e d u c em a c h i n e b r e a k i n gi n t ot h ep r i m a r yt a s k j i l i nm a i n t e n a n c eo f t h ez n 3 i o ct y p ee x h a u s tt u r b o c h a r g e rt e s t i n g ，u s i n gt h e r e g u l a ro v e r h a u la n dr e p a i rt h er e v i s e df o r m a t s u p e r c h a r g e rt h em a i nm e a n s o f d e t e c t i o nt e s tp e r f o r m a n c et e s t t e s tt e s ti st h es u p e r c h a r g e r , w h i c hu p o n ，s u p e r c h a r g e r a f t e rp a s s i n gt h r o u g hd e t e c t i o no f i n p u tu s e ，b u tt h em a i nq u e s t i o ni s ：t h eh i g hc o s to f e q u i p m e n t ，t h ec o s ti ss e v e r e ，a n dl o n gi n t e r v a ld e t e c t i o n ，n og u a m n t e et h a tt h et w o a m e n d m e n t s s u p e r c h a r g e rb e t w e e nt h eg o o ds t a t e t ot h i se n d ，i nt h i sp a p e rac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f t h ez n 31 0 ct y p ee x h a u s t t u r b o c h a r g e rc o m m o nf o r ma n dt h em a i nr e a s o nf o rf a i l u r e ，a n dt a k eas c i e n t i f i ca n d e f f e c t i v es o l u t i o n s t h e l ls t a r tf r o mt h ep r o d u c t i o np r a c t i c e f u r t h e ra n a l y s i so f j i l i n l o c o m o t i v e2 0 0 3a r m u a lb o o s t e rf a i l u r es t a t i s t i c sa n dm a i n t e n a n c eo f j i l i nb i gb o o s t e r r e p a i r p l a n t i n t h ey e a r 2 0 0 3 t or e p a i r t h e 4 6 t a i w a n z n 3 1 0 c t y p es u p e r c h a r g e r d e c o m p o s i t i o nm a i n t e n a n c ef a i l u r es t a t i s t i c sd a t a t h r o u g ht h es u p e r c h a r g e rf a i l u r ef o r t h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n ds c i e n t i f i cs u p e r c h a r g e rs u m m e du pt h e m a i nf a i l u r em o d e ，t h a tt h er o t o rf a i l u r e w ea n dj i l i nm a i n t e n a n c eo f t h e1 0 c o m o t i v es u p e r c h a r g e rd i s i n t e g r a t i o no f t h e t e c h n i c a lr e s e a r c hs t a f f t u r b o c h a r g e rf a u l t a g a i n s tt h et u r b o c h a r g e rr o t o ra x i a lv a r i a t i o n o ft h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h