李 貝 王 濤 劉同新

（1.濟南軌道交通集團第一運營有限公司，山東 濟南 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，其壓縮機頭為渦旋式無油空壓機，采用兩個渦盤進行轉(zhuǎn)動，將空氣持續(xù)壓縮。中間部件通過鋼編軟管進行連接，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)和空氣制動系統(tǒng)的用風(fēng)都由風(fēng)源裝置提供。每列車配置2臺風(fēng)源裝置，設(shè)計初期要求單臺風(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，車輛不能安全可靠的停車，從而出現(xiàn)重大事故。

卡套式機頭在我國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，是軌道車輛制動系統(tǒng)主要的管接頭型式之一。在實際應(yīng)用過程中，濟南R3風(fēng)源裝置由于卡套接頭脫落出現(xiàn)了機器持續(xù)工作、但車輛壓縮空氣壓力不上升的問題，為此對該問題進行深入分析，并提出徹底解決措施。

1 風(fēng)源裝置工作原理

濟南R3風(fēng)源裝置采用SFR10無油渦旋式空氣壓縮機，其是一種回轉(zhuǎn)容積式壓縮機，采用兩級壓縮、空氣冷卻，通過一臺三相異步交流電機和彈性聯(lián)軸器驅(qū)動，壓縮機系統(tǒng)包括一套放空閥、安全閥、溫度傳感器。當(dāng)壓縮機停機時，放空閥打開釋放機頭出口的壓縮空氣，防止壓縮空氣的回流；安全閥保障壓縮機在運行過程中不會發(fā)生系統(tǒng)過壓；溫度傳感器的作用是監(jiān)控機頭的排氣溫度，避免系統(tǒng)因過溫?fù)p傷。壓縮機產(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，電機通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動無油渦旋壓縮機，將空氣通過空濾器吸入渦旋壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣。SFR10 是一種兩級無油渦旋壓縮機，轉(zhuǎn)子是雙面的，一個低壓和一個高壓渦旋形狀，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。整個壓縮機組配置了 2 個冷卻器，分別為位于低壓級和高壓級之間的中間冷卻器和位于高壓級之后的后冷卻器，在后冷卻器前端配置了一個 1250 kPa 的安全閥，冷卻氣流由獨立的風(fēng)扇電動機驅(qū)動的渦扇風(fēng)機提供。冷卻后的壓縮空氣經(jīng)過水分離器和過濾器后進入膜式干燥器進行干燥，經(jīng)過干燥后壓縮空氣最后進入主風(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,斷開溫度開關(guān)，使空壓機停機，從而保護空壓機。在風(fēng)源裝置中多處應(yīng)用卡套接頭，經(jīng)統(tǒng)計，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)原因為風(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。對脫落的管進行檢查發(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

該項目風(fēng)源裝置采用的是無油渦旋式空壓機，對于管脫落的原因有3點：空壓機振動導(dǎo)致管振動受力；卡套結(jié)構(gòu)不合理，不符合實際應(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，但對于脫落問題的影響較小。實際空壓機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

軌道車輛用空壓機吊裝在車底下，對表面管路進行檢查，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，空壓機本身的振動及內(nèi)部氣流的脈沖是對管的主要作用力。如圖4所示，脫落管彎折90°連接到兩個接頭處。測試空壓機的振動情況，其振動烈度最大位置為空壓機壓縮機頭位置，最大值為7.2mm/s，振動烈度符合《GB 7777-2003-T容積式壓縮機機械振動測量與評價》中對振動烈度的要求。

圖4 空壓機管路位置

渦旋式空壓機在啟動和工作過程中會產(chǎn)生氣流沖擊，氣流沖擊會導(dǎo)致彎管受力。沖擊分為兩種，一方面為空壓機啟動，壓力變化較大的沖擊；另一方面為空壓機工作過程中氣流非連續(xù)壓縮而產(chǎn)生的脈沖。在空壓機初始啟動時，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)過計算，以最大900kPa工作壓力計算，彎折管所受靜態(tài)最大脫出的力為0.554kN，而實際技術(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。渦旋機頭壓縮空氣會產(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，與管進行緊密連接；卡套的①外表面位置與卡套接頭體連接進行密封，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。該項目所用的接頭為進口產(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?？ㄌ着c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（無法達到預(yù)緊機施加的預(yù)緊力）不能保證卡套能刺入管路，也達不到良好的平行度?？ㄌ拙o固力不足會導(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，輕微的會密封不嚴(yán)，嚴(yán)重的會導(dǎo)致脫落。

經(jīng)過對卡套結(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，對于直徑較小的卡套接頭，可以直接在臺鉗上預(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。但對于較大尺寸的管，其卡套預(yù)緊需要專門的工裝工具進行，直接手動壓緊會導(dǎo)致卡套與管連接出現(xiàn)松動問題。根據(jù)理論分析，對直徑28mm的管進行手動預(yù)緊則需要508.03N·m，而實際生產(chǎn)現(xiàn)場達到該扭矩非常困難。

經(jīng)過實地調(diào)研，確認(rèn)其生產(chǎn)過程中對該管的卡套預(yù)緊采用手動直接預(yù)緊，手動預(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，與實際的空壓機振動及氣流壓力關(guān)系較小，為此對其卡套預(yù)緊過程中專項生產(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。自動卡套機主要結(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 自動卡套機壓裝位置結(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)過程中，將手動卡套預(yù)緊過程更換為自動化卡套預(yù)緊機預(yù)緊卡套?？ㄌ最A(yù)緊機對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，消除了手動預(yù)緊時的拉伸變形。目前卡套預(yù)緊機技術(shù)已經(jīng)非常成熟，采用專業(yè)卡套預(yù)緊機預(yù)計能夠提升卡套壓裝的性能，另一方面也能提高生產(chǎn)效率。

為進一步確認(rèn)采用預(yù)緊機后卡套的效果，對使用預(yù)緊機預(yù)緊的3種規(guī)格的卡套接頭（φ18mm、φ22mm、φ28mm）進行拉拔試驗驗證，經(jīng)過預(yù)緊機預(yù)緊的管路已經(jīng)達到了較高的拉拔力，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目風(fēng)源裝置中有大量運用。經(jīng)過更改后裝車驗證，現(xiàn)在已經(jīng)運營一年以上，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營。該文對故障風(fēng)源進行排查，確認(rèn)卡套安裝故障的位置，并對卡套安裝工藝進行優(yōu)化，提升產(chǎn)品可靠性，避免故障再次發(fā)生。卡套接頭作為成熟的接頭產(chǎn)品，但在使用過程中工藝工程師在對該卡套技術(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。