简议HXN5型机车柴油机曲轴箱超压故障原因及预防措施

　　0概述
　　为适应铁路事业的发展，实现铁路货物运输长交重载，齐齐哈尔机务段从2009年5月12日开始使用HXN5大功率机车，担当滨洲线西部线及黑龙江西北地区货物运输任务。由于它的投入使用，有效地缓解了铁路运输的紧张局面，解决了运输生产的瓶颈问题。但是由于HXN5机车采用单司机室，外走廊式的机构，使得机车在运行时，乘务员无法进行巡检，许多HXN5型机车发生故障，必须在停车后，才能进行检查和处理，给铁路运输生产秩序带来了不利的一面。如HXN5型机车柴油机曲轴箱超压，导致柴油机停机的故障，仅在2010年度，此类故障就发生了17件，占全年机破件数12.9%，给运输生产带来了不利的一面，严重地影响了运输秩序。本文通过对曲轴箱超压原因的分析，提出相应的解决办法及控制措施。
　　1曲轴箱超压时故障现象
　　HXN5型机车采用计算机控制系统，装有曲轴箱超压传感器COP，其保护作用与东风系列内燃机车的差示压力计(CS)相似。COP安装在柴油机左排8号动力组之后，用于测量柴油机曲轴箱内相对于机车外部(环境)的压力，柴油机管理软件系统EMS将利用COP采集的信息确定曲轴箱内是否正在产生或已经产生过压，并将此信息发送给柴油机控制单元ECU，而使柴油机停机。正是由于ECU时时对曲轴箱压力进行监控，避免柴油机曲轴箱因挥发性烟雾积聚，发生破坏性爆炸事故。如果ECU在曲轴箱超压时起不到保护作用，往往会对机车机械设备、人身安全和经济方面造成难以估计的损失。
　　正常情况下，曲轴箱内压力由空气与蒸汽共同产生，也就是由曲轴箱的通风空气产生，那么该压力通常低于周围环境的空气压力，并且以周围大气压力为基准，在COP的压力表上有可能显示负值。但如果曲轴箱内的压力主要由燃油或润滑油蒸气产生，那么COP读值有可能高于周围环境的空气压力，当曲轴箱压力保护值大于498Pa，0.5s，ECU将起保护作用，控制柴油机停机，智能显示器提示故障信息：曲轴箱超压，禁止尝试启动柴油机。故障代码分析时，频繁出现以下提示：
　　01-0066柴油机不运转
　　01-6063曲轴箱空气压力太高不能重启柴油机
　　01-8140曲轴箱压力超出上限
　　2曲轴箱超压故障原因分析
　　通过对柴油机曲轴箱超压故障现象和机车智能显示器提供的故障代码的分析，HXN5型机车曲轴箱超压故障率高的主要原因可以归纳为以下几个方面：
　　2.1由柴油机故障引起的曲轴箱超压
　　日常的机车运用中，在机车柴油机中组成燃烧室的活塞、气缸套和气缸盖出现故障，是造成燃气或水窜入曲轴箱，增高曲轴箱内的气体压力频率最高的问题。
　　2.1.1柴油机动力组故障
　　2.1.1.1活塞与气缸套磨损超限
　　活塞组件由活塞头、活塞裙、活塞体、活塞销和活塞环组成。活塞顶(或头)的形状按燃烧室的要求设计，头部有3道活塞环槽，其中2道压缩气环，1道刮油环。活塞头用4根高强度螺栓紧固到活塞销座上，与动力组件构成气缸燃烧室，活塞形成燃烧室的下部，并将气体力传递到连杆，这时活塞环起到密封作用，防止燃烧气体进入曲轴箱。
　　活塞带动活塞环沿气缸套作高速往复滑动，大功率机车活塞的平均速度已高达11 11.5m/s，这个数值已接近目前材料和工艺水平所许用值的上限。由于气缸套油膜时常遭受燃气、燃油的冲刷，使机油分布不均匀，加上进气时带入的尘埃、完全燃烧残留的碳粒及机油中的杂质，使积炭形成加快加速，就会拉伤摩擦表面和发生运动部件的异常磨耗，使相对运动的活塞裙、活塞环和气缸套出现剧烈的摩擦与摩损，造成气缸套与活塞配合间隙不好发生严重窜气，导致曲轴箱超压。
