冶金企業大功率調車內燃機車高溫卸載故障處理

段崇義，梅富卿，郭宣召，張務民

（山鋼股份萊蕪分公司運輸部，山東萊蕪 271104）

0 引言

山鋼股份萊蕪分公司運輸部（以下簡稱運輸部）是我國較早應用大功率調車內燃機車的企業，首臺DF10D 型、DF4DD型機車分別于2003 年、2006 年購入。現有DF 型內燃機車12臺，其中DF10D 型機車6 臺，DF4DD 型機車6 臺，最大運用功率分別為1880 kW 和2425 kW，主要負責原燃料、大宗產品的進廠和外運工作。近期，運輸部DF10D、DF4DD 型機車水溫高卸載故障多發，雖然過去開展了技術攻關，但是實際效果不理想。2018 年，因機車高溫系統冷卻水溫度達到98 ℃，造成機車卸載途停30 次以上，因高溫卸載進房修理次數17 次。機車途停后，往往需要機車等待降溫或增派機車實施救援，對運輸生產造成較大干擾。嚴重時，因水溫過高，高溫系統冷卻水汽化，高溫水溢出，導致發動機氣缸蓋、氣缸套故障，影響發動機運用壽命。因此，開展該型機車水溫高卸載故障原因分析和治理緊迫而必要。

1 現狀調查

統計2018 年發生過水溫高卸載故障的DF 型機車，6 臺機車共發生17 次高溫卸載故障。其運用及檢修狀態見表1。

2 原因分析及對策

分析表1，可出看出，并非所有DF 型機車都發生高溫卸載故障。2018 年未發生高溫卸載故障的DF 型機車有DF10D0017、0025、0027、DF4DD0232、0292，占總數的45.5%。

大中修后運用初期不發生高溫卸載故障。但是0025、0027機車大中修后2～3 a 也未發生高溫卸載故障，0025 機車2017年發生過高溫卸載故障，2018 年未發生。DF4DD0075 機車頂死高溫和中冷溫控閥也未能避免高溫卸載故障。

2.1 機車冷卻系統組成

機車冷卻系統主要由高溫水冷卻系統和低溫冷卻系統兩部分組成，該系統部件組成包括高溫膨脹水箱、低溫膨脹水箱、水箱蓋、高溫水泵、低溫水泵、進出水管、高溫散熱器、低溫散熱器、高溫溫控閥、低溫溫控閥、冷卻風扇、低溫單節排氣截止閥、逆止閥、截止閥等。

高溫冷卻系統為閉式循環，與柴油機內部冷卻水系統構成統一的循環系統。整個高溫系統與外界空氣不通，只有當系統中的水汽壓力超出規定值時，安裝在膨脹水箱中的壓力調節閥才會開啟，保證高溫系統在水溫達100 ℃時不會沸騰，進而防止引起設備事故。系統中的排氣管路及時將循環過程中產生的氣體排入膨脹水箱，防止氣阻。中冷系統與柴油機中冷器構成統一循環水系統。

表1 2018 年發生水溫高卸載故障的DF 型機車情況

2.2 水溫高卸載故障原因分析

結合機車冷卻系統組成原理和機車運用實際，系統分析機車水溫高卸載故障的原因，包括11 個方面。

（1）散熱器原因。散熱器是影響機車水溫高的關鍵部件，往往是造成水溫高卸載的主要原因。管片式散熱器總傳熱面積計算公式如下。

式中 F——散熱器總傳熱面積，m2

Ft——空氣側總散熱面積，m2

Ff——散熱片總傳熱面積，m2

Nt——銅管總數

ft——銅管空氣側傳熱面積，m2，ft與銅管的有效長度、斷面積、散熱片厚度、散熱器迎風面散熱片片數、端部散熱片厚度等參數關聯

Nf——散熱器總散熱片片數

ff——一片散熱片傳熱面積，m2

ff+和與散熱片的長度、散熱片的寬度、側護板遮擋長度等參數關聯。分析式（1）～（3），散熱器的散熱能力和散熱面積有關聯，具體分析，和銅管數量、散熱器總散熱片的片數，以及散熱片的傳熱面積等因素有關聯。

