GK1c型内燃机车空气滤清器改造可行性分析
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摘 要：本文主要研究GK1c型内燃机车空气滤清器系统目前的使用情况及存在的問题，并且提出相应的改造方案，并且进行理论上的计算，通过数据说明该改造方案是可行的。
关键词：GK1c型内燃机车 空气滤清器 活塞 气缸套
中图分类号：U269.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0095-02
酒钢集团公司位于甘肃省嘉峪关市，是一家集采矿、选烧、冶炼、轧制于一体的大型联合钢铁企业，地处巴丹吉林沙漠边缘，常年干旱少雨，春秋季节风沙天气频繁。集团公司下属股份公司运输部拥有内燃机车56台，其中以中车集团资阳机车厂生产的GK1c型内燃机车为主力车型，共有31台，承担着厂内年约4300万t铁路运输量。该车型在我公司运用多年，但是该型机车在运用过程中受到原车设计缺陷及外部环境影响，柴油机方面故障较多，主要表现在活塞、气缸套易磨损，使用寿命短，主要原因是空气滤清器滤清效果差、易“短路”、乘务员安装拆卸不便等原因，造成大量的沙尘、冶金粉末等进入柴油机，使得活塞、气缸套磨损严重，造成柴油机燃烧不好、机油消耗量大、功率降低等问题。
1 问题提出
柴油机作为内燃机车的动力源，其工作的状态直接影响到机车功率的发挥，而造成活塞、气缸套的非正常磨损直接的原因是进气的不清洁，空气滤清器则对进气质量有着至关重要的作用。
GK1c型内燃机车空气滤清器由三级组成，第一级是V型滤网，实际运用中该滤清器滤清效果极差，只能滤去树叶、纸片、塑料袋等大的杂物。
第二级是由54只直通式旋流管组成的一体的多旋流管式粗滤器，空气高速流过旋流管时，经旋流离心作用沿管壁甩出灰尘，集中于下方排尘漏斗中，但在实际运用中，该滤清器的滤尘效果也不明显，只能除去稍大颗粒的沙尘，但仍然有大量混合冶金粉末的沙尘流向下一级空气滤清器。
第三级是钢板网式纸质滤清器，当空气穿过纸质滤清器时，灰尘被纸质滤芯过滤掉，保证清洁的空气进入气缸进行燃烧。但是在实际运用的过程中，该滤清器滤尘效果也不是很理想，在机车检修时，仍然能发现柴油机进气道、气缸盖进气道上有细微的沙尘粘附。纸质滤清器进气不清洁的原因主要有，滤清器滤纸破损;滤清器体和滤清器安装面不密封所致，其原因有：一是滤清器体和滤清器安装面由于安装的不严密、滤芯的变形及机车运行中的震动导致密封面间出现缝隙;二是乘务员安装时只能看见靠外侧的密封面是否严密，而内侧无法看清，同时底部托板紧固时未能保证托板的水平度，造成密封口歪斜不严密，人为原因导致密封面出现缝隙;三是滤清器顶部密封胶条易老化，厂内运用机车按要求一个月吹扫一次，在这个时间段内出现密封胶条老化、断裂的情况乘务员并不能及时发现，导致沙尘进入气缸;四是滤清器产品本身高度不一致;五是滤清器底部托板，顶部密封口钢板变形。
2 空气滤清器改进方案
结合钢铁企业内燃机车工作环境，针对内燃机车原空气滤清器运用中存在的问题，经过分析总结，对内燃机车柴油机原有空气滤清器进行改进，解决原车空气滤清器存在的问题，从而达到提高空气滤清器滤清效果的目的，具体改造方案如下。
改造时须保证柴油机空气进气量及清洁质量要求，并且对原有空气滤清器箱体等不进行较大的改动，重点对第三级纸质滤清器进行改造，第一级滤清器仍然为V型滤网，去除形状较大的漂浮物;第二级滤清器仍然为多旋流管式粗滤器，去除空气中大颗粒的沙尘等，其底部设置沉积箱，以便积聚沙尘的清理;第三级滤芯改造为纸质圆筒滤芯，考虑到进气量的需要，每台机车安装8个纸质圆筒滤芯，滤芯顶部采用螺纹口加密封圈密封，安装时使用专用扳手只需将其拧紧，方便乘务员日常进行维护保养。