　　2.1.1.2活塞裂损
　　气缸活塞顶面直接与1500 2000 左右的炽热燃气相接触，特别是钢顶铝裙的活塞，其钢顶长期在高温、高应力的环境下工作，由于设计或制造工艺的不良，活塞顶面凹穴与燃油喷射配合不当，活塞体内冷却不佳等原因，使活塞的顶面与顶背部之间存在较在的温度差，其温差应力常可导致活塞头部出现网状裂纹或顶裙分离。同时，活塞组受到气体压力、往复惯性力及连杆在倾斜位置时侧压力的反力等周期性变动栽荷的作用，由于变动速度快，使栽荷具有冲击性，而且载荷循环反复易使活塞出现疲劳破坏，致使燃气直接从破损的活塞进入到曲轴箱内部。
　　2.1.1.3气环断裂
　　活塞环起密封作用，防止燃烧气体进入曲轴箱，并控制活塞环润滑。另外，活塞环还将来自活塞的热量传递给气缸盖。活塞气环工作在高频、高温和高压燃气的环境里，由于环槽磨耗及结炭的形成，往往卡死或折断气环，使活塞环失去支承活塞的能力，划伤气缸套，造成活塞体与气缸套摩擦漏气，导致整个燃烧室密封性能恶化，气缸内不能建立正常的压缩压力，致使柴油机不能良好的燃烧，同时也使大量的燃气窜入曲轴箱造成超压。
　　2.1.1.4气缸组件裂漏
　　气缸组件由气缸套、气缸盖和气缸定位座3个主要部件组成。气缸盖发生裂漏或喷油器座水腔套漏，冷却水进入油底壳，产生大量水蒸气，导致曲轴箱超压。
　　2.1.2主轴和连杆轴承碾瓦
　　1台6000kgfm/s的16缸GEVO发动机上有9个主轴承盖，主轴承盖是配套的，编有序号1 9，对应其在机体上的特定位置。新型机车柴油机曲轴主轴承和连杆轴承设计成可尽量减小曲轴与机体结合处以及连杆与曲轴结合处的摩擦，并为曲轴在其上浮动的油膜的控制提供保障。柴油机的轴承尺寸比先前型号的有所增大，使轴承负荷在更大的面积上分布，这大大地提高了轴承寿命和工作的可靠性。但由于润滑油供应不足和轴承质量的原因，摩擦表面一旦出现瞬间缺油，往往导致曲轴碾瓦，曲轴箱内产生爆燃超压，如润滑油管断裂、严重漏油和润滑油道内有气等。
　　2.1.3附属部件故障
　　柴油机注油孔盖脱落，油底壳油齿安装不到位，曲轴箱孔盖及凸轮轴孔盖漏泄，都将导致把外界大气吸入到曲轴箱内，造成的曲轴箱超压。特别是柴油机注油孔盖上方正对准中冷器排污孔，部分增压空气由此孔直接进入曲轴箱，经过试验，注油孔盖脱落后，曲轴箱内压力增加0.8~1.0kPa(此数值因机车状态原因略有差异)，如果因机车活塞环再有少许漏泄，就会导致曲轴箱超压故障的发生。
　　2.2由电器故障引起的曲轴箱超压
　　2.2.1曲轴箱压力传感器故障
　　曲轴箱压力传感器COP零件号为41A317303ACP8，常温不施加压力情况下输出值2.38 2.62V。当曲轴箱压力传感器压力感应故障，就不能正确感应曲轴箱压力，导致智能显示器判断曲轴箱压力高，对柴油机进行停机保护。压力传感器故障主要有以下几种现象。
　　2.2.2柴油机控制单元ECU故障
　　ECU是由美国GE公司运输系统业务集团的工程师设计的单板计算机，它安装在CA2控制区电气柜内，用于控制柴油机燃油喷射控制的计算机板，也被称为柴油机控制单元。其由接地线、电源连接器、6个输入/输出连接器、3个串行通讯连接器以及2个ARCNet网络连接器组成。ECU从位于柴油机以及周围的21个压力、温度和转速传感器采集柴油机各项有效信息，进而判断柴油机是否工作正常，如异常将采取程序预先设置的处理措施，直至柴油机停机。同时，ECU还接收来自智能显示器的柴油机转速命令，并将其转变为控制信号，从而在命令的柴油机转速下控制柴油机燃油输送和定时过程。
