机车柴油机上增压器的可靠性配套研究*

潘翼龙， 薛良君， 米　贵， 王伟才

(1　中车戚墅堰机车有限公司, 江苏常州 213011；2　重庆ABB江津涡轮增压系统有限公司, 上海 201319)



机车柴油机上增压器的可靠性配套研究*

潘翼龙1， 薛良君1， 米贵1， 王伟才2

(1中车戚墅堰机车有限公司, 江苏常州 213011；2重庆ABB江津涡轮增压系统有限公司, 上海 201319)

在机车柴油机的增压配套过程中引入可靠性配套概念，尝试在增压配套过程中进行可靠性研究，通过分析增压器转速、涡轮进口温度等对增压器使用寿命的影响，提出柴油机功率修正的新模式，以便提高增压器的使用寿命、拓宽机车的适用范围。

柴油机； 增压器； 配套； 可靠性

增压配套，在机车柴油机开发时，通常做法是进行废气涡轮增压器选型，根据柴油机需要参数，也即需要的增压压力和空气流量，选定增压器的基本型号，再通过计算，确定增压器合适的通流元件，最后经过配机试验完成验证。而在柴油机定型后，通常的做法中还会有对增压器进行设计开发，利用已有的配套参数，并结合内燃机车的运行情况，进行优化，新开发一款增压器，使配套性能得以提高。

无论哪种做法，主机厂和增压器供应商联合考虑的主要是配套性能，考虑如何提高联合运行线上各工况点增压器的配套效率，使柴油机的油耗和排温、排放等指标达到设计要求。

至于可靠性设计，则往往是独立分开的。主机厂商偏向于增压器安装布置的可靠性。增压器制造商主要考虑的是增压器本身的结构可靠性。而柴油机在应用条件下的涡轮进口温度和增压器转速等数据的变化规律对增压器整体寿命的影响，这些与可靠性有关的研究，由于条件所限，往往处于运用信息反馈后改进的状态，而远远滞后于性能配套的研究。

针对机车柴油机的增压配套过程，引入可靠性配套概念，尝试进行相关的可靠性研究，目的一方面是进一步拓宽机车的适用范围，另一方面是从增压配套环节提高增压器的使用寿命。

1　增压器的运用负荷率与增压器使用寿命的关系

增压配套中，选定合适的压气机特性至关重要。在压气机特性图上，增压器转速在配套点的值nTK(通常为标定功率点的增压器标定转速)可作为衡量增压器负荷水平的量值。nTK距离允许的最高转速越近，增压器的负荷率就越高。机车实际运行中，nTK(在机车上为最大功率运行时的增压器转速)受影响最大的是机车的运行海拔高度。另外，空滤器阻力、环境温度、柴油机状态，对nTK也会产生影响。

1.1海拔高度对增压器负荷的影响

图1为海拔高度与增压器转速的变化关系。图中的五个转速nMmax、nBmax、nTK2、nTK1、nTK分别为增压器铭牌上的极限允许值、铭牌上的工作允许值、用户内部控制目标值、平原增压配套中标定功率点时的额定值、柴油机标定功率(或低于标定功率的最大运用功率)时的实测值。

低海拔时，海拔高度上升过程中，柴油机满负荷功率保持不变，nTK随海拔上升而上升。显然，机车运用线路海拔越高，增压器的实测转速nTK越高。

当海拔高度达到h1时，nTK达到控制目标值nTK2，此时柴油机满负荷功率开始修正。从海拔h1往上，nTK按nTK2运行而满负荷功率不断下降。显然，nTK2的确定成了关键。若机车长期在高海拔的修正功率下运行，则该nTK直接决定了增压器的负荷率，也即决定了增压器的使用寿命。

因此，进行增压配套(往往在平原地区配套)过程中，应提前对可能的机车线路运用进行分析，提前了解铁路用户可能的功率修正海拔要求，根据所选定的压气机特性，在预估的海拔高度下，对进行功率修正时的nTK进行预估，尽可能使控制目标值nTK2与增压器铭牌上规定的最高工作允许转速值nBmax保持一定的裕量。