er e s e a r c h o u rr e s e a r c hp r o g r a m ，e s t a b l i s h e d1 0t a i w a n d f 4 ce x p e r i m e n t a ll o c o m o t i v e ，t h ei o c o m o t i v et h r o u 曲t h es m a l l ，m i n o r ，p e r i o d i c t e s t i n g ，r e c o r d s ，a n a l y s i st u r b o c h a r g e rr o t o ra x i a lc h a n g e s ，a n dm o r et h a nt w oy e a r so f e f f o r t s ，w eh a v ei o i n t l ys e tu 9s c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s ，t h a tt h ea x i a lv a r i a t i o no f t h el i m i t o f 0 0 5m m t oa c h i e v et h et u r b o c h a r g e r b e a r i n g si m p a i r e d j u d g m e n tm a d ee a r l y , t h e s a m et i m ea sad i e s e ll o c o m o t i v ee x h a u s tt u r b o c h a r g e ro v e r h a u lo f t h en e wt e c h n i c a l s t a n d a r d s k e y w o r d s ：r a i s e sf a s t ；h e a v yl o a d ；e x h a u s tt u r b i n es u p e r c h a r g e r ；e x p i r a t i o n ； a x i a lp l a y ；c r a rr e v i s i o n c l a s s n o ：u 2 7 0 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志明教授的悉心指导下完成的，刘志明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘志明老师对我的关心和指导。 刘志明教授悉心指导我完成了现场的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向刘志明老师表示衷心的谢意。 刘志明教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王世海、李铁刚等同学对我论文中的废气涡 轮增压器转子轴承失效的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 另外也感谢家人刘春阳、王月，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 e 瘟銮适叁堂皇些亟土论塞 庄 序 随着我国铁路跨越式发展，2 0 0 3 年开始实行“长交路、轮乘制”改革，货运 机车的牵引定数多( 3 5 0 0 吨) 机车运用效率明显提高，机车故障率也明显增多， 大部件破损严重，特别是增压器故障问题尤为突出。2 0 0 3 年沈阳铁路局吉林机务 段因增压器故障发生机破2 0 件，占机破的3 5 。为此，迅速稳定增压器质量成为 减少机破的首要任务。 沈阳铁路局吉林机务段对d f 4 c 型内燃机车z n 3 1 0 c 型增压器的检测，还停 留在解体后各部件尺寸测量、转子动平衡试验以及凭经验观察的阶段，检测手段 比较落后，迫切需要科学有效的检测方法来保证废气涡轮增压器的良好状态。 通过深入现场调研发现，增压器转子轴承故障为主要失效形式。为了解决增 压器轴承失效问题，我们和吉林机务段增压器大修厂的技术人员相互协作，深入 现场解体研究故障增压器，提出通过监测增压器转子轴向间隙变化量，来确定增 压器轴承故障发展趋势的研究方向。本研究确定1 0 台d f 4 c 型实验机车，通过在 机车小、辅修中，定期的对增压器转子轴向间隙进行检测，并对轴向间隙变化量 进行数据统计分析，经过两年多时间的努力，我们共同确定出科学的实验值，来 实现对增压器轴承受损做出早期判断，同时作为内燃机车废气涡轮增压器新的检 修工艺标准。 e 立銮适叁堂童业题诠塞i i 矗 1 、引言 1 ，1 内燃机车废气涡轮增压器检测的发展水平与存在的问题 近几年随着铁路运输大面积提速和重载列车的开行，内燃机车的负荷不断增 加。废气涡轮增压器作为柴油机的关键部件和薄弱环节，经受着更加严峻的考验， 其故障率居高不下。