濟(jì)南地鐵R3線車輛用風(fēng)源裝置軟管脫落故障分析及優(yōu)化

李 貝 王 濤 劉同新

（1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)第一運(yùn)營有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.中車青島四方車輛研究有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

濟(jì)南R3線車輛風(fēng)源裝置采用阿特拉斯生產(chǎn)的SFR10系列風(fēng)源裝置，其壓縮機(jī)頭為渦旋式無油空壓機(jī)，采用兩個(gè)渦盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，將空氣持續(xù)壓縮。中間部件通過鋼編軟管進(jìn)行連接，接頭處采用卡套接頭。風(fēng)源裝車為整車的供風(fēng)設(shè)備，為關(guān)鍵核心部件。整車的空氣減震系統(tǒng)和空氣制動(dòng)系統(tǒng)的用風(fēng)都由風(fēng)源裝置提供。每列車配置2臺(tái)風(fēng)源裝置，設(shè)計(jì)初期要求單臺(tái)風(fēng)源裝置滿足整車供風(fēng)的需求。若是中間風(fēng)源裝置出現(xiàn)故障，輕則車輛的穩(wěn)定性降低，即空氣彈簧減震性能降低，重則影響到車輛的空氣制動(dòng)，車輛不能安全可靠的停車，從而出現(xiàn)重大事故。

卡套式機(jī)頭在我國20世紀(jì)70 年代末大量批量推廣應(yīng)用，目前廣泛應(yīng)用于軌道車輛行業(yè)?？ㄌ资浇宇^具有工藝簡單、連接牢靠、耐高壓和反復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，是軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)主要的管接頭型式之一。在實(shí)際應(yīng)用過程中，濟(jì)南R3風(fēng)源裝置由于卡套接頭脫落出現(xiàn)了機(jī)器持續(xù)工作、但車輛壓縮空氣壓力不上升的問題，為此對(duì)該問題進(jìn)行深入分析，并提出徹底解決措施。

1 風(fēng)源裝置工作原理

濟(jì)南R3風(fēng)源裝置采用SFR10無油渦旋式空氣壓縮機(jī)，其是一種回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，采用兩級(jí)壓縮、空氣冷卻，通過一臺(tái)三相異步交流電機(jī)和彈性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)系統(tǒng)包括一套放空閥、安全閥、溫度傳感器。當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，放空閥打開釋放機(jī)頭出口的壓縮空氣，防止壓縮空氣的回流；安全閥保障壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生系統(tǒng)過壓；溫度傳感器的作用是監(jiān)控機(jī)頭的排氣溫度，避免系統(tǒng)因過溫?fù)p傷。壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣一般含水量較高，應(yīng)用前需要經(jīng)過干燥處理，SFR 10風(fēng)源設(shè)備采用的是SDR型膜式干燥器，干燥器由成千上萬支玻璃纖維的管子組成。

風(fēng)源裝置工作原理如圖1所示，電機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)無油渦旋壓縮機(jī)，將空氣通過空濾器吸入渦旋壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣。SFR10 是一種兩級(jí)無油渦旋壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)子是雙面的，一個(gè)低壓和一個(gè)高壓渦旋形狀，由陽極氧化的硬質(zhì)鋁合金制成，可以連續(xù)兩次壓縮空氣。整個(gè)壓縮機(jī)組配置了 2 個(gè)冷卻器，分別為位于低壓級(jí)和高壓級(jí)之間的中間冷卻器和位于高壓級(jí)之后的后冷卻器，在后冷卻器前端配置了一個(gè) 1250 kPa 的安全閥，冷卻氣流由獨(dú)立的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦扇風(fēng)機(jī)提供。冷卻后的壓縮空氣經(jīng)過水分離器和過濾器后進(jìn)入膜式干燥器進(jìn)行干燥，經(jīng)過干燥后壓縮空氣最后進(jìn)入主風(fēng)缸。在壓縮接頭后端設(shè)置有溫度開關(guān)，壓縮空氣溫度過高時(shí),斷開溫度開關(guān)，使空壓機(jī)停機(jī)，從而保護(hù)空壓機(jī)。在風(fēng)源裝置中多處應(yīng)用卡套接頭，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，至少有3根尺寸直徑超過18mm的金屬管應(yīng)用到卡套接頭，此為風(fēng)源的主供風(fēng)管路。

圖1 氣動(dòng)原理圖

2 風(fēng)源裝置故障情況

在2019年4月和8月R0301列和R0309列風(fēng)源裝置持續(xù)出現(xiàn)兩次風(fēng)源持續(xù)工作、但車輛風(fēng)壓不上升問題，經(jīng)過現(xiàn)場檢查確認(rèn)原因?yàn)轱L(fēng)源軟管卡套接頭脫落（如圖2所示），脫落位置位于冷卻器和水分離器之間的主管路。該位置為主要工作路徑，壓縮空氣經(jīng)壓縮后會(huì)出現(xiàn)高溫高濕狀態(tài)，經(jīng)過冷卻器后將其溫度冷卻，并通過水分離器降低含水量。