图1　海拔高度与增压器转速的变化关系

1.2空滤器阻力对增压器负荷的影响

由于配机试验是在柴油机的台架上进行，而机车与柴油机测试台位相比，进气阻力、排气背压差异很大，特别是机车上的空滤器，往往导致柴油机装车后的增压器转速上升不少。因此，机车柴油机的增压配套，要关注机车的空滤器阻力。

图2为某型号机车不同空滤器方案对增压器转速的影响。从图中可发现，该型机车的空滤器如果按防风沙的最严格要求布置，与简单型相比，增压器转速增加值明显超过了1 000 r/min，在空滤器阻力增加3 kPa时，功率修正的海拔高度从1 400 m降低到1 000 m以下。就是说，空滤器阻力每增加1.0 kPa，相当于无形中提高了150 m机车所在地的海拔高度或降低了150 m功率修正的海拔高度。若要保持原定的功率修正海拔高度，则只能抬高原先设定的转速控制目标值nTK2，使之更接近nBmax，从而大大增加了增压器的负荷。当然，该关系仅表明一种趋势，不同的柴油机、不同的增压器、不同的机车进风道结构，都会产生差异。

因此，在增压配套时，必须兼顾柴油机装车车型或用途，充分考虑机车空滤器结构的影响，提前考虑增压器在机车上的运用转速增量。否则，将会使机车在非平原地区运行时，提前修正功率而无法满足机车的线路运行要求，或过分接近最高允许转速值 而影响增压器工作寿命。

图2　不同空滤器对增压器转速的影响

1.3环境温度对增压器负荷的影响

环境温度，主要影响压气机特性图上联合运行线的位置。因此，在机车上和柴油机台架上的变化是一致的。

根据对R16V280ZJ柴油机和R12V280ZJ柴油机的研究[1-2]，随着环境温度上升，同一功率点的增压器折合转速在大多数情况下是呈下降趋势的，只有在极端高温情况下的配套功率点，增压器转速才会上升。但是，增压器的实测转速，随环境温度的上升，基本上呈单边上升趋势，而且，在较高的环境温度时，特别在高海拔时，上升趋势加剧。

特别强调的是，对于配备两只增压器的柴油机，若空滤器布置在机车的两侧分别对应一只增压器，机车在线路运行时，因干燥环境日照的影响，机车两侧的进气温度会出现明显差异，导致增压器转速差异。对于这种两侧独立的进气布置，还应适当考虑增压器转速不一致后较高转速的增压器的负荷水平。

另外，环境温度变化，还会改变涡轮进口温度，从而对增压器的热负荷造成影响。

1.4柴油机状态对增压器负荷的影响

V型机车柴油机一般配置2台单级涡轮增压器，应每台柴油机状态的差异，在各种因素叠加的极端情况下，固定喷嘴的涡轮增压器，其转速差可达600 r/min以上(可变喷嘴涡轮增压器因控制调节的作用，转速差可控制在300 r/min以内)。这么高的差值，较高转速的增压器的负荷必将受到影响。

1.5机车运行时增压器负荷率的分布规律

增压器的负荷水平取决于配套转速nTK。而运行负荷率则是机车在不同功率下增压器负荷的累计运行时间百分占比的总和，一般情况下，可简化为不同增压器工作转速(大多数情况下低于nTK)的时间百分占比的总和。负荷率高，意味着高转速区段的时间百分占比高。

