宋涛
青藏集团有限公司格尔木机务段 青海 格尔木 816000
摘 要
增压器冬夏季转换门是改善增压器温度和空气流量最直接的通道。增压器是提高内燃机功率最主要、最有效的途径，随着空气增压压力的提高，内燃机的功率成比例随着提高，因此增压器发生故障对内燃机的工作性能影响很大。特别在青藏格线上，机车行驶过程中，经过高原、雪山、平原；昼夜温差较大，由于高原气候影响，高原地区缺氧导致柴油机供油和燃烧不充分带动牵引动力就很差。如果不能及时转换增压器冬夏季转换门，增压器就会频繁喘振。然而现有的NJ2型内燃机车增压器冬夏季转换门大都采用的是纯机械手动开启和关闭，然而机车在行驶的过程中高山缺氧，昼夜温差大，而且随季节变化温差变化较大，如果不及时开启关闭，增压器就会发生喘振。本文通过对NJ2内燃机车配备的涡轮增压器喘振故障现象分析，增压器冬夏季转换门开启关闭与增压器喘振特性进行探讨，减少喘振，并针对性的提出预防和减少机车喘振的方法，提出机车日常运用中对增压器的保护要求。通过改进增压器进气门从而对机车喘振现象进行改进以及处理，将是本文探讨的重要目标。
关键词：NJ2型内燃机车；增压器；增压器冬夏季转换门自动控制；
研究分析
一.引言
大家都知道青藏铁路海拔很高，海拔达到4000米以上，NJ2型交流传动内燃机车（NJ为内燃、交流电的汉语拼音首字母缩写）由美国通用电气公司（GE）制造，厂方型号为C38 AChe。采用(交流—直流—交流)电传动及交流牵引电动机。担当青藏铁路格尔木至拉萨区段客、货运列车牵引任务，在空气稀薄的高原铁路沿线特殊的地理环境和气候条件下仍可保持其牵引力。
青藏铁路格尔木—拉萨段客货列车的牵引机车全部统一采用NJ2型内燃机车。这种车头是专门为高原地区打造的车头自带涡轮增压；因为海拔高气压低，普通内燃机的动力达不到标准要求冬夏季转换门的作用是为了在寒冷的季节将动力室的暖空气与车外冷空气混合，防止冰晶堵塞袋式空滤器，以及使内燃机机进气总管空气的温度维持在较高水平。在低温时匹配的不带空冷器的增压器和内燃机机如用在高温时，或者在高温时匹配的带有空冷的增压器和内燃机机用在低温时，由于两者匹配关系的改变，运行点更靠近喘振区，因而容易引起喘振。
二．喘振原理
喘振是指流体机械及其导管系统在特定的周期内，排出压力和排量发生变化时，流体和固体相互作用，引起的一种自激振动。喘体的大小与管子的容量成正比，增压器产生喘振的原因是压气机在某一小流量下工作，引起叶轮的扩压器的叶片通道内产生强烈的气流分离所致。现代涡轮增压器压气机大多采用带后弯式叶片的叶轮和机翼型叶片的扩压器，在叶片扩压器进口处，气流速度可分解成相互垂直的圆周分速和径向分速，当气流相对叶片的转速一定而流量变化时，气流的圆周分速可认为是不变的，径向分速是变化的，因此气流速度的大小和方向都随径向分速而发生变化。理论研究指出，压气机流量大于或小于设计流量时均在压气机通流部分产生不正常流动，设计流量情况下，气流进入叶轮的方向对准叶片中心线，无撞击，压气机运行顺畅。当流量大于设计流量时，气流冲击叶轮进口端叶片的凸面而在凹面发生气流分离现象。但由于叶片向前转动，其凹面压向气流使这种分离现象减弱，因而除了降低压气机效率外不会引起压气机喘振。但当流量小于设计流量时，气流将冲击叶轮进口端叶片的凹面，在凸面产生气流分离。由于叶片向前转动，进一步扩大了这种分离现象，这种气流分离的加剧，使压气机内的压力低于发动机进气管道内的压力而产生瞬时倒流现象，接着气流又在叶轮的作用下正向流动，由于流量过小和气流分离区的继续扩大而使倒流反复产生，气流强烈脉动，噪声加剧而产生喘振。
三.环境温度对内燃机影响
不同环境温度内燃机性能影响规律，通过改变环境进气温度，内燃机达到额定负荷时随温度变化曲线。
