JW4G型接触网作业车发动...膨胀水箱喷水故障排查及防范_王荣新.pdf

85山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）JW4G 型接触网作业车发动机膨胀水箱喷水故障排查及防范（中国铁路昆明局集团有限公司玉溪供电段，云南 昆明 650100）王荣新 摘 要 JW4G 型接触网作业车在发动机停机状态下开启膨胀水箱盖后出现喷水现象，原因是前期复合散热器传动油上腔室泄露故障之前，上腔室内液压油、冷却水间隔板密封损坏发生泄露，液压油进入发动机冷却系统。处理传动油上腔室泄露故障时，换新了发动机冷却水，因未彻底清洗发动机冷却系统，新冷却水与遗留的液压油混合，车辆运行期间发动机高负荷状态下冷却系统温度较高，液压油与冷却水中的添加剂发生化学反应产生高压水蒸气，高压水蒸汽进入膨胀水箱内，挤压冷却水发生喷水故障。为查明隔板渗漏原因，对工作状态下液压油散热器实际压力进行测试，测试结果表明产品自身承压能力不足。针对承压能力不足的问题，提出改进措施建议。关键词 JW4G 型接触网作业车；发动机；喷水；复合散热器；防范 中图分类号 U225.52 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）02-0085-07DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.014 收稿日期 2022-10-01 作者简介 王荣新（1973），男，中国铁路昆明局集团有限公司玉溪供电段，高级工程师。引 言接触网作业车同铁路机车一样在铁路轨道线路上运行，用于运送铁路供电专业检修人员，并为专业检修人员提供具备高空作业条件的工作平台，方便专业检修人员开展电气化铁路高空接触网设备检修工作。近年来为适应高速铁路长区间、大坡道线路接触网设备检修需要，接触网作业车设计速度已从原机械传动时速 110 km/h 提升到液力传动时速 120 km/h、160 km/h，当前铁路供电设备管理单位使用最为广泛的接触网作业车是JW4G 型接触网作业车（以下简称 JW4G）。JW4G 为液力传动时速 120 km/h 车辆，该车型 2012 年研发后经实际使用优化改进，已成为全路统型车辆，不同的车辆厂家按相同的技术图纸进行设计、生产，车辆动力系统、传动系统、辅助散热系统、走行系统、制动系统、工作平台等主要部件均选用相同第三方厂商部件，或由不同第三方厂商按相同技术图纸设计、生产，并按基本一致的工艺进行组装。现场使用中，动力传动系统主要部件发动机潍柴 WP12.480 柴油机、液力传动箱 Voith T211re.4 质量稳定，但辅助散热系统的复合散热器故障时有发生，原因是生产过程中复合散热器端部的传动油散热器上、下腔室外壁防护不当产生折痕，车辆运行中颠簸、震抖，使用一定时间（约一年半至二年左右）后，该折痕断裂出现裂纹，传动油从裂纹处渗漏，导致液力传动油流失，进而 Voith T211re.4 液力传动箱控制器因传动油不足启动保护停机，引发车辆动力传动系统中断，发生铁路“机故”。发生86JW4G 型接触网作业车发动机膨胀水箱喷水故障排查及防范铁路“机故”后，需要临时加开状态良好的其他车辆进行救援，对铁路运输造成了干扰。近期，中国铁路昆明局集团有限公司玉溪供电段 1 辆JW4G 现场运用中发生了复合散热器的传动油散热器上腔室裂纹故障，更换复合散热器后，使用中又发生车辆发动机停机状态下膨胀水箱喷水的故障，在多年的接触网作业车运用中，此故障极为罕见，我们对此进行了排查。一、概述JW4G 动力传动系统如图 1 所示，动力传动系统包括 WP12.480 柴油机、Voith T211re.4 液力传动箱、传动轴、车轴齿轮箱、分动齿轮箱、辅助散热系统等主要部件。Voith T211re.4 液力传动箱输入端与 WP12.480 柴油机飞轮、飞轮壳联接构成一个整体，通过橡胶减震装置安装在公用支架上，公用支架固定在车架安装座上。WP12.480柴油机自由端通过传动轴连接分动齿轮箱，分动齿轮箱连接风扇液压系统水散热油泵、油散热油泵。Voith T211re.4 液力传动箱输出端通过传动轴连接车轴齿轮箱，车轴齿轮箱连接第三轴、第四轴轮队。动力传动系统工作时，前端即发动机机自由端驱动辅助散热系统中风扇液压系统的水散热油泵、油散热油泵，后端即 Voith T211re.4 液力传动箱输出端驱动第三轴、第四轴轮队。动力传动系统布置在车辆下部即司机室地板下方，司机室内地板上有发动机检修活动盖板。辅助散热系统为动力传动系统 WP12.480 柴油机、Voith T211re.4 液力传动箱进行冷却。