段崇義，梅富卿，郭宣召，張務(wù)民

（山鋼股份萊蕪分公司運(yùn)輸部，山東萊蕪 271104）

0 引言

山鋼股份萊蕪分公司運(yùn)輸部（以下簡(jiǎn)稱運(yùn)輸部）是我國(guó)較早應(yīng)用大功率調(diào)車內(nèi)燃機(jī)車的企業(yè)，首臺(tái)DF10D 型、DF4DD型機(jī)車分別于2003 年、2006 年購(gòu)入?，F(xiàn)有DF 型內(nèi)燃機(jī)車12臺(tái)，其中DF10D 型機(jī)車6 臺(tái)，DF4DD 型機(jī)車6 臺(tái)，最大運(yùn)用功率分別為1880 kW 和2425 kW，主要負(fù)責(zé)原燃料、大宗產(chǎn)品的進(jìn)廠和外運(yùn)工作。近期，運(yùn)輸部DF10D、DF4DD 型機(jī)車水溫高卸載故障多發(fā)，雖然過(guò)去開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)，但是實(shí)際效果不理想。2018 年，因機(jī)車高溫系統(tǒng)冷卻水溫度達(dá)到98 ℃，造成機(jī)車卸載途停30 次以上，因高溫卸載進(jìn)房修理次數(shù)17 次。機(jī)車途停后，往往需要機(jī)車等待降溫或增派機(jī)車實(shí)施救援，對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)造成較大干擾。嚴(yán)重時(shí)，因水溫過(guò)高，高溫系統(tǒng)冷卻水汽化，高溫水溢出，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、氣缸套故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用壽命。因此，開(kāi)展該型機(jī)車水溫高卸載故障原因分析和治理緊迫而必要。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

統(tǒng)計(jì)2018 年發(fā)生過(guò)水溫高卸載故障的DF 型機(jī)車，6 臺(tái)機(jī)車共發(fā)生17 次高溫卸載故障。其運(yùn)用及檢修狀態(tài)見(jiàn)表1。

2 原因分析及對(duì)策

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

大中修后運(yùn)用初期不發(fā)生高溫卸載故障。但是0025、0027機(jī)車大中修后2～3 a 也未發(fā)生高溫卸載故障，0025 機(jī)車2017年發(fā)生過(guò)高溫卸載故障，2018 年未發(fā)生。DF4DD0075 機(jī)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(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)組成

機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)主要由高溫水冷卻系統(tǒng)和低溫冷卻系統(tǒng)兩部分組成，該系統(tǒng)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(jìn)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(fēng)扇、低溫單節(jié)排氣截止閥、逆止閥、截止閥等。

高溫冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)，與柴油機(jī)內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一的循環(huán)系統(tǒng)。整個(gè)高溫系統(tǒng)與外界空氣不通，只有當(dāng)系統(tǒng)中的水汽壓力超出規(guī)定值時(shí)，安裝在膨脹水箱中的壓力調(diào)節(jié)閥才會(huì)開(kāi)啟，保證高溫系統(tǒng)在水溫達(dá)100 ℃時(shí)不會(huì)沸騰，進(jìn)而防止引起設(shè)備事故。系統(tǒng)中的排氣管路及時(shí)將循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體排入膨脹水箱，防止氣阻。中冷系統(tǒng)與柴油機(jī)中冷器構(gòu)成統(tǒng)一循環(huán)水系統(tǒng)。

表1 2018 年發(fā)生水溫高卸載故障的DF 型機(jī)車情況

2.2 水溫高卸載故障原因分析

結(jié)合機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)組成原理和機(jī)車運(yùn)用實(shí)際，系統(tǒng)分析機(jī)車水溫高卸載故障的原因，包括11 個(gè)方面。

（1）散熱器原因。散熱器是影響機(jī)車水溫高的關(guān)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(jì)算公式如下。

式中 F——散熱器總傳熱面積，m2

Ft——空氣側(cè)總散熱面積，m2

Ff——散熱片總傳熱面積，m2

Nt——銅管總數(shù)

ft——銅管空氣側(cè)傳熱面積，m2，ft與銅管的有效長(zhǎng)度、斷面積、散熱片厚度、散熱器迎風(fēng)面散熱片片數(shù)、端部散熱片厚度等參數(shù)關(guān)聯(lián)