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由图3可以看出，随着环境温度上升，空气密度降低，内燃机进气量会下降，导致内燃机增压压力下降，爆压下降，同时由于进气流量下降，过量空气系数会将小，燃烧恶化，油耗上升，环境温度下降时趋势则相反，环境温度每下降5℃，该内燃机额定负荷增压压力约7Kpa,爆压上升0.23MPA，当环境温度低于20摄氏度时，爆压超出限值，环境温度每上升5摄氏度，涡前排温上升8摄氏度左右，过量空气系数下降0.05，当环境温度高于38摄氏度时，涡前排温与缸盖排温超出限制。
通过排气温度，扫气压力，增压器转速来判断是引起喘振的原因是来自内燃机还是增压器，从而判断是不是温度气流量影响喘振。若内燃机机排烟温度偏高，而增压器的转速也过快，内燃机机的扫气压力偏高。则极有可能是因为内燃机机本身出现故障，从而引起柴油机与增压器匹配不良，废气能量大，增压器转速高，增压能力提高而柴油机扫气量并没有太大的变化而导致增压器处于高背压小流量的工作状态下，引发喘振。
四.温度自动调节与喘振现象分析
通过对NJ2型内燃机车温度监测记录分析，由图4对增压器2个月的温度值检测可以看出，温度变化较大，从5℃---55摄氏度，我们可以通过增压器冬夏季转换门的自动调节功能达到增压器进气口温度平衡，让进气量平稳，从而减少喘振。
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如上图所示手动控制就会发生两种情况：机车内部温度高，如果不及时开启增压器冬夏季转换门的话，柴油机高温工作耗损大、增加零件磨损，而且造成机车喘振；如果机车外部温度过低，不关闭增压器冬夏季转换门的话，造成机械间温度过低，造成空气滤芯结冰堵塞，导致柴油机进气不稳定，造成喘振现象，以上是造成机车喘振相关原因
五.通过冬夏季转换门自动控系统改善增压器喘振现象方案
为了有效解决机车在行驶过程中出现的防喘振现象，因此可进行必要的方案设定。有两个冬夏季转换门，位于柴油机空滤器箱组件中。在温暖的天气时，每个门的位置应能阻断通到动力室的空气通路，在寒冬的天气时，每个门的位置应部分阻断从空气滤芯器栅来的空气；将打开从动力室来的空气通路；在寒冷的天气工作时，袋式滤清器中的的结冰可能阻碍气流流过柴油机燃烧空气系统。若夏季工作时门处在冬季位，燃烧空气可能被过分加热，这将导致燃烧涡轮前温度高以及缩短涡轮增压器寿命。让增压器进气口温度保持变化最小，这个温度的调节主要是冬夏季转换门，我们设计一套随着增压器进气口温度变化开启冬夏季转换门的一套系统，这套系统包括硬件和软件，硬件是开启和关闭转换门，软件是随温度变化驱动电机正反转。
六.冬夏季转换门自动控制系统实验验证
在本文的研究中，为了保障研究数据的可行性，因此以代表性试验为主体。机车冬/夏季转换门自动控制系统利用温度变化自动控制技术，开窗电机可以随着温度的变化自动开启关闭转换门，不仅能记录机械间温度，而且能记录和保存一段时间变化的曲线，对机车可视化管理，无需人工干预门的操作，而且转换门开启温度可以人工设定，简单方便。不存在安全隐患，正好解决了人员少、车多工作强度大的烦恼。机车冬/夏季转换门自动控制系统能实时监控温度，根据温度变化，及时开关门。防止滤芯结冰，机车喘振。用智能控制技术，为人类提供环保、节能、安全、健康、舒适的解决方案。
总之，减少人员高频率开启及关闭，减少人员劳动强度，避免安全隐患。实时监测温度，智能化开启，使机械间与外界温差平衡，防止滤芯因温度过低堵塞，造成内燃机车喘振。 可监控-实时监测进气口温度，随时控制内/外循环转。可记录-监控记录冬/夏转换门转换次数，从而记录实时温度变化信息，可生成数据表格，做记录分析。集成性高-集成电路设计，具有体积小、易安装，防震抗干扰，耐腐蚀的特性。高可靠性-精确进气口测温，及时有效执行冬/夏转换门进行调整。控制主机，手动或自动控制冬/夏转换门进行相互转换。
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图1在温暖的天气时，进气口温度高于30℃，自动将冬/夏转换门调整至外循环，图2在寒冷的天气时，进气口温度低于10℃自动将冬/夏转换门调整至内循环。