包括护罩、复合散热器、导风筒、水散热风扇、油散热风扇、风扇液压系统、膨胀水箱等部件。护罩、导风筒分别固定在复合散热器外侧、内侧，导风筒在 WP12.480 柴油机、Voith T211re.4 液力传动箱与复合散热器之间，水散热风扇、油散热风扇在导风筒内并由风扇液压系统驱动。动力传动系统工作后，复合散热器对动力传动系统的各种介质进行冷却，同时动力传动系统驱动风扇液压系统，水散热风扇、油散热风扇旋转，在导风筒内形成由外向内吸风风路，风路流过复合散热器翅片并吹向 WP12.480 柴油机、Voith T211re.4 液力传动箱，带走翅片和 WP12.480 柴油机、Voith T211re.4 液力传动箱箱体上的热量，实现冷却。膨胀水箱连接 WP12.480 柴油机缸盖出水管、复合散热器的发动机冷却水散热器，上部安装有带空气阀的水箱盖，水箱盖兼作发动机冷却水加注口，除膨胀水箱安装在车架横梁外，其他部件整体固定在车架侧梁上。车架侧梁上的复合散热器如图 2 所示。复合散热器采用铝材制作，由上腔室 1、下腔室 9、连接上下腔室的管路、翅片即散热器芯子，经熔接工艺加热成型。上腔室 1、下腔室 9 内上下对齐设置有三组隔板，将复合散热器分隔成四个独立的部分，每个独立部分上腔室、下腔室上对应有接口，分别连接 WP12.480 柴油机增压空气、WP12.480 柴油机冷却水、风扇液压系统液压油、Voith T211re.4 液力传动箱传动油进、出管路，分别成为各自的散热器。各散热器芯子高度均为695 mm、厚度均为 250 mm，增压空气芯子 3 宽度1.传动轴 2.辅助散热系统 3.分动齿轮箱 4.空压机 5.弹性联轴器 6.WP12.480 柴油机 7.Voith T211re.4 液力传动箱图 1 JW4G 动力传动系统87山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）550 mm、冷却水芯子 4 宽度 730 mm、液压油芯子7 宽度 165 mm、传动油芯子 8 宽度 670 mm，上腔室 1 内的隔板 2、隔板 5、隔板 6 分别隔开增压空气散热器与冷却水散热器、冷却水散热器与液压油散热器、液压油散热器与传动油散热器，下腔室 9 内也有与隔板 2、隔板 5、隔板 6 对齐的三块隔板分别隔开增压空气散热器与冷却水散热器、冷却水散热器与液压油散热器、液压油散热器与传动油散热器。二、故障概况1.故障现象配属玉溪供电段某高铁接触网工区的 1 辆JW4G，工区夜间使用进行接触网设备检修作业，次日白天工区驻地进行车辆整备。静态检查结束，准备启动发动机进行动态检查前，开启膨胀水箱上的水箱盖检查发动机冷却水液面，开启水箱盖就从水箱盖处喷出“喷泉”状的冷却水，几秒钟后“喷泉”结束，待“喷泉”结束，膨胀水箱的冷却水液面有一定下降，补充加注冷却水。继续启动发动机进行工作平台动作检查，检查结束停机待水温下降后，再次开启水箱盖，水箱盖处不再出现“喷泉”现象。对发动机相关部件进行检查，未见异常，该车正常使用。随后几次夜间使用该车开展接触网设备检修作业后，次日车辆整备开启水箱盖，水箱盖处仍然会喷出“喷泉”状的冷却水。2.故障排查膨胀水箱水箱盖处发生冷却水“喷泉”现象，实质是膨胀水箱内有大量的高压气体。从 JW4G的 WP12.480 柴油机封闭式冷却系统结构特点分析，高压气体来源于两个方面：一方面是使用不当或冷却系统故障，柴油机温度过高，冷却液沸腾气化产生高压水蒸气，高压水蒸汽上升到冷却系统最高位置即膨胀水箱内，挤压冷却水；另一方面是柴油机气缸内高压气体窜入冷却系统管路，冷却水在外加高压气体的作用下，进入冷却系统的预留空腔即膨胀水箱内，挤压冷却水。排查要点分析如下：（1）故障发生前、后 JW4G 运行线路、使用场景、驾驶员基本一致；进一步通过车载音像分析首次故障前驾驶员操作及车辆运行过程，驾1.上腔室 2.上腔室增压空气与冷却水间隔板 3.增压空气芯子 4.冷却水芯子 5.上腔室冷却水与液压油间隔板 6.上腔室液压油与传动油间隔板 7.液压油芯子 8.传动油芯子 9.下腔室 10.处理传动油渗漏焊接点图 2 JW4G 复合散热器88JW4G 型接触网作业车发动机膨胀水箱喷水故障排查及防范驶员无明显违规操作行为，也未见其他异常情况。排除使用、操作原因造成柴油机冷却系统温度过高的问题。（2）外观检查。复合散热器发动机冷却水散热器外方护罩（即进风通道）无异物堵塞，风扇液压系统无泄露、风扇状态良好，缸盖、水泵、复合散热器、膨胀水箱间的连接管道无凹瘪、变型、渗漏，水泵皮带无松弛。（3）冷却系统工作状态排查。