Nf——散熱器總散熱片片數(shù)

ff——一片散熱片傳熱面積，m2

ff+和與散熱片的長(zhǎng)度、散熱片的寬度、側(cè)護(hù)板遮擋長(zhǎng)度等參數(shù)關(guān)聯(lián)。分析式（1）～（3），散熱器的散熱能力和散熱面積有關(guān)聯(lián)，具體分析，和銅管數(shù)量、散熱器總散熱片的片數(shù)，以及散熱片的傳熱面積等因素有關(guān)聯(lián)。

DF4DD、DF10D 型機(jī)車因運(yùn)用中后期多發(fā)高溫卸載故障。為此，制造廠家從設(shè)計(jì)上應(yīng)用了強(qiáng)化型管片式散熱器。但在實(shí)際運(yùn)用中，尤其是運(yùn)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(nèi)部堵塞。運(yùn)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(nèi)部堵塞影響，都會(huì)導(dǎo)致散熱性能下降，散熱器的散熱效果就會(huì)大打折扣。②散熱單節(jié)使用不規(guī)范。DF4DD、DF10D 型機(jī)車要求使用強(qiáng)化型散熱單節(jié)，提高散熱效果，減少水溫高卸載故障。實(shí)際運(yùn)用中，由于運(yùn)輸部同時(shí)運(yùn)用18 臺(tái)GK 型機(jī)車，檢修人員處理散熱單節(jié)漏水故障時(shí)，有時(shí)將質(zhì)量輕、散熱量小的GK 型機(jī)車管帶式散熱單節(jié)運(yùn)用到DF4DD、DF10D 型機(jī)車上，導(dǎo)致機(jī)車散熱能力下降。

（2）溫控閥的故障。溫控閥是用來(lái)控制機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)、停止及無(wú)級(jí)調(diào)速的控制機(jī)構(gòu)。溫控閥通過(guò)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(guò)溫度控制閥流入低壓管路的數(shù)量，達(dá)到控制冷卻風(fēng)扇工作的目的。實(shí)際工作當(dāng)中，溫控閥感溫元件在工作一段時(shí)間之后，其狀態(tài)難以保持，在發(fā)生機(jī)車高溫卸載情況下，因感溫元件動(dòng)作值固定，缺乏控制靈活性，不利于溫度控制，有時(shí)為了臨時(shí)處理，將溫控閥頂死，從而控制溫度不超高。

（3）冷卻水質(zhì)不符合要求。冷卻水質(zhì)量對(duì)散熱器的散熱能力影響較大。運(yùn)輸部過(guò)去采用陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂制備去離子水。應(yīng)用該方法存在以下不足：①再生操作難以符合運(yùn)用要求；②用試劑檢測(cè)處理后的冷卻水硬度，化驗(yàn)指標(biāo)未量化，最終導(dǎo)致難以判斷制備的去離子水硬度是否合格。機(jī)車?yán)鋮s水3#配方添加必須以合格的去離子水為基礎(chǔ)，否則，硬度高的水加入機(jī)車后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)用，水垢沉積明顯，阻塞散熱器單節(jié)、中冷器等水管，導(dǎo)致循環(huán)散熱不良，引發(fā)水溫高。通過(guò)機(jī)車散熱器大中修情況看，散熱單節(jié)和水管路積垢嚴(yán)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(jié)積垢后，往往因清洗不徹底，進(jìn)一步加劇了水溫高卸載的趨勢(shì)。

（4）機(jī)車柴油機(jī)熱負(fù)荷過(guò)大。運(yùn)輸部應(yīng)用的DF 型機(jī)車，受檢修能力、檢修費(fèi)用等因素影響，大、中修運(yùn)用間隔往往達(dá)到3～4 a，新造或者大中修之后，初期的機(jī)車一般不會(huì)發(fā)生水溫高卸載故障，但是運(yùn)用1 a 以上的機(jī)車，其柴油機(jī)各部狀態(tài)發(fā)生系統(tǒng)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(huán)密封不嚴(yán)、供油凸輪磨損，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒不良或者供油時(shí)刻變化，導(dǎo)致柴油機(jī)熱負(fù)荷過(guò)高，進(jìn)而引發(fā)水溫高卸載故障。

