直線電機車輛空調(diào)離心風(fēng)機葉輪散架故障分析與改進(jìn)

引言

廣州地區(qū)屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖多雨,光熱充足,夏長冬短。廣州地鐵近年來飛速發(fā)展,線網(wǎng)里程數(shù)成倍增加,日均客運量突破800萬人次。天氣常年濕熱、客流量激增,兩個因素疊加,地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的壓力與日俱增,而空調(diào)系統(tǒng)中的離心風(fēng)機作為給車廂送風(fēng)的關(guān)鍵部件,每天自上線運營運轉(zhuǎn)直至列車回庫后才關(guān)閉,日均工作時長達(dá)到18h以上,離心風(fēng)機的可靠性、維護方式等均影響其工作狀態(tài)及使用壽命。

1離心風(fēng)機概況

廣州六號線L3型直線電機車輛空調(diào)系統(tǒng)采用雙吸多葉離心風(fēng)機,如圖1所示,葉片材質(zhì)為sUs304不銹鋼,電機功率0.55kw,轉(zhuǎn)速1390r/min,每臺機組配置2臺離心風(fēng)機,安裝在空調(diào)機組蒸發(fā)器腔內(nèi),風(fēng)機出風(fēng)口與車廂頂部的下風(fēng)道相連。在制冷模式時,其作用是強化冷媒在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程,并將經(jīng)蒸發(fā)器冷卻降溫的空氣送入車內(nèi):在通風(fēng)模式時主要是將空氣送入車內(nèi)。離心風(fēng)機是整個空調(diào)系統(tǒng)中通風(fēng)制冷的最基礎(chǔ)部件,若出現(xiàn)故障,則對應(yīng)機組功能將失效,嚴(yán)重影響列車服務(wù)質(zhì)量。

2離心風(fēng)機葉輪散架故障表現(xiàn)

廣州地鐵六號線2013年底開通運營,自2017年以來,陸續(xù)出現(xiàn)離心風(fēng)機葉輪散架故障。經(jīng)過統(tǒng)計分析,故障表現(xiàn)有以下共性特點:

(1)散架的葉輪均在電機遠(yuǎn)端:

(2)葉輪散架均為瞬間發(fā)生,無明顯征兆:

(3)初始狀態(tài)的斷裂葉片均有鉚接焊點,且斷口較新。

3離心風(fēng)機葉輪散架故障分析

根據(jù)上述故障表現(xiàn),計劃對離心風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)中的各個部件進(jìn)行逐一排查,包括電機、電機軸承、導(dǎo)流圈、葉輪、渦殼等,同時利用各類儀器對部件進(jìn)行檢測檢定,從根本上找到原因并制訂改進(jìn)措施。

3.1離心風(fēng)機外觀檢查

外觀檢查是整個檢查過程的第一步,通過檢查能夠?qū)收险w有一個初步的判斷。檢查發(fā)現(xiàn),離心風(fēng)機整體外觀臟污,葉片上積塵較多,兩個葉輪靠近電機一側(cè)的葉片正常無脫落,遠(yuǎn)離電機一側(cè)的葉片全部脫落,葉輪斷面圓箍斷裂變形,風(fēng)機渦殼內(nèi)側(cè)有大量的磨損痕跡,初步認(rèn)為,遠(yuǎn)離電機端的葉輪因某些原因在運行過程中突然出現(xiàn)了散架問題,導(dǎo)致離心風(fēng)機失效。

3.2離心風(fēng)機電機檢查

電機作為整個離心風(fēng)機的動力輸出部件,在風(fēng)機的運轉(zhuǎn)過程中,如出現(xiàn)異常情況也可能導(dǎo)致風(fēng)機失效?，F(xiàn)對電機進(jìn)行通電檢查,發(fā)現(xiàn)啟動及運轉(zhuǎn)平穩(wěn),無振動及異響情況,同時對電機絕緣電阻及軸承進(jìn)行詳細(xì)檢查,結(jié)果如下:

(1)電機絕緣電阻檢查:檢查離心風(fēng)機電機的絕緣電阻,測量阻值為1000MQ,符合標(biāo)準(zhǔn)《鐵道車輛空調(diào)空調(diào)機組》(TB/T1804一2017)中鐵路客車空調(diào)機組絕緣電阻大于2MQ的要求。