圖2 軟管脫落現(xiàn)場照片

現(xiàn)場軟管脫落后，檢查卡套螺母未出現(xiàn)松動(dòng)情況，脫落后卡套位于螺母內(nèi)部，卡套與其壓接的硬管出現(xiàn)分離，現(xiàn)場確認(rèn)脫落的管徑為28mm。對(duì)脫落的管進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)管的卡套壓痕非常淺如圖3所示?？ㄌ妆砻鏌o任何損壞，卡套螺母螺紋及表面無任何損傷，管路表面無任何剮蹭痕跡。通過外觀判斷看出，其脫落非意外受到外力擊打剮蹭導(dǎo)致。

圖3 失效的卡套接頭

3 原因分析

該項(xiàng)目風(fēng)源裝置采用的是無油渦旋式空壓機(jī)，對(duì)于管脫落的原因有3點(diǎn)：空壓機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致管振動(dòng)受力；卡套結(jié)構(gòu)不合理，不符合實(shí)際應(yīng)用工況；卡套壓裝生產(chǎn)工藝過程不合理，導(dǎo)致卡套壓裝后未壓緊。

其他方面關(guān)于卡套接頭受到高低溫環(huán)境影響，對(duì)于工業(yè)用卡套接頭其溫度在-40℃~120℃能保證正常工作，溫度變化可能影響其密封性能，但對(duì)于脫落問題的影響較小。實(shí)際空壓機(jī)冷卻管路后的溫度在80℃以內(nèi)，可以排除溫度影響。

3.1 管受力情況

軌道車輛用空壓機(jī)吊裝在車底下，對(duì)表面管路進(jìn)行檢查，確認(rèn)無剮蹭及磨損痕跡，所以可以排除異常情況下外物擊打，空壓機(jī)本身的振動(dòng)及內(nèi)部氣流的脈沖是對(duì)管的主要作用力。如圖4所示，脫落管彎折90°連接到兩個(gè)接頭處。測試空壓機(jī)的振動(dòng)情況，其振動(dòng)烈度最大位置為空壓機(jī)壓縮機(jī)頭位置，最大值為7.2mm/s，振動(dòng)烈度符合《GB 7777-2003-T容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測量與評(píng)價(jià)》中對(duì)振動(dòng)烈度的要求。

圖4 空壓機(jī)管路位置

渦旋式空壓機(jī)在啟動(dòng)和工作過程中會(huì)產(chǎn)生氣流沖擊，氣流沖擊會(huì)導(dǎo)致彎管受力。沖擊分為兩種，一方面為空壓機(jī)啟動(dòng)，壓力變化較大的沖擊；另一方面為空壓機(jī)工作過程中氣流非連續(xù)壓縮而產(chǎn)生的脈沖。在空壓機(jī)初始啟動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生最大900kPa的空氣壓力，空氣壓力作用到軟管上則產(chǎn)生管脫離接頭的力。經(jīng)過計(jì)算，以最大900kPa工作壓力計(jì)算，彎折管所受靜態(tài)最大脫出的力為0.554kN，而實(shí)際技術(shù)條件要求拔脫力至少在10kN以上，此靜態(tài)力非主要作用因素。渦旋機(jī)頭壓縮空氣會(huì)產(chǎn)生脈沖氣流作用到管路上，導(dǎo)致管出現(xiàn)脫出的力，但該脈沖氣壓變化較小，產(chǎn)生作用力較小。

3.2 卡套接頭結(jié)構(gòu)

卡套接頭作為一種應(yīng)用成熟的結(jié)構(gòu)，發(fā)明于20世紀(jì)30年代的德國，目前在國內(nèi)外批量應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)主要分為4個(gè)部分：卡套螺母、卡套、卡套接頭體和管路。如圖5所示，卡套的①內(nèi)表面位置，其嵌入到金屬管路中，與管進(jìn)行緊密連接；卡套的①外表面位置與卡套接頭體連接進(jìn)行密封，形成密封面；卡套的②位置與卡套螺母接觸壓緊產(chǎn)生密封。該項(xiàng)目所用的接頭為進(jìn)口產(chǎn)品，在國外批量應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)非常成熟。由于卡套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致脫落基本不可能產(chǎn)生。

從卡套結(jié)構(gòu)上可以看出，管路僅與卡套緊密相連?？ㄌ茁菽冈谂c卡套接頭體連接緊固的情況下，管路僅與卡套產(chǎn)生相互作用。卡套與管出現(xiàn)分離導(dǎo)致管脫出。在圖3中，卡套與管的壓痕非常淺，所以該位置是導(dǎo)致管脫落的根本原因。