DF4DD、DF10D 型機車因運用中后期多發高溫卸載故障。為此，制造廠家從設計上應用了強化型管片式散熱器。但在實際運用中，尤其是運用1 年之后，以下因素影響到散熱能力：①散熱器臟污、散熱片倒伏或內部堵塞。運輸部空氣中灰塵顆粒物含量高，受散熱器外部臟污、散熱片倒伏或內部堵塞影響，都會導致散熱性能下降，散熱器的散熱效果就會大打折扣。②散熱單節使用不規范。DF4DD、DF10D 型機車要求使用強化型散熱單節，提高散熱效果，減少水溫高卸載故障。實際運用中，由于運輸部同時運用18 臺GK 型機車，檢修人員處理散熱單節漏水故障時，有時將質量輕、散熱量小的GK 型機車管帶式散熱單節運用到DF4DD、DF10D 型機車上，導致機車散熱能力下降。

（2）溫控閥的故障。溫控閥是用來控制機車冷卻風扇的運轉、停止及無級調速的控制機構。溫控閥通過溫度控制元件隨冷卻水溫度的變化而變化，從而控制靜液壓工作油通過溫度控制閥流入低壓管路的數量，達到控制冷卻風扇工作的目的。實際工作當中，溫控閥感溫元件在工作一段時間之后，其狀態難以保持，在發生機車高溫卸載情況下，因感溫元件動作值固定，缺乏控制靈活性，不利于溫度控制，有時為了臨時處理，將溫控閥頂死，從而控制溫度不超高。

（3）冷卻水質不符合要求。冷卻水質量對散熱器的散熱能力影響較大。運輸部過去采用陰陽離子交換樹脂制備去離子水。應用該方法存在以下不足：①再生操作難以符合運用要求；②用試劑檢測處理后的冷卻水硬度，化驗指標未量化，最終導致難以判斷制備的去離子水硬度是否合格。機車冷卻水3#配方添加必須以合格的去離子水為基礎，否則，硬度高的水加入機車后，經過一段時間運用，水垢沉積明顯，阻塞散熱器單節、中冷器等水管，導致循環散熱不良，引發水溫高。通過機車散熱器大中修情況看，散熱單節和水管路積垢嚴重。有資料表明，散熱器水垢厚度每增加1 mm，散熱能力降低10%。散熱單節積垢后，往往因清洗不徹底，進一步加劇了水溫高卸載的趨勢。

（4）機車柴油機熱負荷過大。運輸部應用的DF 型機車，受檢修能力、檢修費用等因素影響，大、中修運用間隔往往達到3～4 a，新造或者大中修之后，初期的機車一般不會發生水溫高卸載故障，但是運用1 a 以上的機車，其柴油機各部狀態發生系統性變化，例如：噴油泵油量不均，增壓器效率降低、空氣濾清器污堵，噴油器霧化不良、活塞環密封不嚴、供油凸輪磨損，進而導致燃燒不良或者供油時刻變化，導致柴油機熱負荷過高，進而引發水溫高卸載故障。

（5）乘務員加水過程不當。機車冷卻系統管路負責，機車加水時方法不當，易引起“假水表”情況，因管路中存在氣阻，影響冷卻水循環，導致水溫高卸載。各閥正確的開關狀態：①高溫、低溫補水截止閥3、4 加水時關閉，運用時開啟；②溢流管截止閥1 加水時開啟，運用時關閉；③所有排氣支管（細管）截止閥，始終開啟；④預熱系統截止閥：預熱時開啟，運用時關閉；⑤水箱均衡管截止閥2，除機車停機狀態因緊急補水短暫開啟外，其他情況一律關閉。

（6）冷卻風扇轉速未達到標準。機車冷卻風扇通過靜液壓系統工作油驅動運轉，對機車冷卻水、機油等溫度進行冷卻，達到適用溫度。冷卻風扇運轉正常與否對機車的運用起著十分關鍵的作用。DF 型機車冷卻風扇轉速受靜液壓泵、安全閥、靜液壓馬達及靜液壓管路的狀態影響。目前對冷卻風扇的運轉轉速是否正常只能憑經驗通過運轉的聲音或是機車頂百頁的開啟開度大小來判斷，無法通過數據量化，判斷其是否滿足要求。

（7）冷卻水泵狀態影響。冷卻水泵是強制循環冷卻系統的主要部件，其功用是：提高冷卻水的壓力，迫使冷卻水在冷卻系統內較快地循環流動，以實現強制循環冷卻的目的。但是隨著水泵長期運行，各相對運動零件的配合面之間，會產生不同程度的磨損，造成漏水現象嚴重，供水量下降，對柴油機冷卻系統帶來不良影響。

（8）排煙總管對回水總管的熱輻射。在柴油機大功率運轉時，其排氣總管溫度可以達400～500 ℃，在其旁邊布有回水管。高溫輻射直接作用在旁邊的水管上，對水管進行二次加熱，提高了高溫水的溫度，為機車散熱增加了困難，如圖1 所示。