掘统计，在某些铁路局、机务段，内燃机车废气涡轮增压器 故障所造成的机破己占到机破总数的2 0 3 0 。在机车运用中增压器故障的影 响因素非常复杂，既存在增压器本身质量问题，又受柴油机性能和运用环境的影 响。因此，采用科学合理的故障分析方法研究增压器故障就显得非常重要。 目前，我国内燃机车柴油机废气涡轮增压器采用定期中修、大修的修制方式。 增压器的检测手段主要有试验台性能检测和定期检测两种。试验台试验是在增压 器大、中修后进行，增压器经检测合格后投入使用，但存在的主要问题是：设备 成本高、耗费严重，且检测间隔长，不能保证两次修程之间增压器的良好状态。 因此，有必要研究出一种科学的增压器检测方法，通过对增压器状态的适时 监测，来保证增压器处于良好的工作状态，从而降低机破、临修的发生率，降低 检修和运用成本，也为以后的状态修奠定基础。 1 2 研究内燃机车废气涡轮增压器故障检测的目的意义 废气涡轮增压器作为内燃机车柴油机重要部件，它的质量直接影响柴油机的 功率、内燃机车的牵引性能和机车运用安全。如果在运用过程中不能及时发现增 压器的故障，就会造成机破、临修事故的发生，影响机车的运用安全。 据吉林机务段统计，该段d f 4 c 型货运机车将近一半的机破、临修是由于增 压器造成的。该机务段对增压器的检测还停留在解体后各部件尺寸测量、转子动 平衡试验以及凭经验观察的阶段，检测手段比较落后，迫切需要有好的检测手段 来保证增压器的良好状态。而在机车运用过程中，更缺乏必要的定期检测手段， 造成了不能及时发现增压器运用过程中的故障，给安全行车带来隐患。 鉴于目前提速、重载内燃机车柴油机废气涡轮增压器故障率攀升的状况，结合 生产实际，采用科学的分析方法，对其常见故障进行了全面深入的分析，找出增 j e 立窑道盔堂童、业亟土i 盆塞i i 直 压器常见故障发生原因，通过对常见故障进行定性、定量分析，确定增压器故障的 主要失效形式，最终找出解决问题的有效措施。对增压器的运用、维修和管理具 有一定的指导意义 1 3 工作的构思和主要工作任务 1 3 1 选题构思 从生产实际入手，针对d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器故障失效问题，从 内外因素、系统因素、人为因素、分类分析，力图找出原因脉络，形成科学、直 观的故障树模式，同时有效的制定出解决这些故障问题的对策。 增压器在运用过程中的常见故障具体分为外来因素和内在因素。就外来因素 来讲，有异物侵入、压轮松脱、润滑系统故障等问题；就内在因素来讲，可分为 人为因素与系统因素。人为因素与职工队伍素质、工艺执行、技术管理等方面存 在的问题有关，会导致废气涡轮增压器本身与系统组装质量问题。与系统因素有 关的有：一、增压系统增压压力低，后燃严重，导致废气总管烧红，烧损配件， 形成异物侵入废气涡轮端打坏转子。二、废气总管内废气温度高，造成增压器喘 振，导致轴承油封座安装螺丝松动、转子轴承失效，造成滑动轴承故障。 通过对z n 3 1 0 c 型增压器故障的分析研究，确定出d f 4 c 型内燃机车增压器 在运用过程中最主要的故障是滑动轴承失效，明确增压器失效问题的工作重心。 从理论上分析此类问题的发生机理，制定科学的解决方案。并提出解决废气涡轮 增压器在检修方面缺乏必要检测手段的生产难题。 本文着重从d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器主要失效故障的发生机理入手， 找出d f 4 c 型内燃机车柴油机机油润滑系统，目前在设计方面存在的不足( 内燃 机车柴油机起、停机机油润滑系统出现供应暂时中断或减少的现象) ，提出解决增 压器滑动轴承故障的具体措施。 另外，通过对d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器滑动轴承轴向间隙变化量状 态的定期检测，以及对机车增设启动机油泵控制智能模块，使柴油机在各种停机 情况下及时启动辅助机油泵，以保证在增压器转子停止转动前继续供给足够压力 和流量的机油，确保增压器转子组件的正常运转、机车的安全运用，降低了检修 和运用成本，从而确保行车运用安全。 t 塞奎迪厶堂童些亟迨塞i | 吉 1 3 2 工作任务 i 结合生产实际，从d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器在运用过程中的常见 故障入手，主要有：喘振、滑动轴承损坏、转子轴裂、转子断轴、转子卡死以及 叶片变形破损等，确定最主要的故障是滑动轴承故障，明确工作重心。 2 进一步分析d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器滑动轴承故障机理，提出解 决机车柴油机起、停机机油润滑系统出现供应暂时中断或减少问题的方案，即增 设起动机油泵随伺控制智能模块，以保证增压器转子在停止转动前，供给足够压 力和流量的机油。 