(2)電機軸承拆解檢查:對離心風(fēng)機電機進(jìn)行拆檢,檢查軸承油脂無變質(zhì)現(xiàn)象,測量前、后軸承端蓋及前、后軸承外徑尺寸,數(shù)據(jù)表明軸承外徑與端蓋內(nèi)徑?jīng)]有發(fā)生磨損,與主軸配合緊密,電機各項狀態(tài)正常,尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

3.3離心風(fēng)機振動測量

隨機對廣州地鐵六號線某列車的8個空調(diào)離心風(fēng)機進(jìn)行振動測量,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《通風(fēng)機振動檢測及其限值》(JB/T8689一2014)3.1.2要求,在剛性支撐下振動速度均方根值A(chǔ)rms≤4.6mm/s,對比測量所得數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)該列車的離心風(fēng)機在軸向和垂向振動值普遍超標(biāo),測量數(shù)據(jù)如表2所示。

3.4斷裂葉片檢測分析

3.4.1化學(xué)成分分析

利用碳硫分析儀,參照《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》(GB/T20123一2006)對斷裂葉片中的碳及硫元素進(jìn)行檢定和成分分析,利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,參照《不銹鋼化學(xué)成分測定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》(sN/T2718一2010)對斷裂葉片中的其他元素進(jìn)行檢定,檢定斷裂葉片的成分符合sUs304材質(zhì)的要求,檢定成分如表3所示。

3.4.2斷口分析

通過對離心風(fēng)機的其中一個葉片斷口進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)斷口處有明顯的疲勞貝紋線,通過放大倍數(shù)進(jìn)行觀察,在疲勞擴展區(qū)域可觀察到疲勞輝紋,端口上亦有韌窩組織,可以判斷葉片為整體疲勞斷裂。

3.5葉輪結(jié)構(gòu)及設(shè)計強度分析

離心風(fēng)機葉輪共47片葉片通過鉚接方式固定在葉輪上,風(fēng)機葉輪每相隔6個葉片焊接一個焊點在葉輪端面圓箍上,該結(jié)構(gòu)在業(yè)內(nèi)較為成熟可靠。利用有限元分析法對葉輪強度進(jìn)行驗證分析,風(fēng)機渦殼、底盤、電機支座、葉輪均為sUs304材質(zhì),材料性能如表4所示。

對葉輪做有限元分析,在X方向加速度5g、y方向加速度3g、Z方向加速度3g的工況下,加轉(zhuǎn)軸1380r/min的通風(fēng)力,葉輪的整體應(yīng)力位置最大值為108MPa,小于sUs304材料屈服極限,葉片強度設(shè)計滿足要求,有限元分析如圖2所示。

圖2有限元分析圖

3.6制造工藝分析

離心風(fēng)機葉輪為前向多翼式旋彎鉚接結(jié)構(gòu),葉輪采用旋彎鉚接工藝,操作工人利用插片胎具完成葉片插裝后,將葉輪裝卡至安裝有專用旋壓胎具的旋壓設(shè)備上,根據(jù)葉輪旋向按壓對應(yīng)開關(guān),通過電機轉(zhuǎn)動及減速機構(gòu)傳動,實現(xiàn)葉輪的自動旋壓。在旋壓過程中,折彎部位產(chǎn)生塑性膨脹變形,使葉片板厚與葉片安裝槽形成過盈配合,從而保證葉片與中盤、端環(huán)固定牢固。旋壓完成后,需要按照《通風(fēng)機鉚焊件技術(shù)條件》(JB/T10214一2014)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗,標(biāo)準(zhǔn)如下:旋壓完成后葉片與前后盤最大間隙小于0.3mm:用橡皮錘輕敲整體半輪,聲音清脆單一,不得有振顫雜音。通過對葉輪加工過程進(jìn)行回溯,當(dāng)出現(xiàn)不符合上述要求的葉輪時,會利用沖床進(jìn)行二次沖壓,但是二次沖壓僅以葉輪理論高度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖床行程調(diào)試,導(dǎo)致二次沖壓過程中葉片折彎處受損,目視檢查無法識別,使得缺陷葉輪安裝至風(fēng)機上用于地鐵列車。

3.7故障原因分析總結(jié)