　　2.2.3COP传感器和ECU之间的电气线路
　　各传感器线束上的定位护套未安装易造成插针折损或接触不良，使电器线路阻值增大。因此在发生曲轴箱超压时，要测量压力传感器线路阻值，如阻值大于2，应更换连接线束。由于HXN5机车使用时间不长，对此类故障判断经验不足，在处理过程中，走了许多弯路。例如2013年03月15日，HXN5-0194机车担当CHM150次乘务，列车运行至嵯岗-赫尔洪得间，因机车柴油机曲轴箱过压停机，采取常用制动停车，大复位无效，通知车站请求救援。待机车入库后，技术人员经过很长时间查找，最终才认定是由于曲轴箱压力传感器线束阻值不稳定，造成曲轴箱超压，造成柴油机停机。更换线束后，自负荷试验良好。
　　2.3其它原因引起的曲轴箱超压
　　2.3.1引射管堵及接头松动故障
　　增压器引射管穿过烟囱消声器，伸入到排放废气的气流中，当废气通过引射管时，在引射管中产生1个负压，负压将抽吸曲轴箱烟气并排放到大气中。如果引射管的接头松动脱落、橡胶接头老化破损及引射管有积炭堵，都将降低或失去引射作用，导致曲轴箱内油气不能及时排出，引发曲轴箱超压。
　　2.3.2油气分离器及管路故障
　　油气分离器安装在柴油机IFE盖上，收集来自曲轴箱内气体中的油雾，去除柴油机曲轴箱中的可燃性气体，收集的润滑油被送回曲轴箱，而烟气则通过消声器排至大气。当柴油机在工作时，高温的润滑油被运动件甩出造成飞溅，在曲轴箱内形成高温油雾，由于油气分离器堵塞，造成呼吸通道不畅，使曲轴箱内油气不能及时排出，在一定程度上也会形成曲轴箱超压。
　　2.3.3增压器故障
　　在GEVO16缸柴油机上有2台涡轮增压器，它们位于柴油机的自由端的左右侧，安装在柴油机的集成前端盖(IFC)上。柴油机的涡轮增压器利用废气驱动空气压气机叶轮压缩空气，提高柴油机的进气量支持燃油更完全燃烧，并能使柴油机获得较高的性能。增压器压气机油封漏泄，会使增压空气由气封、压气机油封、回油管进入曲轴箱，造成曲轴箱超压。而且增压器压气机叶轮扫膛，会造成增压器转子转速下降，使曲轴箱内油气不能及时排除，也能导致曲轴箱压力高。如2014年2月05日，HXN5-0010机车，担当C29066次乘务。列车运行至三根河-乌奴耳间，因机车曲轴箱过压，停车进行大复位后无效，报告车站请求救援，影响后续列车C40924次。机车到段调显示器故障代码为：01-6063曲轴箱空气压力太高，不能重启柴油机。检查发现A侧增压器压气端叶轮扫膛，压气机叶轮与壳体有磨损痕迹，且叶片有卷边，造成曲轴箱压力超压，柴油机停机形成机破，更换后试验良好。
　　3曲轴箱超压时检查判断和处理方法
　　机车发生曲轴箱超压故障时，应对柴油机和增压器进行全面检查，查明故障后才能启机。
　　3.1运行中曲轴箱超压时检查和判断方法
　　机车运行中发生曲轴箱超压故障时，首先应对柴油机进行全面检查，重点是摇臂箱盖有无破损漏泄，油底壳注油孔盖是否脱落，柴油机呼吸管有无破损，引射管及接头有无脱落，打开油底壳注油孔盖检查有无燃气窜出。一般情况下，发现摇臂箱盖有裂损漏油时，一般为配气机构已经发生问题，表明柴油机发生了较大破损，不得启机，请求救援。柴油机引射管及接头发生脱落，或者柴油机呼吸管发生破损漏泄，以及注油孔盖发生脱落时，可以将上述不良处所恢复后，打开曲轴箱检查孔盖检查没有异常，进入三级密码，重置后，启机维持运行，待回库后，提票彻底处理，更换不良部件。
　　3.2发生曲轴箱超压故障机车回段后检查判断方法
　　(1)转储三级文件，进行分析，检查发生曲轴箱超压时的曲轴箱压力。