3.3 卡套預(yù)緊過程

卡套預(yù)緊過程中，卡套受壓接工裝和卡套螺母的擠壓作用，卡套中的環(huán)形倒刺（圖5中①）刺入管路中，實(shí)現(xiàn)密封和卡套限位功能。

圖5 卡套接頭原理示意圖

卡套接頭的安裝對(duì)管路與卡套的預(yù)緊和平行度有較高的要求，無預(yù)緊或者手工預(yù)緊（無法達(dá)到預(yù)緊機(jī)施加的預(yù)緊力）不能保證卡套能刺入管路，也達(dá)不到良好的平行度?？ㄌ拙o固力不足會(huì)導(dǎo)致管路脫落；平行度不足導(dǎo)致卡套與管路安裝歪斜，在組裝過程中管路與卡套轉(zhuǎn)接頭接觸位置受擠壓發(fā)生變形，輕微的會(huì)密封不嚴(yán)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致脫落。

經(jīng)過對(duì)卡套結(jié)構(gòu)分析，確認(rèn)管脫落的的主要原因在于卡套和管的連接，該過程為卡套的預(yù)裝過程。目前卡套預(yù)裝需要專用的預(yù)裝器，對(duì)于直徑較小的卡套接頭，可以直接在臺(tái)鉗上預(yù)裝。具體是將接頭體作為母體，將卡套螺母卡緊壓裝到管上。但對(duì)于較大尺寸的管，其卡套預(yù)緊需要專門的工裝工具進(jìn)行，直接手動(dòng)壓緊會(huì)導(dǎo)致卡套與管連接出現(xiàn)松動(dòng)問題。根據(jù)理論分析，對(duì)直徑28mm的管進(jìn)行手動(dòng)預(yù)緊則需要508.03N·m，而實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場達(dá)到該扭矩非常困難。

經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，確認(rèn)其生產(chǎn)過程中對(duì)該管的卡套預(yù)緊采用手動(dòng)直接預(yù)緊，手動(dòng)預(yù)緊力不足導(dǎo)致卡套與管的壓痕很淺，從而造成卡套與管脫落。

4 工藝優(yōu)化

經(jīng)過分析，確認(rèn)問題原因在于卡套預(yù)緊的過程，與實(shí)際的空壓機(jī)振動(dòng)及氣流壓力關(guān)系較小，為此對(duì)其卡套預(yù)緊過程中專項(xiàng)生產(chǎn)工藝過程優(yōu)化。在預(yù)裝過程中要求卡套刃口均勻切入管壁深度在0.2mm~0.5mm。自動(dòng)卡套機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括壓裝接頭和擋塊，將帶有卡套螺母的管和卡套安裝到卡套機(jī)上，然后在壓裝接頭處根據(jù)卡套大小施加不同的壓緊力，從而使卡套壓裝到管內(nèi)部。在壓裝過程中，根據(jù)管尺寸的不同，配合使用不同的壓裝接頭和擋塊，并在液壓推力機(jī)構(gòu)上設(shè)置不同的液壓力，使卡套能夠壓裝到管上。

圖6 自動(dòng)卡套機(jī)壓裝位置結(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)過程中，將手動(dòng)卡套預(yù)緊過程更換為自動(dòng)化卡套預(yù)緊機(jī)預(yù)緊卡套?？ㄌ最A(yù)緊機(jī)對(duì)管徑尺寸不同采用不同的預(yù)緊壓力，其預(yù)緊過程中采用專門的卡套模具，消除了手動(dòng)預(yù)緊時(shí)的拉伸變形。目前卡套預(yù)緊機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，采用專業(yè)卡套預(yù)緊機(jī)預(yù)計(jì)能夠提升卡套壓裝的性能，另一方面也能提高生產(chǎn)效率。

為進(jìn)一步確認(rèn)采用預(yù)緊機(jī)后卡套的效果，對(duì)使用預(yù)緊機(jī)預(yù)緊的3種規(guī)格的卡套接頭（φ18mm、φ22mm、φ28mm）進(jìn)行拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過預(yù)緊機(jī)預(yù)緊的管路已經(jīng)達(dá)到了較高的拉拔力，最高承受分別為14.992kN、16.341kN、33.085kN，滿足使用要求。該卡套接頭形式在阿特拉斯軌道交通項(xiàng)目風(fēng)源裝置中有大量運(yùn)用。經(jīng)過更改后裝車驗(yàn)證，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)營一年以上，未再出現(xiàn)過該類問題。

5 結(jié)論

風(fēng)源裝置作為車輛制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其性能穩(wěn)定決定車輛是否能夠安全運(yùn)營。該文對(duì)故障風(fēng)源進(jìn)行排查，確認(rèn)卡套安裝故障的位置，并對(duì)卡套安裝工藝進(jìn)行優(yōu)化，提升產(chǎn)品可靠性，避免故障再次發(fā)生?？ㄌ捉宇^作為成熟的接頭產(chǎn)品，但在使用過程中工藝工程師在對(duì)該卡套技術(shù)參數(shù)不熟悉，使用預(yù)緊力較小，無法滿足使用要去，因此在生產(chǎn)過程中工程師對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)及要求的組裝過程必須參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或者使用說明書。