3 确定d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器实验样本，定期跟踪检查增压器轴 向间隙变化量。在机车小、辅修中，对增压器转子轴向间隙的检测，进行数据统计 和数据分析，确定科学的实验值，作为增压器新的检修工艺标准，来实现对增压 器轴承受损情况作出早期判断，保证增压器时时处于良好的工作状态。 1 3 3 进度计划 2 0 0 5 0 1 3 0 日6 仃期资料准备 2 0 0 6 0 3 3 0 日走访调查吉林机务段增压器大修厂及使用单位，取得必要的 数据样本 2 0 0 6 0 5 3 0 日整理数据，分析数据 2 0 0 6 0 8 3 0 日确定可靠性分析方法，并同相关技术部门共同核实主要论据 准确性 2 0 0 7 0 1 3 0 日论文写作、修改 2 0 0 7 0 6 16 日论文答辩 1 4 选题来源和背景 沈阳铁路局吉林机务段现配属内燃机车1 2 8 台，主要担当吉林至长春、五常、 梅河1 3 、敦化等区段的客货列车的牵引任务。年机车总走行1 4 7 0 多万公里。特别 是2 0 0 3 年实行“长交路、轮乘制”改革以来，货运机车的牵引定吨大幅度增多 ( 3 5 0 0 吨) ，机车运用效率明显提高，随着机车的正常运用，机车故障率明显增多， e 塞奎堑叁堂童些亟迨塞 ii 矗 大部件破损严重，特别是增压器故障尤为突出。2 0 0 3 年吉林机务段因增压器故障 发生机破2 0 件，占机破的3 6 。为此，迅速稳定增压器检修质量成为减少机破的 首要任务。可是吉林机务段对内燃机车废气涡轮增压器的检测，还停留在解体后， 对各部件尺寸测量、转子动平衡试验以及凭经验观察的阶段，检测手段比较落后， 迫切需要有好的检测手段来保证增压器的良好状态。为此，迫切需要有效控制增 压器失效问题的发生，迫切需要解决增压器在检修方面，缺乏科学检测手段的生 产难题。 尤其值得我们重视的是，废气涡轮增压器是柴油机的重要部件，其质量直接 影响柴油机功率，从而影响内燃机车牵引性能，直接危及行车安全。因此，在增 压器出厂和定期大修后都要进行性能检测，以保证增压器的质量和性能指标。因 此本文从废气涡轮增压器常见故障的发生机理入手，针对内燃机车柴油机起、停 机机油润滑系统出现供应暂时中断或减少的现象，找出内燃机车增压器系统，在 设计方面存在的不足，提出解决的措施。另一方面，重点针对增压器最常见故障， 即滑动轴承故障，通过在机车小、辅修中对增压器转子轴向间隙的检测，来实现 对增压器轴承受损作出早期判断，控制增压器故障造成的机破、l 临修。并汇同相 关技术部门核实主要论据准确性，对目前增压器的检修工艺进行修订，来保证增 压器处于良好的工作状态，从而降低机破、临修的发生率，降低检修和运用成本， 确保行车安全。 4 e 塞窑迫厶堂皇、业亟迨塞z 型：! q 型鏖氢辽丝缯压墨筮壬垃丞盘筮堑惑的堡迨盆近 2z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器失效形式的理论分析 目前吉林机务段配属货运机车主要以d f 4 c 型为主。作为吉林机务段主型货 运机车，其柴油机主要配装z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器。本文从机务段生产实际 出发，以数理统计为依据，采用定量收集d f 4 c 型内燃机车所使用的z n 3 1 0 c 增 压器故障信息数据入手，对其常见故障问题：增压器喘振、异物撞击增压器、轴 承烧损、增压器漏油、增压器扫膛、增压器断轴，进行定性分析，进而科学的确 定d f 4 c 型内燃机车增压器故障主要失效形式，并且分析出失效的主要原因。下 面着重研究z n 3 1 0 c 型增压器常见的故障问题。 2 1 增压器喘振 通俗讲内燃机车废气涡轮增压器喘振是指压气机送气量大于柴油机的吸气量 时，部分空气在压气机叶片间形成漩涡，造成增压器喘振，其喘振故障树如图2 1 所示 图2 1废气涡轮增压器喘振故障树 e 夏奎丝丕堂童、业亟迨塞型：! q 型废氢遇丝缝压墨整壬堑丞叁垫丝基的翌迨筮近 2 1 1 柴油机因素 i )柴油机转速或载荷波动引起喘振 当柴油机转速或载荷突降时，由于增压器转速不能很快随柴油机转速下降而 降低，出现增压器的吸气量大于柴油机所需的空气量而产生喘振。当压气机的吸 气量与柴油机所需的空气量重新达到平衡时，这种喘振会自行消失。 2 ) 柴油机后燃严重引起喘振 当柴油机燃烧状态恶化、后燃严重时，排气温度升高、废气能量增加，使增压 器转速增加，压气机的吸气随之增加，而气缸内又容纳不了过多的空气量，造成增 压器喘振。 3 )配气机构故障引起喘振 柴油机进、排气门打不开或关不严时，都会造成增压器喘振。当进气门打不开 时，一方面造成压气机进气阻力增大：另一方面造成气缸内空气不足、燃烧恶化、 后燃严重，导致增压器转速进一步提高，空气量的供需矛盾进一步恶化，引起增 压器喘振。