（9）機車運用原因。運輸部DF 型機車主要承擔運輸部與國鐵站的貨物接發任務，機車小運轉作業的鐵路線路彎道多，坡道大，最大坡度達12.6‰，每天進廠運送原燃料車輛達800～1300 輛，機車負荷率高，同時，由于國鐵貨物重量信息傳遞有時不準確，存在機車有時超牽引重量情況，加上未應用重聯裝置，存在雙機牽引操作不同步情況，導致機車負荷大、熱負荷高，引發水溫高卸載故障。

（10）機車高溫系統閉式循環不嚴。DF4DDD、DF10D 型機車高溫系統均采用閉式循環，由于閉式循環，通過閥門與大氣隔絕，冷卻系統氣壓大，水沸點提高，水溫達到98 ℃后只會卸載，而不會沸騰。閉式循環破壞時，不僅容易卸載，往往因為冷卻水沸騰導致更大故障。實際運用過程中，有時因為人為失誤或檢查不到位，水箱蓋存在丟失、高溫系統和中冷系統連接閥不嚴，進而導致機車高溫系統未實現閉式循環，而是開式循環，產生冷卻水“開鍋”情況。

圖1 排煙總管對回水總管的熱輻射

（11）柴油機間通風機狀態不良。柴油機間通風機能有效降低大功率時柴油機熱負荷。DF4DD 型機車柴油機間安裝2 臺1.1 kW，3000 r/min 的通風機電機，DF10D 型機車柴油機間安裝1 臺1.1 kW，3000 r/min 的通風機電機。實際運用中，通風機電機受高溫、粉塵作用，工作環境惡劣，容易產生短路燒損故障，電機燒損后，又因為更換困難而停用，導致夏季柴油機間熱負荷高，進而影響冷卻水溫度，加重水溫高卸載故障。

3 對策措施

導致水溫高卸載故障原因多，往往是綜合作用的結果。涉及運用和操縱方面的原因，管理難度大。運輸部在以往采取的清潔散熱器提高散熱效果、完善柴油機排氣管保溫、加強液壓系統維保、選用質量良好的感溫元件并在夏季頂死溫控閥等措施基礎上，實施了以下對策措施，取得顯著效果。

（1）杜絕非強化型單節安裝在DF 型機車上。運輸部機車型號達6 種。對于DF10D、DF4DD 型機車使用的強化型單節，雖然其散熱能力強但是重量大，職工在處理單節漏水故障時，有畏難情緒或者不注意，采用了重量輕散熱能力低的管帶式散熱單節。

（2）應用電導率儀開展水質檢測，防止水管漏積垢、堵塞。應用數顯電導率儀，開展水質檢測，確保DF 型機車運用的冷卻水指標符合要求，減輕冷卻水高溫情況下長時間運用腐蝕、沉淀，進而防止管路積垢、堵塞情況。實際檢測表明，早期使用離子樹脂制備的去離子水，雖然化驗合格，但是用電導率儀檢測，去離子水和普通自來水的電導率相當，說明早期的機車冷卻水對機車冷卻系統造成了不良影響。

（3）應用純水制備設備。新建具有一級、二級反滲透功能的純水制備設備，該設備投用后，制備的機車冷卻水電導率≤10 μs/cm，而普通自來水電導率約500 μs/cm。DF 型機車換水時，專人靠上指導，防止發生“假水表”情況，產生氣阻。

（4）實施技術改造。在柴油機高溫系統回水管路上增設連接膨脹水箱的排氣管，防止氣阻情況影響冷卻水循環效果。改造機車柴油機間通風機，動力間氣流由水平方向經彎管外排改為垂向直接外排，更加有利于柴油機間散熱，增強動力間散熱效果。

（5）加強機車檢修管理。對運用時間達3～4 a 的機車組織實施大中修，提升設備狀態。印發《水溫高卸載故障管理辦法》，對于每一次水溫高卸載故障都開展原因分析和評價，減少人為因素。

4 結論

上述綜合措施實施后，2019 年運輸部機車高溫卸載故障次數顯著降低。在鐵路運量同比增長約8%的情況下，統計2018年和2019 年上半年高溫卸載故障次數，該故障次數降低率83%。2019 年7 月份機車運行平穩，水溫高卸載故障次數0 次，大幅提高了機車運用可靠性，提升了機車作業效率。本文提出的防高溫卸載故障措施，對于冶金企業同行具有借鑒意義。