（5）乘務(wù)員加水過(guò)程不當(dāng)。機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)管路負(fù)責(zé)，機(jī)車加水時(shí)方法不當(dāng)，易引起“假水表”情況，因管路中存在氣阻，影響冷卻水循環(huán)，導(dǎo)致水溫高卸載。各閥正確的開(kāi)關(guān)狀態(tài)：①高溫、低溫補(bǔ)水截止閥3、4 加水時(shí)關(guān)閉，運(yùn)用時(shí)開(kāi)啟；②溢流管截止閥1 加水時(shí)開(kāi)啟，運(yùn)用時(shí)關(guān)閉；③所有排氣支管（細(xì)管）截止閥，始終開(kāi)啟；④預(yù)熱系統(tǒng)截止閥：預(yù)熱時(shí)開(kāi)啟，運(yùn)用時(shí)關(guān)閉；⑤水箱均衡管截止閥2，除機(jī)車停機(jī)狀態(tài)因緊急補(bǔ)水短暫開(kāi)啟外，其他情況一律關(guān)閉。

（6）冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇通過(guò)靜液壓系統(tǒng)工作油驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)機(jī)車?yán)鋮s水、機(jī)油等溫度進(jìn)行冷卻，達(dá)到適用溫度。冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)正常與否對(duì)機(jī)車的運(yùn)用起著十分關(guān)鍵的作用。DF 型機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇轉(zhuǎn)速受靜液壓泵、安全閥、靜液壓馬達(dá)及靜液壓管路的狀態(tài)影響。目前對(duì)冷卻風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是否正常只能憑經(jīng)驗(yàn)通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音或是機(jī)車頂百頁(yè)的開(kāi)啟開(kāi)度大小來(lái)判斷，無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)量化，判斷其是否滿足要求。

（7）冷卻水泵狀態(tài)影響。冷卻水泵是強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)較快地循環(huán)流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)冷卻的目的。但是隨著水泵長(zhǎng)期運(yùn)行，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的配合面之間，會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損，造成漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，供水量下降，對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)帶來(lái)不良影響。

（8）排煙總管對(duì)回水總管的熱輻射。在柴油機(jī)大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其排氣總管溫度可以達(dá)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(duì)水管進(jìn)行二次加熱，提高了高溫水的溫度，為機(jī)車散熱增加了困難，如圖1 所示。

（9）機(jī)車運(yùn)用原因。運(yùn)輸部DF 型機(jī)車主要承擔(dān)運(yùn)輸部與國(guó)鐵站的貨物接發(fā)任務(wù)，機(jī)車小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)的鐵路線路彎道多，坡道大，最大坡度達(dá)12.6‰，每天進(jìn)廠運(yùn)送原燃料車輛達(dá)800～1300 輛，機(jī)車負(fù)荷率高，同時(shí)，由于國(guó)鐵貨物重量信息傳遞有時(shí)不準(zhǔn)確，存在機(jī)車有時(shí)超牽引重量情況，加上未應(yīng)用重聯(lián)裝置，存在雙機(jī)牽引操作不同步情況，導(dǎo)致機(jī)車負(fù)荷大、熱負(fù)荷高，引發(fā)水溫高卸載故障。

（10）機(jī)車高溫系統(tǒng)閉式循環(huán)不嚴(yán)。DF4DDD、DF10D 型機(jī)車高溫系統(tǒng)均采用閉式循環(huán)，由于閉式循環(huán)，通過(guò)閥門(mén)與大氣隔絕，冷卻系統(tǒng)氣壓大，水沸點(diǎn)提高，水溫達(dá)到98 ℃后只會(huì)卸載，而不會(huì)沸騰。閉式循環(huán)破壞時(shí)，不僅容易卸載，往往因?yàn)槔鋮s水沸騰導(dǎo)致更大故障。實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，有時(shí)因?yàn)槿藶槭д`或檢查不到位，水箱蓋存在丟失、高溫系統(tǒng)和中冷系統(tǒng)連接閥不嚴(yán)，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)車高溫系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，而是開(kāi)式循環(huán)，產(chǎn)生冷卻水“開(kāi)鍋”情況。