当进气门关不严时，会造成空气和燃气泄漏、燃烧恶化，同时限制了 正常空气进入稳压箱，最终引起增压器喘振。排气门打不开，废气无法排出，当 进气门再次打开时，废气倒流入稳压箱，一方面降低了新鲜空气的纯度，导致燃 烧恶化：另一方面增加了压气机的迸气阻力，引起增压器喘振。排气门关不严时， 一方面在吸气过程，废气倒灌，降低了新鲜空气的纯度，导致燃烧恶化；另一方 面在燃烧过程，部分燃烧混合气进入排气总管继续燃烧，提高了排气温度，引起 增压器喘振。 4 ) 联合调节器减载针阀开度过大 联合调节器针阀开度过大，柴油机降速、减载过快，而增压器转子的转速下 降跟不上，造成增压器喘振。 2 1 2 增压器自身因素 1 ) 增压器喘振裕度偏小 喘振裕度是指在增压器与柴油机配套工作时，每一转速下都有一个要发生喘 振的最小空气流量极限值。当柴油机在某转速下喘振裕度不足时，增压器就会出 现喘振。 2 ) 压气机或涡轮的流通面积不足 由于压气机或涡轮的流道上有积垢、积碳或异物，导致流通截面减小，空气 或燃气不能顺利通过，引起增压器喘振。 2 1 3 中冷器故障 中冷器是对增压空气进行冷却，以便降低增压空气的温度，提高其密度，满 足柴油机燃烧需求。中冷器的常见故障是冷却水温度过高或堵管数过多，造成冷 却效率下降。最终都将造成增压空气冷却不足，进气量不够，燃烧恶化，引起增 压器喘振。 2 1 4 环境因素 i ) 低温环境影响 在寒冷地区，由于温度低，空气密度大，进入气缸的空气质量增加，燃烧充 分，废气能量增大，使增压器转速增加，破坏增压器与柴油机的原有配套特性， 引起喘振。 2 ) 在炎热或高原地区 由于空气稀薄，进入气缸的空气质量不足，燃烧恶化，后燃严重，引起增压 器喘振。 2 2 异物撞击增压器 在内燃机车增压器运用过程中，其压气机端和涡轮端都可能发生异物撞击现 象，异物撞击增压器的故障树如图2 - 2 所示。 e 应奎丝厶堂童些亟途塞垒! ：! ! q 型鏖氢退鲨塑压墨筮兰麴丞叁筮显基鲢堡迨筮近 图2 - 2 异物撞击增压器的故障树 2 2 1 压气机端遭撞击 1 ) 砂粒 在风沙地区，常常有细小砂粒随空气被吸入压气机，对压气机的导风轮和叶 轮产生撞击。 2 ) 钢( 铝) 板网空气滤清器螺钉 板网滤清器需定期进行拆卸和清洗，安装时由于疏忽可能造成个别螺钉的松 动和脱落，脱落的螺钉被吸入压气机，引起严重撞击。 3 )进气弯头软连接帆布罩钢丝支承脱落 帆布罩钢丝支承脱落后，吸入压气机，引起严重撞击。 4 ) 其他异物 其他异物包括工作人员不慎遗留在进气道内的螺钉、破损的进气胶管碎片等。 2 2 2 涡轮端遭撞击 1 ) 喷油器掉头 由于高温负荷的长期作用，喷油器会由于热疲劳出现掉头现象，从而打坏涡 t 豆塞丝太堂皇些亟迨塞z 型：31 q 型废氢遇丝塑压墨缝王毡丞么堑型益丝里迨坌伍 轮叶片。 2 ) 活塞、气门及气门座掉块 由于气门间隙调整不当，活塞和气门相撞，引起活塞、气门和气门座掉块， 从而打坏涡轮叶片。 3 ) 小波纹管衬套破碎 由于小波纹管衬套材质不良、焊接工艺不过关、热负荷过高等因素会造成小 波纹管衬套破碎，从而打坏涡轮叶片。 4 ) 积碳块 由于燃烧不完全形成的积碳，长期积累会形成积碳块，脱落的积碳块进入涡 轮会对叶片造成撞击。 2 3 轴承烧损 由于增压器是高速旋转的部件，其轴承的工作条件非常恶劣，其中轴承烧损 是经常发生且后果严重的故障，其影响因素是多方面的。增压器轴承烧损故障树 如图2 3 所示，主要有： 图2 - 3 压器轴承烧损故障树 9 e 立銮适盔堂主、业亟迨塞 型：31 q 型廑氢遇丝擅压墨整王塑丞盘丛形式盥堡途筮近 2 3 1 润滑不良 1 ) 油压不足 机油压力不足有多种原因，首先可能由于柴油机机油系统故障，如机油泵故 障、机油稀释、机油滤清器堵塞等原因造成增压器机油滤清器前压力不足。其次 可能由于增压器机油滤清器堵塞，使滤后油压过低，还可能由于增压器机油进口 法兰堵塞，油压低不能满足轴承的润滑要求，引起轴承烧损。 2 ) 机油清洁度差 由于增压器转速很高，所以对机油的清洁度要求也很高，而增压器润滑与柴 油机润滑共用一个机油系统，凡是造成机油系统清洁度差的因素都会影响增压器 内机油的清洁度。如机油没有定期更换、机油滤清器没有定期清洗、机油稀释等， 机油内含杂质，则影响油膜的连续性，引起轴承烧损。 1 ) 异物撞击 转子叶轮或叶片遭受异物撞击，造成转子动平衡失稳，引起轴承烧损。 2 ) 积碳 由于燃烧不良，长期作用会在转子上形成积碳，影响转子的动平衡。 3 ) 压气机导风轮松脱 分体式压气机叶轮有时会发生导风轮松脱现象。此时动平衡被严重破坏，引 起轴承干摩擦，造成轴承烧损。 2 3 2 轴承磨损 轴承磨损包括主止推轴承工作面、滑动轴承浮动套的磨耗、掉块等，磨损超 限会影响油膜的建立，造成轴承烧损。 2 3 3 长期高负荷工作 增压器在高负荷下长期运转易出现轴承烧损现象。 2 4 增压器漏油 增压器机油泄漏常常会带来严重后果，如燃烧恶化、积碳、固死、油压不足、 o e 立銮适厶堂童业亟迨塞型：31 q 型鏖氢遇控缝压墨整塑丞幺筮巫式的理论盆堑 油锤等事故，增压器漏油故障树如图2 - 4 所示。 