3 改进的空气滤清器数据验证
空气滤清器采用常州犇坤铁路配件公司产BK/KF1782型空气滤清器，经检测各项指标参数均符合中华人民共和国铁道行业标准。
3.1 主要技术参数
GK1c内燃机车柴油机功率1100kW，采用的增压器型号有ZN240型、VTC214-13A1型，增压器进气量为7920kg/h，进气真空度为3kPa。
多旋流管式粗滤器的技术参数：旋风筒由54只直通式旋流管组成，进气量2720 m3/h。
3.2 理论计算
3.2.1 滤清器额定空气流量Q计算
Q=P·ge·α·Αο/（1000×γα）
式中：
Q——滤清器额定空气流量，m3/h;
P——增压柴油机额定功率，kW;
ge——增压柴油机额定功率燃油消耗率，g/（kW·h）;
α——额定功率时的过量空气系数，增压中冷柴油机取2.1;
Αο——燃烧1kg燃油所需的理论空气量，柴油为14.3kg/kg;
γα ——空气密度，20℃，标准大气压下为1.205kg/ m3。
在实际计算过程中，GK1c型内燃机车所用6240ZJ型柴油机额定功率P=1000kW，额定功率燃油消耗率ge=208 g/（kW·h）;
则 Q=1000×208×2.1×14.3/（1000×1.205）=5183.6 m3/h。 3.2.2 滤清器的理论面积计算
A=Q/k
式中：
A ——濾清器面积，cm2;
Q ——滤清器额定空气流量，m3/h;
k ——流量常数，通常取0.03cm2·m3/h。
A=5183.6/0.03
=172786.67 cm2
单个滤清器理论计算面积为：172786/8=21598.25cm2
3.2.3滤清器实际面积计算
A=n·2b·H
式中：
N ——滤纸皱折数;
b ——滤纸皱折宽度，cm;
H ——滤清器的高度，cm。
其中皱折数N=168，皱折宽度b=2.3cm，高度H=70cm。
A=168×2.3×70=27048cm2>21598.25cm2，
计算结果表明滤清器的实际面积大于滤清器的理论计算面积，说明设置8个Φ175×780的纸质圆筒滤芯可以满足柴油机进气量需求。
4 改造效果
对GK1c型内燃机车改造后的空气滤清系统检测，空气流量5300m3/h，进气口至清洁空气出口阻力≤1.3kPa，综合空气滤清效率≥93.5%，柴油机排气颜色正常，增压器未发生喘振等现象，各项指标均能满足额定功率需要。
对空气滤清器进行改造后，柴油机活塞及气缸套的磨损速度有明显降低，在机车进行检修时对柴油机活塞、气缸套的数据进行测量，测量数据如表1和表2所示。
通过上述数据比对，可以看出在改造后2014—2018年柴油机活塞、气缸套磨损速度大大减缓，活塞、气缸套使用寿命较未改造前分别延长36个月、40个月左右，经过几年的质量跟踪，说明上述改造是有效可行的，同时柴油机进排气门、气门导管等磨损也大大降低，一定程度上减轻了维护检修人员的劳动强度，若考虑到机车燃油、柴机油消耗消耗减少等各项费用，其经济效益将会十分可观，值得冶金行业、风沙地区内燃机车空气滤清系统改造学习借鉴。
参考文献
[1] 任发成.GK1c型机车使用维护说明书[M].：资阳内燃机车厂，1996.
[2] 王连森.内燃机车检修[M].北京：中国铁道出版社，2001.
[3] 王奇夫.内燃机车运用[M].北京：中国铁道出版社，2014.
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