选择另外一辆同批次、发动机工作时间接近的 JW4G 进行比对，车辆静止状态下即空载启动发动机，运转相同的时间后记录怠速、中速、额定转速下显示屏显示的冷却水温度、机油压力数据，多次对比两车在相同转速下，温度相差在 10、机油压力相差在 50kPa 内。（4）高压气体窜入水道排查。开启膨胀水箱盖，启动发动机在不同转速范围运转中，检查膨胀水箱未发生“喷泉”现象，排气烟色无明显变化；发动机停机 2 小时，检查机油盘内润滑油，油量无增加、变色现象。WP12.480柴油机为一个气缸单独一个缸盖、缸套嵌入缸体的干式缸套结构，缸套内壁与缸体上四个水道的最小壁厚约 10 mm，缸体、缸套在特定水道范围壁厚处同时发生细小裂纹的可能性极小，缸内高压气体进入缸体水道的最大可能是气缸垫损坏所致。如果气缸垫损坏，缸体水道与缸内连通的通道较大，进入缸体水道的气体、进入缸内的冷却水较多。进入缸体水道的气体会随油门转速明显变化，转速加大后冷却水的压力会随之增大；发动机停机时缸体内的冷却水进入气缸，发动机启动时排气颜色发生变化（白烟）；发动机停机时缸体内的冷却水进入气缸后向下进入机油盘，机油盘内的润滑油会明显增多、颜色发生变化（乳化变白）。因此，排除气缸垫损坏高压气体窜入水道的可能。（5）质量追溯。排除车辆使用不当、发动机冷却系统故障等外部原因后，排查范围延伸至故障前期车辆质量状态调查上。经该车检修、维护质量信息追溯，该车新购到单位正常使用接近 3 年，因复合散热器的传动油散热器上腔室裂纹故障待修，已停用 2 个月。近期委托复合散热器生产厂家进行复合散热器更换，更换后仅使用3 次就发生了本次故障。查阅相关资料，得知类似故障还有一种原因是误将石油产品混入防冻液中，使防冻液中的添加剂失效，产生大量气泡从水箱盖中溢出,造成发动机喷水现象1，详细了解复合散热器更换工作内容和更换后车辆使用情况后，排查重点锁定在复合散热器冷却水上。（6）排除故障。放出发动机冷却水，沉淀后观察颜色明显变暗，进一步检查似乎有沉淀物。对比以往换新仅使用几天的冷却水（HEC-型重负荷防冻液），其颜色蓝色色彩鲜艳、清澈透明，由此预判冷却水内有杂质。随后启动柴油机升温至 40 50时熄火，打开膨胀水箱盖和放水开关放净冷却系统中的冷却水，向柴油机内加满清洁的水再使柴油机先怠速后中速运转5 min，放出清洗水后关上放水开关，依此重复清洗三次后，加入 WP12.480 柴油机原车推荐的HEC-型重负荷冷却水（蓝色）。处理后，经使用故障排除。3.故障原因从故障现象、排查过程、质量追溯情况分析：（1）该车新购到单位使用近 3 年，出厂加注的冷却水使用 2 年就已到有效期，此时冷却水内的添加剂已逐步失效，期间复合散热器风扇液压系统液压油、发动机冷却水两个相邻散热器间隔板密封损坏，前者压力高后者压力低，压力高的液压油渗入压力低的发动机冷却系统，经过一段时间，发动机冷却水内已有一定数量液压油，因此时冷却水中的添加剂已基本失效，液压油与添加剂作用后产生的高压水蒸气较少，膨胀水箱内压力较低，未发生“喷泉”现象。（2）故障前 2 个月，复合散热器的传动油散热器上腔室裂纹故障，进行复合散热器总成更换工作，在未进行发动机冷却系统清洗的情况下，就加注新冷却水。原来遗留在冷却系统的冷却水内有液压油，这些液压油与新冷却水内的有效添加剂混合。JW4G 静止状态，柴油机空载温度不高，液压油与新冷却水内添加剂发生化学反应产生的高压水蒸气较少，通过膨胀水箱水箱盖溢流管溢出，无“喷泉”现象发生；JW4G 使用期间，89山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）柴油机负载大温度高，液压油与新冷却水内添加剂发生剧烈的化学反应，产生大量的高压水蒸气，高压水蒸气储存在膨胀水箱内。车辆使用结束发动机已停机的情况下，高压水蒸气仍然封闭在膨胀水箱内，此时开启膨胀水箱后，高压水蒸汽挤压冷却水，发生“喷泉”现象。从以上分析，本次JW4G发动机膨胀水箱“喷泉”故障的直接原因是该车新造出厂装车使用的复合散热器风扇液压系统液压油、发动机冷却水两个相邻散热器间隔板（图 2 隔板 5）密封损坏，液压油进入冷却水内所致。三、承压分析1.液压油压力测定为查找液压油散热器发生隔板渗漏的原因，对液压油散热器工作中的实际压力进行测定。风扇液压系统原理如图 3 所示，从原理图、工作过程分析，水散热油泵、油散热油泵供油流量最大时，散热器承受的压力最大。为此选择与发生隔板渗漏故障车辆同批次、运用状态良好的一辆JW4G，在停车状态进行液压油散热器实际承压测试，关键步骤如下：（1）确认工作平台取力钥匙未开启，工作平台液压系统不工作，工作平台油泵供油直接流回油箱。