　　(2)打开柴油机所有的曲轴箱盖和缸头盖，检查柴油机和动力组重点检查柴油机摇臂箱盖有无破损漏泄，油底壳注油孔盖是否脱落，曲轴箱孔盖有无漏泄，柴油机呼吸管有无破损，引射管及接头有无脱落检查引射管与固定支架间的垫片是否完好。打开曲轴箱孔盖检查各主轴瓦侧隙有无碾瓦痕迹，用螺丝刀撬动连杆大端，检查连杆瓦有无碾片，盘车检查各缸气缸套与活塞裙部是否有拉伤。
　　(3)柴油机状态检查良好，打开增压器压气机进气蜗壳检查增压器转子有无扫膛、油封有无漏油现象，卸下增压器转速传感器，检查是否完好。如果传感器头部有损坏或高温灼烧迹象，可能增压器故障。传感器座腔内有润滑油是正常现象。打开柴油机进气道门，通过进气道观察增压器叶轮是否有刮伤、磨损和损坏，观察增压器转子是否转动灵活。如果没有发现问题，拆除增压器的橡胶进气道;用窥镜检查增压器的压缩叶轮是否刮伤和损坏，观察增压器转子是否转动灵活。如果叶片损坏更换增压器和转速传感器。
　　(4)检查COP传感器到ECU之间的连线和插头，拆下COP压力传感器线束ECB，使用万用表测量电气线路的阻值，边测量边摇晃线束，正常阻值应小于1，如有问题更换线路及插头;
　　(5)检查COP压力传感器插头插针是否压接良好，传感器插头是否松动和损坏，未发现问题，则更换曲轴箱压力传感器，更换后曲轴箱压力仍偏高，更换柴油机控制单元ECU或插头进行试验，但更换ECU要进行重载。
　　(6)检查油气分离器及其相关管路是否有漏泄，检查法兰处的密封状态，如果油气分离器和引射管有积碳，清理积碳。更换油气分离器后要进行自负荷试验。
　　(7)提取润滑油、冷却水和燃油样本进行分析。化验机油指标是否符合要求，有无乳化和稀释现象。检查柴油机润滑油是否混入冷却水，检查机油是否乳化。
　　经过上面的检查并消除故障后，输入重置密码解锁，进行自负荷试验，试验时间不少于20min。
　　4防止发生曲轴箱超压故障预防措施
　　(1)建议GE公司及南车戚墅堰机车有限公司，提高柴油机的部件和组装质量，减少因质量和组装问题，造成的柴油机曲轴箱超压。
　　(2)结合机车季修、半年修及年修修程，严格按照检修范围更换机油、燃油和空气滤清器。并在修程前后对各油脂取样化验，并对化验结果进行系统的统计分析，逐步摸索规律，对不合格的油品立即进行更换。
　　(3)按照机车季修、半年修及年修修程范围要求，检查引射管连接和检查油气分离器排放管状态，定期解体油气分离器，并清洗分离器油污和清扫管内积炭，做为检修作业人员重点检查维修范围。
　　(4)加强引射管接头和柴油机呼吸管的日常检查，并纳入整备车间检查人员日常出入库检查项点，消除各接头特别是软连接松动漏泄现象，避免脱落现象的发生，如有不良处所，及时提票处理。
　　(5)在检修更换传感器时，一定要按线束上的定位护套，将插头与插座对正，施加均匀的力将插头插入插座，然后旋紧锁紧帽，听见卡扣落座的声音，说明插头已安装到位并做好防缓标识。否则极易造成插头内的插针折损或接触不良。
　　(6)机车日常补油时，必须将油底壳注油孔盖紧固，并排好柴油机各润滑油道内的空气。
　　(7)不断提高司乘人员的技术业务素质，加强曲轴箱超压故障处理的培训和实做演练。在机车运用中，司乘人员要严格执行乘务员1次乘务作业标准化，运行中要随时注意显示器屏幕的信息栏提示和机车的相关信息，并能够准确的判断处理曲轴箱超压的故障。
　　5结束语
　　综上所述，造成柴油机曲轴箱超压的因素是多方面的，具有综合性。在机车制造、检修和运用中，都有可能造成曲轴箱超压的隐患，所以，要落实好防治攻关的各项措施，把好每一道工序和质量控制点，才能逐步减少问题的发生，才能确保铁路运输的安全、可靠和正点。