圖1 排煙總管對(duì)回水總管的熱輻射

（11）柴油機(jī)間通風(fēng)機(jī)狀態(tài)不良。柴油機(jī)間通風(fēng)機(jī)能有效降低大功率時(shí)柴油機(jī)熱負(fù)荷。DF4DD 型機(jī)車柴油機(jī)間安裝2 臺(tái)1.1 kW，3000 r/min 的通風(fēng)機(jī)電機(jī)，DF10D 型機(jī)車柴油機(jī)間安裝1 臺(tái)1.1 kW，3000 r/min 的通風(fēng)機(jī)電機(jī)。實(shí)際運(yùn)用中，通風(fēng)機(jī)電機(jī)受高溫、粉塵作用，工作環(huán)境惡劣，容易產(chǎn)生短路燒損故障，電機(jī)燒損后，又因?yàn)楦鼡Q困難而停用，導(dǎo)致夏季柴油機(jī)間熱負(fù)荷高，進(jìn)而影響冷卻水溫度，加重水溫高卸載故障。

3 對(duì)策措施

導(dǎo)致水溫高卸載故障原因多，往往是綜合作用的結(jié)果。涉及運(yùn)用和操縱方面的原因，管理難度大。運(yùn)輸部在以往采取的清潔散熱器提高散熱效果、完善柴油機(jī)排氣管保溫、加強(qiáng)液壓系統(tǒng)維保、選用質(zhì)量良好的感溫元件并在夏季頂死溫控閥等措施基礎(chǔ)上，實(shí)施了以下對(duì)策措施，取得顯著效果。

（1）杜絕非強(qiáng)化型單節(jié)安裝在DF 型機(jī)車上。運(yùn)輸部機(jī)車型號(hào)達(dá)6 種。對(duì)于DF10D、DF4DD 型機(jī)車使用的強(qiáng)化型單節(jié)，雖然其散熱能力強(qiáng)但是重量大，職工在處理單節(jié)漏水故障時(shí)，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(jié)。

（2）應(yīng)用電導(dǎo)率儀開(kāi)展水質(zhì)檢測(cè)，防止水管漏積垢、堵塞。應(yīng)用數(shù)顯電導(dǎo)率儀，開(kāi)展水質(zhì)檢測(cè)，確保DF 型機(jī)車運(yùn)用的冷卻水指標(biāo)符合要求，減輕冷卻水高溫情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用腐蝕、沉淀，進(jìn)而防止管路積垢、堵塞情況。實(shí)際檢測(cè)表明，早期使用離子樹(shù)脂制備的去離子水，雖然化驗(yàn)合格，但是用電導(dǎo)率儀檢測(cè)，去離子水和普通自來(lái)水的電導(dǎo)率相當(dāng)，說(shuō)明早期的機(jī)車?yán)鋮s水對(duì)機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)造成了不良影響。

（3）應(yīng)用純水制備設(shè)備。新建具有一級(jí)、二級(jí)反滲透功能的純水制備設(shè)備，該設(shè)備投用后，制備的機(jī)車?yán)鋮s水電導(dǎo)率≤10 μs/cm，而普通自來(lái)水電導(dǎo)率約500 μs/cm。DF 型機(jī)車換水時(shí)，專人靠上指導(dǎo)，防止發(fā)生“假水表”情況，產(chǎn)生氣阻。

（4）實(shí)施技術(shù)改造。在柴油機(jī)高溫系統(tǒng)回水管路上增設(shè)連接膨脹水箱的排氣管，防止氣阻情況影響冷卻水循環(huán)效果。改造機(jī)車柴油機(jī)間通風(fēng)機(jī)，動(dòng)力間氣流由水平方向經(jīng)彎管外排改為垂向直接外排，更加有利于柴油機(jī)間散熱，增強(qiáng)動(dòng)力間散熱效果。

（5）加強(qiáng)機(jī)車檢修管理。對(duì)運(yùn)用時(shí)間達(dá)3～4 a 的機(jī)車組織實(shí)施大中修，提升設(shè)備狀態(tài)。印發(fā)《水溫高卸載故障管理辦法》，對(duì)于每一次水溫高卸載故障都開(kāi)展原因分析和評(píng)價(jià)，減少人為因素。

4 結(jié)論

上述綜合措施實(shí)施后，2019 年運(yùn)輸部機(jī)車高溫卸載故障次數(shù)顯著降低。在鐵路運(yùn)量同比增長(zhǎng)約8%的情況下，統(tǒng)計(jì)2018年和2019 年上半年高溫卸載故障次數(shù)，該故障次數(shù)降低率83%。2019 年7 月份機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)，水溫高卸載故障次數(shù)0 次，大幅提高了機(jī)車運(yùn)用可靠性，提升了機(jī)車作業(yè)效率。本文提出的防高溫卸載故障措施，對(duì)于冶金企業(yè)同行具有借鑒意義。