（2）专用测试压力表与专用测试油管连接后，和风扇液压系统的溢流阀阀组模块上任一个测压接头，比如水散热油路上的测压接头连接。（3）分别开启水散热风扇马达油路和油散热风扇马达油路上的旁通塞门，水散热油泵、油散热油泵供油经各自的旁通塞门进入液压油散热器。（4）启动发动机，动力传动系统驱动风扇液压系统的水散热油泵、油散热油泵。（5）在发动机怠速、额定转速工况下，读取专用测试压力表上的压力。（6）经测试，发动机怠速 805 r/min 时测试压力表上的压力为 0 Mpa，发动机额定转速 2245 r/min时测试压力表上的压力为 1.5 Mpa 1.6 Mpa，在转速变化范围内，压力在 0 Mpa 1.6 Mpa 范围内变化，怠速、额定转速时测试压力表显示如图 4。用于测试的车辆状态良好，测试出的压力基本反映了液压油散热器实际工作中承受的压力。图 3 JW4G 风扇液压系统原理图90JW4G 型接触网作业车发动机膨胀水箱喷水故障排查及防范2.承压分析JW4G 在用的复合散热器主要有两个厂家的产品，一个厂家冷却水散热器、增压空气散热器承压指标是压力 0.5 Mpa、保压 15 min 无泄漏，液压油散热器、传动油散热器承压指标是压力1.6 Mpa、保压 15 min 无泄漏；另一个厂家冷却水散热器、增压空气散热器承压指标是压力 0.5 MPa、保压5 min 无泄漏，液压油散热器、传动油散热器承压指标是压力1.6 Mpa、保压 5 min 无泄漏。JW4G 现场 WP12.480 柴油机全负荷状态下长时间使用，司机台显示屏显示的增压空气压力在 200 Kpa 即 0.2 Mpa 以下；柴油机闭式水冷系统，其水压压力在 250 Kpa 即 0.25 Mpa 以下2；使用 GRAPHTEC日图 GL840 型数据采集器测试传动油散热器进出油口压力为 8.4 bra 即 0.84 MPa，Voith T211re.4 液力传动箱箱内回油滤清器最大背压1.1 bra 即 0.11 MPa，传动油散热器进油口实际压力是进出油口压力与回油背压之和即 0.95 Mpa。比较 JW4G 使用中各散热器实际承实压力与产品设计承压指标，分别是增压空气实际承受压力0.2 Mpa、承压指标 0.5 MPa，承压指标是实际承受压力的2.5倍；冷却水实际承受压力0.25 Mpa、承压指标 0.5 MPa，承压指标是实际承受压力的 2.0 倍；液压油实际承受压力 1.6 Mpa、承压指标 1.6 MPa，承压指标是实际承受压力的 1.0 倍；传动油实际承受压力 0.95 Mpa、承压指标 1.6 MPa，承压指标是实际承受压力的 1.7 倍。从实际承受压力与产品承压指标的分析可以看出，液压油散热器设计承受压力与实际承受压力接近，高压力作用下极易引发隔板渗漏。四、防范措施防止 JW4G 复合散热器的液压油散热器隔板发生渗漏，需要复合散热器产品厂家优化设计、强化产品质量控制，提升液压油散热器承压能力从源头上进行解决，从测试情况看，建议液压油散热器承压指标按实际承压的 1.5 倍设计，即从当前 1.6 Mpa 提升至 2.5 Mpa。JW4G 实际使用中，防范要点如下：1.选择使用“分体式”结构的复合散热器。JW4G 传统复合散热器为“集成式”结构，特点是在一个长 2300 mm、高 890 mm、厚 250 mm 的大散热器上，通过上、下腔室加装隔板分隔成四个小散热器，存在两个相邻小散热器间渗漏，以及各散热器芯子承受压力相同、不适应实际承压区别较大的需要。当前已有“分体式”结构的复合散热器产品，其特点是四个独立的小散热器安装在同一个支架上组合成复合散热器总成，小散热器承压指标按实际承压不同进行个性化设计，并且某个小散热器出现故障时，只需要更换单个故障的小散热器即可，这样的“分体式”结构能解决两个相邻小散热器间渗漏的问题。2.采取针对性检查措施，及时识别渗漏故障。液压油散热器隔板发生渗漏的特点是漏点小、渗漏量小，未出现故障前往往不容易发现，图 4 液压系统怠速、额定转速压力91山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）参考文献1 梁仕东.发动机散热器溢水故障分析与排除 J.建设机械技术与管理,2012,07:122-125.2 JBT8577-2015 内燃机水散热器技术条件 S.2015.需要对冷却水颜色、气味、是否有沉淀物进行仔细观察，在此基础上进行是否含有液压油的化验、检测，进一步确认是否存在渗漏故障，确认故障后及时处理。3.落实日常检查工作，避免风扇液压系统压力升高。日常检常工作中，要针对复合散热器各部件连接情况进行外观检查，防止车辆运行中松动部件碰擦、撞击散热器发生移位、变形，检查风扇液压系统管路固定，防止管路松脱或外部原因造成管路凹瘪，避免风扇液压系统压力升高引起散热器实际承压变大。