由于机车行驶中，路过高原、平原，昼夜外界温度低10℃，温度探测器测得温度低关闭转换冬/夏转换门，使其开启内循环。严寒的冬季也是如此。反之夏季外界温度高于机械间温度， 传感器测得进气口的温度高于30℃，关闭转换门，使其调成外循环。智能开启，减少人力，减少滤芯因气温过低结冰，减少内燃机发生喘振，减少零件寿命易故障，减少检修人员工作量与维修费用。
通过手动控制按键可分别控制两侧执行元件的开合。通过温度检测器采集实时温度，控制主机发送命令并执行相应元件，进而达到内/外循环相互转换。
控制主机，手动或自动控制冬/夏转换门进行相互转换。 温度监测器，实时监测进气温度，将执行信号传送至专门控制器。 转换门控制器，将冬/夏转换门打开或闭合。现采用机车冬/夏季转换门自动控制系统，其优点如下：
温度控制智能开启转换门、减少人力，避免工作人员被挤手的安全风险，降低工作人员工作强度；实时显示温度，能及时掌握机车运行过程中温度变化曲线；能远传数据，实现自动化管理；减少滤芯堵塞，降低维护成本；智能控制转换门，减少低温时空滤器结冰，使柴油机的空气通路；稳定性高，高温低温不受影响，随时监控进气口温度，及时有效调整冬/夏转换门。不改变原机车结构，安装机械手臂代替人工，易维修，易维护。高温时，使柴油机进气稳定，减少喘振次数，降低机车故障，增加机车寿命；
可监控-实时监测进气口温度，随时控制内/外循环转换，集成性高-集成电路设计，具有体积小、易安装，防震抗干扰，耐腐蚀的特性，可记录-监控记录冬/夏转换门转换次数，从而记录实时温度变化信息，高可靠性-精确进气口测温，及时有效执行冬/夏转换门进行调整，大大提升了机车性能。
七.结束语
综上所述，增压器不允许在喘振下工作，因为在喘振开始时，压气机叶轮与扩压器叶片都发生强烈的振动，增压压力显著下降，并伴有强烈波动，有时造成叶片疲劳断裂，严重影响增压器轴承使用寿命，造成重大的经济损失。
由此冬夏季转换门自动控制系统不需要需人工不定期开启，避免工作人员挤手受伤安全系数大大提高，减轻了工人的劳动强度；实时监测车内温度；实时在线测温，自动记录整理数据，及时掌握机车内温度；数据远传，实现自动化管理，综合成本降低。
滤芯的更换次数降低，正好解决了人员少、车型多工作强度大的烦恼。机车因不能及时打开外循环导致的机车喘振次数降低，这样减少机车损耗，提高机车运行的稳定性。
【参考文献】
[1] 王盛. 内燃机车涡轮增压器喘振原因分析及预防[J]. 设备管理与维修, 2019, 000(003):50-51.
[2] 蒲飞航. 离心式压缩机喘振现象及其控制措施探讨[J]. 压缩机技术, 2019, 000(002):29-32.
[3] 张丽霞. 排水泵喘振与汽蚀现象改善措施研究[J]. 陕西煤炭, 2020, v.39;No.194(05):162-165.
[4] 马玉成, 林永全, 孙虎,等. 某大型二冲程柴油机增压器喘振故障浅析[J]. 中国设备工程, 2020, No.446(10):55-57.
[5] 梁泉生. 矿井主排水泵喘振现象及改善措施[J]. 石化技术, 2020(6).
[6] 贺仰晓, 张泽平. 矿井主排水泵喘振现象及改善措施的探究[J]. 机械管理开发, 2020, v.35;No.201(01):250-251.
[7]李达轩，曾凡东.本科生导师制的探索与实践［N］.光明日报，2003-06-0
［8］周萍，樊如放.我国本科生导师制实行过程中存在的问题及对策［J］.教学研究，2002（4）.
[9]《内燃机增压与匹配—— 理论、计算及实例》．西穗K·齐纳著。
[10]《内燃机构造与原理》，长沙铁道学院编
[11]《内燃机原理》．西安交大内燃机教研室编。
[12]《内燃机》，华北球利水电学院、天津工程机械研究所台编。
[13]《柴油机结构与使用》．济南柴油机厂编。