引起增压器漏油的因素主要有以下几方面： 2 4 1 油压过高 1 ) 应检查柴油机机油管路油压是否正常，各机油滤清器是否正常工作，增 压器机油滤清器前后压差是否正常。 2 ) 进油法兰节流孔尺寸是否正确。 3 ) 机油回油管路是否畅通。 2 4 2 油封失效 1 ) 活塞环磨损超限。 2 ) 活塞环安装不当、转动。 2 4 3 轴承烧损 2 4 4 轴承磨耗严重 增压器漏油故障树如图2 - 4 漏油 油压高li 轴承烧损故障树ii 轴承磨损超限ii 油封失效 i 油系统il 进油法兰节 油压高i 啪孔型号不符 清器工ll 回油管路 不正常lj 不畅通 图2 - 4 增压器漏油故障树 活塞环 磨损超限 活塞环 安装不当 e 立窑适叁堂皇、业亟迨塞型：31 q 型廛刍遇丝埴压墨缝王塾丞幺筮丝式的理论筮近 2 5 增压器扫膛 扫膛是指增压器在高速转动过程中，受各种因素的干扰，转子正常的运动轨 迹发生变化，高速旋转的导风轮与叶轮罩壳间发生接触摩擦，出现导风轮与工作 轮边缘大量磨损的现象。 增压器扫膛常常是由于动平衡破坏、轴承烧损、异物撞击等故障引起的严重 后果，增压器扫膛故障树见下图2 5 所示。 2 6 增压器断轴 图2 5 增压器扫膛故障树 断轴为增压器最为严重的故障，主轴断裂的位置常有3 处，分别为 1 压气机端轴承与主轴配合挡处 2 环形止推轴承定位台阶处 3 涡轮盘与轴颈摩擦焊部位 断轴的主要原因可归结为以下几方面： 2 6 1 热处理工艺不过关 由于热处理不当，造成压气机端轴承配合挡处出现初始热裂纹，并在主轴工 作过程中作为疲劳裂纹源不断扩展，最终导致主轴断裂。 2 6 2 机加工工艺不过关 e 立銮丝厶堂皇些亟迨塞型：! q 型廛氢遇丝垣压墨箍壬毡丞塞筮垄基趁堡坌佥近 机加工不合格在机械加工过程中，环形止推轴承定位台阶处的过渡圆角没有 加工出来，导致应力集中而引起主轴断裂。 2 6 3 摩擦焊质量问题 z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器的涡轮盘与主轴采用摩擦焊连接，若摩擦焊工艺质 量不合格，则会造成焊接强度不够，出现疲劳断裂，增压器断轴故障树如图2 - 6 所示。 图2 - 6 压器断轴故障树 e 豆窑垣盔堂生、业亟迨塞圣基：31 q 型压置强控擅压墨整王抽丞塞兹班扬受究 3z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器转子轴承失效现场研究 3 1 轴承故障问题统计数据、特点及分析 3 1 1 故障问题统计数据 上文从理论上全面地分析了z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器常见的失效形式及其 主要原因。下面从生产实践入手，进一步分析2 0 0 3 年吉林机务段z n 3 1 0 型增压器 全年故障问题数据统计( 见表3 1 ) 表3 - 1 故障问题类型统计 序号故障类型机破百分比i 艋修百分比 1 轴承受损失效 “5 52 03 0 5 2转子卡滞2 1 0 81 5 3 3压气、涡轮端叶片打碎 42 01 1 1 5 3 4 油封漏油 l5 6 1 0 i 5 转子轴断 l50o 6连接螺栓断l535 1 7转子转动沉o081 3 6 8水、气管裂 o 035 1 合计 2 01 0 0 5 9 1 0 0 表3 - 22 0 0 3 年全年z n 3 1 0 型增压器中修时故障情况 涡轮叶片轴向位移 2 径向轴承磨损到限、主止推轴承推力面磨损 l 主止推轴承推力面磨损5 主止推轴承推力面拉伤 4 轴承座上推力面磨损 3 轴承座上推力面油楔角磨损到限 1 2 占增压器故障问题比例 4 5 4 总计 2 7 e 立銮堑盔堂主、业亟缝塞z 塑：! ! q 型废氢遇捡擅压墨筮三e 勤丞塞筮班场婴塑 吉林机务段增压器大修厂在2 0 0 3 年对全年中修的4 6 台z n 3 1 0 型增压器分解 检修中发现的故障问题的统计( 见表3 2 ) ，科学的分析并总结出d f 4 c 型内燃机 车增压器最主要的失效形式，即转子轴承故障问题。 3 1 2 轴承故障问题分析 由表1 中可见，吉林机务段目前发生的z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器故障非常 严重，对安全生产构成极大威胁。在2 0 0 3 年发生的2 0 件故障问题中，增压器转 子轴承受损失效问题占总数的5 5 。均表观为轴承受损，而且都伴有压气轮和导 风轮组件擦伤现象。这说明增压器轴承一旦受损，其主止推轴承必定磨损，从而 转子组件在废气轴向力的作用下向压气端窜移，当主止推轴承磨损到一定限度时， 压气轮和导风轮组件就会与进气导流罩壳产生碰擦，造成破损，大量数据能够明 显的确定此类失效为主要故障。 