按ABB的SIKO安全设计理念，见图3。增压器负荷与蠕变时间(可以用增压器的累积工作时间间接表示)有关，也与疲劳循环次数有关。由于增压器配套过程中无法具体量化考虑增压器运用中的循环交变过程，所能采取措施的是控制增压器的转速值。根据长期的增压配套经验，若高转速(即铭牌上的工作允许值nBmax值的50%以上)的比例提高，则增压器的工作寿命时间将会大幅降低。若涡轮进口温度超过铭牌允许的值，则增压器的工作寿命时间也将会大幅降低。若累计工作运行时间超过规定的工作寿命时间，则增压器发生故障的危险系数将按指数级上升。受增压器转速等因素的影响，增压器零部件中寿命最短的是轴承，其次为转子。因此，轴承的工作寿命决定了增压器的大修周期。反过来讲，增压器的大修周期若要与机车的大修周期保持同步，则增压器转速限值的设定必须保证增压器轴承的工作寿命达到机车的大修周期。

图4反映了DF11客运内燃机车配置的VTC254-15增压器(原型号名为VTC254-13G)运用负荷率在某个用户的某个时间段内的分配情况(平原地区线路)，该增压器应用于DF11机车平原时的nMmax为532 r/s、nBmax为506 r/s，配套转速nTK约为nBmax的93%。从图4中可看出，按nMmax、nBmax、转速80%、转速50%的时间占比分别为0%，<0.5%，<10%，<35%，符合ABB的SIKO安全要求。因此，VTC254-15增压器在DF11机车上应用是合理可行的。事实也证明，该型增压器在DF11机车上的故障率确实很低。当然，对于非平原地区，特别在海拔700 m以上地区，增压器转速分布将会明显上升。因此，对于特定的运用线路，运用部门应结合线路特点，参照上述转速分布规律，制定相应的措施控制增压器高转速或高转速的时间百分占比。

图3　增压器负荷与蠕变时间和疲劳循环次数的关系

图4　DF11机车增压器转速在平原地区的运用时间分配

2　涡轮进口温度对增压器使用寿命的影响

前述的分析均是以压气机特性考虑增压器负荷率，此种情况下的增压器负荷率代表值为增压器转速，也即为机械负荷率。严格讲，增压器的负荷率应为机械负荷和热负荷在运用中不同负荷区段的时间百分比率的总和。在ABB的SIKO安全概念中，也考虑了热负荷对增压器使用寿命的影响。经验表明，热负荷对增压器使用寿命的影响不可忽略[3]。

增压器上，冷却水进出温度、滑油进出口温度、涡轮进出口温度、压气机出口温度，均能反映增压器的热负荷状态。但在柴油机上，进行检测并能代表增压器热负荷的参数只有一个，即涡轮进口温度。因此，增压器配套过程中，除了重视增压器转速外，涡轮进口温度也是重点关注的参数。

涡轮进口温度的影响因素比较复杂，涡轮进口温度的高低与增压器的涡轮效率、压气机效率有关，也与柴油机的供油系统、进排气系统、控制系统有关，而且还与运用环境温度、机车运用状态密切相关。

涡轮进口温度过高，影响到增压器转子、轴承的正常寿命，也容易造成增压器非正常故障，对增压器寿命的影响是明显的。根据文献[3]的分析，VTC254-15增压器涡轮进口温度的允许最高工作温度为650℃，若长期在接近该限值下工作，该增压器发生故障的几率比应用在一般机车上要提高数倍；同时，在与过高的增压器转速负荷率相叠加后，该增压器的使用寿命将会成倍下降。

3　增压器不同负荷率下的柴油机功率修正

机车柴油机高原功率修正，最大制约因素就是柴油机最大运行功率时的增压器转速nTK。可以说，高原功率修正实质上就是确定增压器应用中的转速控制目标值nTK2。该值的确定，具体需要估算机车运行时最高转速的时间占比，同时还要考虑满足柴油机在当地海拔高度、当地气候环境、并在整个大修周期内的可靠运用。因此，该转速控制目标值nTK2可能是根据增压器供应商提供的铭牌上的最高工作允许值nBmax，也可能大大低于铭牌所标示的值。

