CRH5 型动车组空压机密封垫脱出开裂问题分析

CRH5 型动车组空压机密封垫脱出开裂问题分析

李睿哲 张颖娜 徐永帅 付强 宋茜

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062

摘要：空压机是动车组的重要部件，主要功能是对动车组整车进行供风，保证动车组制动、受电弓、空调、塞拉门、集便系统等用风设备的正常运行。

关键词：空压机 分析

一、故障综述

CRH5A/5G型动车组项目，发生多起空压机机体与螺杆主机（机头）间密封垫开裂的问题。此问题集中发生于五型车（注：三型车此处结构相同），配属在沈阳局、哈尔滨局，发生在冬季前后，且集中在检修后的空压机。密封垫开裂的位置，集中出现在靠近油视窗附近。经测试，空压机功能均正常。拆解空压机后，发现密封垫有局部断裂。

二、 前期调查结果

2.1 故障原因定位：

通过对故障空压机的拆解，发现固定此处的8个螺母在防松标记无错位的情况下存在力矩衰减的现象，且力矩衰减较严重的螺栓与密封垫圈出现开裂的位置几乎一致。拆解发现密封垫断裂的位置多靠近油视窗附近 (如下图7号和8号位置)，这两处的螺栓力矩衰减相对严重。基于上述发现，确定密封垫脱出问题的原因为：7、8号安装螺栓力矩衰减、夹紧力不足导致密封垫开裂、严重时脱出。

2.2 螺栓力矩衰减调查：

（1）安装紧固方案存在风险

空压机壳体为铝合金材质，转子组成为铸铁材质，选用M16、8.8级双头螺柱施加50Nm和170Nm的扭力紧固，其壳体强度及双头螺柱的防滑系数均可能存在问题，容易导致力矩衰减，密封垫压紧力不足。

（2）检修工艺存在遗漏

空压机大修时，由于机体和双头螺栓均为偶换件，在不发生更换的情况下不进行力矩值校验。如存在50Nm力矩值发生衰减，却无法及时发现和有效控制。

（3）空气滤清器的安装方案存在隐患

7、8号螺柱处安装了空气滤清器，在空压机工作和车辆运行发生振动情况下，容易使螺柱受到垂向剪切力，可能影响紧固力矩和螺柱强度。针对此问题在实验室进行了三、五型车扫频测试，空气滤清器固有频率不接近空压机工作频率，不是力矩衰减原因，后续需要做动态测试双头螺柱的力矩实验，验证双头螺柱材料张力对力矩衰减的影响。

（4）运用气候环境可能存在影响

根据目前的统计，故障集中发生在东北区域，冬季气温较低，且故障在冬季前后发生频率很高，发生车型都为五型车。相同区域也有三型车配属，但三型车的供风单元是封闭式柜体结构，相对五型车供风单元开放式结构，五型车供风单元空压机受外界气温(冷热交替)影响会更大。

（5）运用线路振动影响

由于发生故障的车组多运行在东北地区，考虑车组运行线路是否有较大的振动量，会导致空压机密封垫固定螺栓力矩衰减。

三、调查分析查进展

基于前期调查结果，确定7、8 号双头螺柱处存在力矩衰减现象，导致夹紧力不足造成密封垫开裂，为进一步验证，对相关项点逐一进行分析评估或测试，以下是详细内容：

3.1 7号和8号双头螺柱位置机体强度的评估计算

3.1.1 机体抗拉强度测试

空压机机体采用铸造铝合金AlSi7Mg0.3，所选用材料的抗拉强度要求为>=250Mpa。随机查近十年该材料的抗拉强度测试数据为：

从上述数据可知，实际选用的铸造铝合金抗拉强度均符合标准要求。

3.1.2 机体啮合长度计算

查双头螺柱与空压机机体的啮合长度为 27mm。同时，根据 VDI2230 和如下计算公式，

对于 M16 8.8 级的双头螺柱，计算出其所需的最小啮合长度为mges=25.97mm。由于实际啮合长度27mm，大于要求的最低值 25.97mm，即啮合长度符合 VDI2230 要求。也可确定空压机机体强度符合要求。

3.1.2 双头螺柱强度评估

通过根据 VDI 2230[4] 对螺柱进行强度评估。采用螺柱处的法向力和弯矩幅值计算了不同负载工况下的幅值应力。为确定螺柱的应力幅值，采用了螺柱的应力直径 (ds)。安全系数计算为疲劳极限（循环次数为 2000000）与计算的幅值应力之比。在处理前轧制 (SV) 螺栓的类型被考虑在内。疲劳极限为 46.2MPa。疲劳极限安全系数为 Sfreq=1.00。空压机机体的安装螺柱设计尺寸满足疲劳强度要求，因为在每一个负载工况下，最小安全系数都超过了要求。

综上所述，7、8号位双头螺柱和空压机机体经理论计算，强度符合要求。

3.2 压敏实验测试双头螺柱力矩紧固后压力分布

进行压敏测试，测量了双头螺柱力矩紧固后密封垫圈上的压力分布，通过压敏试验结果发现力矩紧固后密封垫片上压力分布存在衰减，局部区域压力较弱，如安装油视镜区域， 及上下位置。

3.3 双头螺柱强度和拧紧力矩提高的评估

根据 VDI2230，M16 8.8 级螺柱的标准扭矩为 180Nm。若采用强度更高的双头螺柱，以M16 10.9 级双头螺柱为例，同样根据 VDI2230 和如下计算公式，

计算出其所需的最小啮合长度为mges=31.46mm。该值大于实际啮合长度27mm，因此，不可更改为强度更高的双头螺柱。

另，目前图纸定义的扭矩为170Nm，考虑到扭力扳手存在+/-6%的公差，即最大值可达到80.2Nm, 已经达到M16 8.8 级螺柱的标准扭矩值。因此，不建议将拧紧力矩增加到高于该值。

3.4 双头螺柱的检修工艺对力矩衰减影响的评估

评估固定密封垫的双头螺柱的检修工艺是否对力矩衰减有影响，对大修空压机机体正面双头螺柱进行50Nm 力矩检查，共检查CRH380 空压机113 台，发现三台机体双头螺柱松动；CRH5 空压机14 台，发现五台机体双头螺柱松动。

四、调查结论

CRH5型动车组空压机密封垫脱出问题，经过大量的理论分析和实验测试，现可确认为由于多重因素导致的力矩衰减，从而造成密封垫开裂，严重时脱出, 根据之前的风险分析结果，针对安装紧固方案及工艺过程制定对应的改善措施。

总结：

空压机为动车组提供风源，保证了制动、受电弓、空调、塞拉门、集便系统等设备正常工作。空压机发生故障，不仅影响动车组运用秩序，还会造成乘客舒适度造成极大的影响。所以研究空压机的检修技术，具有重要意义。

参考文献

[1]张曙光.CRH5型动车组[M].北京：中国铁道出版社，2008