在从表2 统计数据来看，在4 6 台中修增压器中，存在轴承状态不良的占4 5 4 ，为主要故障，而止推轴承组件受损现象更为突出。这主要是因为z n 3 1 0 c 型 废气涡轮增压器其径向轴承是采用浮动套型滑动轴承，与转子轴有着较大的配合 间隙，为o 4 3 0 6 1 r a m ，可以适应较为恶劣的工作环境。而主止推轴承虽然在增 压器组装后也存有o 1 8 0 2 2 r a m 的间隙，但由于增压器采用的是轴流式涡轮机和 离心式压气机，因此，增压器在工作中涡轮端的废气轴向推力要大于压气端气流 产生的轴向推力，使得主止推轴承推力面始终贴靠在轴承座上，工作油隙很小， 容易受损。其转子轴承受损情况主要有下面两种表现形式。 a 、推力面出现磨料磨损。 d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器轴承的润滑是依靠柴油机油底壳的循环机 油进行的，而柴油机是一个多摩擦副装配，运用一段时间后，润滑油内磨粒较多。 虽然润滑油进入增压器前，要经过一个滤清器进行过滤，但实际上仍有不少硬质 小微粒进入到轴承副，并且随着轴承副无规律的高速旋转，有时会出现叠加现象， 形成较大颗粒的磨料。而且由于止推轴承油膜很薄，这些磨料就很容易造成面拉 伤或磨损。 b 、推力面出现摩擦磨损 所谓摩擦磨损就是一对摩擦副之间出现干摩擦或临界摩擦，使工作面出现擦 伤和粘着磨损。造成推力面出现摩擦磨损，除了油压过低以外，我们还发现d f 4 b 塞銮适盔堂主些亟途塞z 盥：31 q 型鏖氢遇捡擅压墨筮三e 地丞盘筮班扬型 殛 型内燃机车在低转速工况和空载是普遍存在着各缸燃烧压力很不平衡的现象。我 们对d f 4 c 4 0 8 3 、d f 4 c 5 1 4 6 、d f 4 c 4 0 8 8 三台机车在柴油机空转最低转速下各缸的 燃烧情况做了检测。检测结果表明d f 4 c 4 0 8 3 号机车有6 个缸未燃烧，d f 4 c 5 1 4 6 号机车7 个缸未燃烧，d f 4 c 4 0 8 8 号机车有6 个缸未燃烧。柴油机在空载最低转速 时有多缸存在着不燃烧现象说明各缸喷油泵的小流量很不均等，使得柴油机在低 转速工况时，各缸排气温度差较大，造成废气脉冲波动，冲击增压器止推轴承。 而此时增压器工作油压较低，止推轴承长时间受此冲击，推力面就会出现摩擦磨 损。此外，柴油机的惯性游车，运行途中突升降转速，也都容易造成止推轴承磨 损。 综合上述统计数据可以明显看出，主止推轴承的磨损是轴承组件受损的起始 点。 3 1 3z n 3 1 0 c 型增压器主止推轴承磨损对转子轴向间隙的改变 z n 3 1 0 c 型增压器转子的轴向间隙k = a i + a 2 。a 1 为辅助止推轴承与轴承座 辅助推力面问的间隙：a 2 为主止推轴承与轴承座主推力面间的间隙。 我们知道，增压器一旦组装完毕，其转子的轴向间隙k 就是定值，当主止推 轴承出现磨损，a 2 就会增大，k 值也随之增大。因此，通过定期对增压器的转予 轴向间隙的检测，观察其变化量，就能对轴承受损作出早期判断，避免破损扩大 和机破、临修的发生。 3 2z n 3i o c 型增压器滑动轴承故障理论分析 下面从理论上研究影响增压器滑动轴承正常运行的因素：科学的迸一步确定 z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器故障的主要失效形式是滑动轴承受损。 3 2 1z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器滑动轴承的工作状态 d f 4 c 型内燃机车柴油机配有的z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器，主要故障问题是 其转子滑动轴承的故障。要对失效的滑动轴承作故障分析是一项困难的工作，影 响因素较为复杂。下面从理论上分析增压器转子轴颈一轴承磨擦副工作时，相应参 e 立銮道盘堂童些亟迨塞型：21 q 型废氢遇挂缯压墨整王麴丞叁兹班扬硒塞 数的变化对它们正常运行的影响方面作一探讨。 表3 - 3 轴颈轴承参数 增压器轴颈直径轴承材料轴颈与轴承相对转速 型号 ( m i l l )间隙( m m )( r m i n ) z n 一3 1 0 c4 5 r a m钢背高锡铝0 1 2 o 1 5 2 4 0 0 0 z n 31 0 c 型废气涡轮增压器转子是靠其压气机端轴承和涡轮端滑动轴承来支 撑的，并使转子得到径向和轴向定位。工作时，在其滑动轴承的轴径与轴瓦之间 处于滑动摩擦状态，即必须导致形成一层有足够厚度的的油膜。 可见，增压器转子的轴颈一轴承间的相对速度都大于l o r 4 r a i n ，所以它们的 工作应该处于液体摩擦区才能保证稳定运行。当具有粘度的润滑油随着轴的转动 被带入月牙型的楔缝时，由于润滑油是不可以压缩的，因此在楔缝内各处的液体 流量应该相等，所以顺着旋转方向楔缝间隙越小，液体的流速就越快，这样就在 楔形油膜内产生了动压力。