4.定期进行风扇液压系统检修，避免产生过高背压。按周期、规定的油品更换风扇液压系统液压油，按期清洗回油滤清器滤芯，检查回油滤清器上的单向阀，避免液压油失效、回油滤清器堵塞、回油滤清器上的单向阀不良等原因引起回油背压升高，造成散热器实际承压变大。五、结束语JW4G 停机状态下发动机膨胀水箱发生喷水故障，是复合散热器的液压油散热器与冷却水散热器间隔板渗漏引起，追溯隔板渗漏原因，是复合散热器产品设计的承压能力不足、或生产过程中隔板密封工艺不良所致，需要复合散热器产品厂家提升产品性能和产品质量进行解决。铁路供电设备管理单位通过选择使用“分体式”结构的复合散热器，并对既有“集成式”结构的复合散热器采取针对性的检查、检修措施，防范复合散热器的液压油散热器发生渗漏故障，提升 JW4G现场安全管控能力，减少对铁路运输秩序的影响。Trouble Shooting and Prevention of Water Spraying in Engine Expansion Water Tank of JW4G Catenary Operation VehicleWANG Rong-xin(Yuxi Power Supply Unit of China Railway Kunming Bureau Group Co.Ltd,Kunming 650100,China)Abstract:When JW4G OCS operation vehicle opened the expansion water tank cover when the engine was stopped,water spray occurred.The reason was that before the upper chamber of transmission oil of composite radiator leaked,the sealing of hydraulic oil and cooling water partition plate in the upper chamber was damaged and leaked,and the hydraulic oil entered the engine cooling system.When dealing with the leakage fault of the upper chamber of transmission oil,the engine cooling water was replaced.Because the engine cooling system was not thoroughly cleaned,the new cooling water was mixed with the remaining hydraulic oil.During the vehicle running,the temperature of the cooling system was high under high load,and the hydraulic oil chemically reacted with additives in the cooling water to produce high-pressure water vapor,which entered the expansion water tank,and the extrusion cooling water had a water spray fault.In order to find out the reason of diaphragm leakage,the actual pressure of hydraulic oil radiator under working condition was tested,and the test results showed that the pressure-bearing capacity of the product itself was insufficient.Aiming at the problem of insufficient pressure bearing capacity,the improvement measures are put forward.Key Words:JW4G catenary operation vehicle,engine;spray water,composite radiator,be on guard