在增压配套过程中，若要提前确定将来机车功率修正时的增压器转速控制目标值，便于优选压气机特性，那么获知在某一特定使用寿命下增压器的负荷率分布情况是关键。在未知情况下，客运机车可参照ABB的SIKO安全概念所定的负荷率分布规律及图4的关系进行初步估算。调车机车的初估负荷率可适当调低。货运机车的初估负荷率基本不变，因其转速50%的时间百分占比可能小些，但转速达到nTK2的时间百分占比可能高些。

R12V280ZJ柴油机，是新一代4 400 (3 234 kW)马力平台内燃机车用动力，功率修正海拔高度的最低要求为不低于1 500 m。考虑国内许多线路的局部海拔高度在1 500～2 400 m之间，为尽可能做到兼顾，经过充分的选型论证，采用了ABB公司的TPR56FV可变喷嘴涡轮增压器配套。其铭牌上标明的最高允许转速nBmax为686 r/s、最高允许极限转速 为700 r/s。根据上述的可靠性配套观点，为保证满足最高允许转速nMmax为686 r/s的长期可靠要求，装用HXN5B机车所确定的增压器内部间接控制目标转速 为667 r/s(即40 000 r/min)，经试验验证[4]，达到了2 500 m以下功率不修正，取得了相当好的效果。

同样，根据机车不同的要求进行柴油机功率修正，在校核增压器负荷时，按上述的可靠性配套观点，其VTC254-15增压器在不同的功率修正方案中设定的转速控制目标值 也不同。表1为具体案例，其铭牌规定的nMmax为532 r/s、nBmax为506 r/s。

表1　VTC254-15增压器不同负荷率下的功率修正方案

4　机油对增压器运行的影响

实际应用中，增压器会出现各种故障，而与增压器供油密切相关的故障比例相当高。因此，在增压配套设计开发过程中，也应充分重视机油系统的配套。机油向增压器的供油压力、流量、滤清精度必须满足所选增压器的要求，保证增压器的正常运用。

机油管路结构布置上，应尽可能控制机油在低温状态下的油压；在机车最大功率运行时的最高控制油温状态下，应保证需要的流量(或油压)，同时保证回油畅通。

机油管路振动容易诱发机油的泄漏，因此，油管的设计应尽可能避免细长结构和无固定的结构

5　结束语

在柴油机的增压配套中进行可靠性研究，可在样机的设计开发阶段完成样车设计开发和验证阶段与柴油机功率修正有关的大部分工作，可大幅降低增压器二次开发配套的成本。

研究增压器负荷率的运用规律，对增压可靠性配套是必不可少，有利于使增压器的运用扬长避短，提高增压器的使用寿命，降低增压器的维修成本。

[1]潘翼龙．TPR61-A10增压器在R16V280ZJ型柴油机上的配套研究[J]．内燃机车，2007，(9)：1-4,18．

[2]潘翼龙，王敏鸿，李友峰，薛良君．机车柴油机可变涡轮增压技术开发与应用[J]．铁道机车车辆，2011，31(S1)：210-212．

[3]DF8BI机车VTC254-15增压器故障原因及建议方案[R]．2013.

[4](2014)JL字第W-214号．HXN5B型交流传动调车内燃机车型式检验报告[R]．2014.Reliability Research of Turbocharger Matching for Diesel Engine of Locomotive

PANYilong1,XUELiangjun1，MIGui1，WANGWeicai2

(1CRRC Qishuyan Co., Ltd., Changzhou 213011 Jiangsu, China;2Chongqing ABB Jiangjin Turbo Systems Co., Ltd., Shanghai 201319, China)

This paper introduces the reliability concept into the turbo matching for diesel engine of locomotive, investigates the reliability of turbocharger during the matching process by analyzing the influence of turbocharger speed and turbine inlet temperature and other factors on the turbocharger's life time, and put forward the new solution for diesel engine power correction which can increase the life time of turbocharger and can extend the application of locomotive.

diesel engine; turbocharger; matching; reliability

1008-7842 (2016) 02-0045-04

��)男，教授级高级工程师(

2015-08-31)

U262.11

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.10

*第十九届全国大功率柴油机学术年会论文