随着间隙缩小，压力增大，轴的转速越大，楔缝内油 膜的压力愈高。当油膜压力与轴的单位面积载荷平衡时，轴颈与轴承被中间的 层油膜所隔离。转子轴与轴承运动时处于液体摩擦状态。转子轴颈在转动时除了 产生压力外，在液态的油层内部还会产生粘性阻力，即油膜内的剪切应力。这个 阻力要消耗一定的能量，它在油膜中转变为热量，若冷却不利会引起油温升高， 使润滑油的粘度降低。 3 2 2 影响z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器转子滑动轴承的液体摩擦因素 根据实践而归纳出的最小油膜厚度囊m n 的近似经验公式如下： k 。= c 万t i n 巧d2 。一t 式中： n 一轴颈转速 一轴承间隙 叩一机油的动力粘度 d 一轴径直径 b 一轴承宽度 e 立奎适盘堂主、业亟论塞z 基：31 q 型鏖刍竭控缝压墨筮王毡丞么堑趣扬硒嚣 p 一轴承平均载荷 从上式可知，增压器转子轴承摩擦副间的油膜厚度与机油动力粘度及轴径转 速成正比。随着机油粘度的减小，油膜厚度减薄，随着轴径转速的升高越容易建 立起足够厚度的油膜。因此，在d f 4 c 型内燃机车柴油机启动、停机的过程中， 油膜一时难以建立，此时滑动轴承处于半摩擦状态。在其他条件相同时，由于机 油被稀释或油温过高，增压器轴承的工作也不可靠，轴承容易发生磨损，使其转 子的轴向和径向间隙变大，超过限度后产生失效。 油膜厚度与轴承间隙及轴径载荷成反比。随着轴承间隙增大，油膜厚度将变 薄。轴承间隙是代表机器运转状态的一个重要结构因素，应该将它控制在一个最 佳的范围内。柴油机的轴承载荷增加，则轴径被“压下”，最小油膜厚度h 。就减小， 所以z n 一3 1 0 c 型废气涡轮增压器不宜在超载情况下工作。 3 2 3 吉林机务段2 0 0 3 年运行途中发生的增压器故障情况 吉林机务段2 0 0 3 年运行途中发生的增压故障情况如表3 4 所示 表3 - 4 运行途中发生的增压器轴承故障情况 机车号发生日期破损情况 d f 4 c 5 1 4 62 0 0 3 2 2 3主止推轴承、径向轴承、转子轴烧损、压 气轮组件擦伤 d f 4 c 4 0 9 72 0 0 3 5 7主止推轴承、压导轮擦伤 d f 4 c 4 0 7 82 0 0 3 9 1 3主止推轴承、径向轴承、转子轴烧损、压 气轮组件擦伤 d f 4 c 4 0 8 3 2 0 0 3 1 1 2 4 主止推轴承磨损、径向轴承、转子轴烧损、 压气轮组件擦伤 d f 4 c 4 1 8 0 2 0 0 3 1 2 1 l主止推轴承、径向轴承、转子轴烧损、压 气轮组件擦伤 通过对表3 4 的数据分析可以看出，z n 3 1 0 c 型废气涡轮增压器的转子轴承发 生故障后，其主止推轴承都不同程度的磨损和擦伤，同时导致增压器转子的轴向 量发生了不同程度的改变。并且其改变是一个长期积累的过程，可以作为日常增 压器状态检测的一项可靠的科学依据 b 立交适塞堂童些亟诠奎丞亟的描旌 4 1 实验样本 4 试验研究 确定吉林机务段配属的1 0 台d f 4 c 型内燃机车( 机车型号：d f 4 c 4 0 7 8 、 d f 4 c 4 0 8 3 、d f 4 c 4 0 8 6 、d f 4 c 4 1 0 0 、d f 4 c 4 1 1 5 、d f 4 c 4 1 1 8 、d f 4 c 4 1 7 5 、 d f 4 c 4 1 8 2 、d f 4 c 4 2 9 2 、d f 4 c 5 1 4 7 ) 柴油机装配的2 0 台z n 3 1 0 c 型废气涡轮增 压器为实验样本，定期跟踪检查增压器轴向间隙变化量。 4 2 测量方法及限度尺寸 测量方法：d f 4 c 型内燃机车废气涡轮增压器分别安装在柴油机前后两端，机 车上空间小、管系多走向复杂。在日常检修增压器空气进气罩难以拆卸，无法进行 转子轴向间隙测量。为解决这一难题，在增压器进气罩中间改造了一个m 5 2 x 2 的螺 孑l ，并配以相应的防尘堵，制作了一个头部带有m 4 5 2 的螺纹连接杆。检测时将连 接杆从螺孔进入，与压气机工艺螺孑l 相连接，再用靠在连接杆端部，拉动连接杆可 检测该增压器当前的转子轴向间隙k 2 ，与原始问隙k l 进行计算，即k 2 k i = a 实验研究工作在d f 4 c 型内燃机车小、辅修时进行，我们对随机抽取的2 0 台 中修增压器，历时近两年的时间，进行了测量分析。具体记录见表4 - 1 4 1 0 ： 表4 1 中修后 i 端z n 3 1 0 c 增压器i i 端z n 3 1 0 c 增压器 车号试验时问 走行公里 k 2k 11 k 2 k la2 4 0 7 82 0 0 4 2 1 4 2 8 5 6 40 2 2 o 2 2 o o o 0 1 9o 1 9 o o o 4 0 8 32 0 0 4 1 52 6 7 5 30 1 9o 1 9o 0 0 0 1 80 1 8 0 0 0 4 0 8 62