通過對故障件進(jìn)行的一系列分析論證,最終發(fā)現(xiàn)問題為離心風(fēng)機葉片旋壓鉚接處的二次沖壓工藝存在問題,使得折彎處受損,且目視檢查未能發(fā)現(xiàn)。在后續(xù)運用過程中,離心風(fēng)機長時間高速運轉(zhuǎn),導(dǎo)致受損葉片疲勞斷裂失效的過程加速,進(jìn)而造成整個葉輪動平衡失效散架。另外,檢修時對于風(fēng)機內(nèi)部積塵的清潔不夠徹底,也對風(fēng)機整體動平衡有一定影響。

4改進(jìn)方案

4.1設(shè)計角度改進(jìn)

根據(jù)故障原因,從以下三個方面對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn):

(1)為消除二次沖壓過程對葉片折彎處造成的損傷,對葉輪的制造工藝進(jìn)行優(yōu)化,即取消二次沖壓的制造工藝,避免二次沖壓造成葉片折彎處受損:同時為保證加工過程中所有葉片的鉚接間隙小于0.3mm的要求,將工藝改成用葉片小爪專用工裝進(jìn)行修整,通過人工修整可消除批量沖壓帶來的損傷,從源頭上解決了工藝存在的問題。

(2)葉片以單爪折彎鉚接的形式固定在葉輪上,如果單爪出現(xiàn)松動則可能導(dǎo)致葉片松脫。為進(jìn)一步提升葉片的強度,將葉片結(jié)構(gòu)從單爪改為雙爪,增加葉片對于葉輪的約束受力,極大地降低了葉片松動的風(fēng)險,可靠性得到明顯提升。

(3)經(jīng)過分析,葉片的厚度也是影響葉片強度的因素之一,如果能在滿足空調(diào)離心風(fēng)機整體設(shè)計匹配性的條件下盡可能加厚葉片,也可以提升葉片的可靠性。經(jīng)過理論分析及樣件試改的驗證,將風(fēng)機葉片厚度由0.8mm增加至1mm,對整機匹配度是無影響的,故而按照1mm的葉片厚度進(jìn)行改進(jìn),以提高葉片的強度。

4.2維護角度改進(jìn)

離心風(fēng)機目前的維護周期是每半年進(jìn)行一次除塵[3],檢查內(nèi)容為:清潔離心風(fēng)機,檢查風(fēng)機葉片運行無卡滯,風(fēng)機與葉片外觀良好、無松動,風(fēng)機底座無裂紋。根據(jù)目前除塵后的跟蹤情況,半年一次的除塵周期太長,導(dǎo)致每次除塵都有大量的灰塵堆積,難以清除:但如果除塵工作周期太短,將給日常的系統(tǒng)修作業(yè)帶來較大的工作量。綜合考慮多方面因素,計劃從以下兩個方面進(jìn)行維護改進(jìn):

(1)結(jié)合預(yù)防性維護增加對離心風(fēng)機葉輪的除塵頻次,建議以三個月為周期進(jìn)行一次清潔,降低風(fēng)機堆積灰塵過多后影響葉輪動平衡的風(fēng)險,從檢修維護的角度降低離心風(fēng)機葉輪故障發(fā)生的可能。

(2)結(jié)合預(yù)防性維護定期開展風(fēng)機葉輪的振動測試,建議以半個架修為周期進(jìn)行一次振動測試,提前更換存在振動值超標(biāo)問題的風(fēng)機葉輪,將故障消除在萌芽狀態(tài)。

4.3使用效果評價

廣州地鐵六號線車輛空調(diào)系統(tǒng)離心風(fēng)機經(jīng)過改造后已投入使用,改進(jìn)后的產(chǎn)品目前裝車運營已超過2年,運營里程超20萬km,在有針對性的跟蹤檢查過程中,未發(fā)現(xiàn)風(fēng)機葉輪狀態(tài)異常的情況,初步判斷換型后的產(chǎn)品滿足使用要求。

5結(jié)語

列車空調(diào)離心風(fēng)機是空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,對保障列車服務(wù)質(zhì)量有重要意義。本文通過對廣州地鐵六號線直線電機車輛的空調(diào)離心風(fēng)機故障進(jìn)行多維度分析并提出改進(jìn)措施,從根本上排除了風(fēng)機葉輪散架的故障隱患,為行業(yè)內(nèi)存在同類故障隱患的地鐵公司提供了排查改進(jìn)方向,對生產(chǎn)制造廠家的工藝改進(jìn)及各地方的車輛采購項目具有一定的指導(dǎo)意義。