王宏宇 牛 瑞 郭志剛 劉 凱

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司 江蘇 南京 211800)

當前地鐵車輛制動系統(tǒng)多采用噴油螺桿式空氣壓縮機作為主供風(fēng)單元，為制動系統(tǒng)、升弓系統(tǒng)、空氣彈簧、撒砂、車輛解鉤及風(fēng)缸等用風(fēng)設(shè)備提供干燥潔凈的壓縮空氣。

1 螺桿式主供風(fēng)單元工作原理

螺桿式主供風(fēng)單元工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)主要分為氣路和油路兩部分。

1—電機；2—聯(lián)軸節(jié)；3—中托架；4—機頭；5—進氣過濾器；6—最小壓力閥；7—油氣筒濾芯；8—油氣筒；9—溫控閥；10—油過濾器；11—冷卻器；12—冷卻葉輪；13—氣水分離器；14—凝聚式過濾器；15—雙塔干燥器；16—除塵過濾器。

1.1 氣路系統(tǒng)

當主供風(fēng)單元啟動時，空氣通過進氣過濾器進入壓縮機頭進行壓縮后，形成的油氣混合物進入油氣筒，在最小壓力閥作用下，使油氣筒內(nèi)壓力快速升高，保證潤滑油的循環(huán)內(nèi)壓快速建立，當壓力建立到最小壓力閥開啟值時，最小壓力閥打開，壓縮空氣經(jīng)過冷卻后進入后處理過濾器和干燥器進行過濾及干燥，形成清潔干燥的壓縮空氣并最終進入列車的總風(fēng)缸[1-2]。

1.2 油路系統(tǒng)

油路系統(tǒng)由油氣筒、溫控閥、油冷卻器和油過濾器等組成。潤滑油利用壓差原理進行循環(huán)，無油泵。當主供風(fēng)單元運行時，潤滑油在油氣筒內(nèi)壓力作用下，通過油過濾器過濾，進入螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子腔及軸承處，起潤滑、密封、冷卻、降噪的作用[3]。

由螺桿機頭排出的空氣/油混合物切向進入油氣筒，通過碰撞、離心旋流實現(xiàn)油的粗濾后，油氣混合物再由油細分離濾芯的吸附、凝聚等作用實現(xiàn)精密細濾。在這一階段所濾出的油被收集在油細分離濾芯的底部，在油氣筒內(nèi)壓力的作用下，通過二次回油管返回螺桿機頭。

油路系統(tǒng)配有溫控閥，當油溫低于設(shè)定值時，由于油冷卻器內(nèi)部流動阻力較大，氣壓迫使?jié)櫥陀捎蜌馔仓苯咏?jīng)油過濾器后到達壓縮機機頭。當油溫超過溫控閥開啟值時，溫控閥打開，油進入冷卻器進行冷卻，隨后經(jīng)由油過濾器到達壓縮機機頭內(nèi)部[4]。

2 潤滑油乳化問題研究

2.1 乳化現(xiàn)象及成因分析

我國南方某城際地鐵線路，在梅雨季節(jié)(6月～7月)期間，主供風(fēng)單元發(fā)生批量潤滑油乳化、分層現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)研該線路主供風(fēng)單元潤滑油狀態(tài)可分為輕度乳化、中度乳化、重度乳化等3種，如圖2所示。

圖2 某項目主供風(fēng)單元潤滑油乳化狀態(tài)

潤滑油乳化是由于液態(tài)水以極微小液滴均勻地分散于潤滑油中，兩者互不相溶又相互包容的一種物理現(xiàn)象。乳化液形成必須具備3個必要條件：(1)互不相溶的兩種液體；(2)存在降低界面張力的物質(zhì)；(3)促使形成乳化液的能量，如強烈攪拌、循環(huán)、流動等。

根據(jù)氣體熱力學(xué)理論，一定溫度和濕度的空氣經(jīng)過壓縮后，水蒸氣密度增加，溫度上升。當壓縮空氣溫度下降到相對濕度100%對應(yīng)溫度時，便有液態(tài)水從壓縮空氣中析出，該溫度即為“壓力露點”。

在螺桿式主供風(fēng)單元運行過程中，從進氣過濾器吸入的外界濕空氣中含有一定量的水蒸氣，當濕空氣被壓縮壓力升高時，水蒸氣分壓增大，當壓縮比達到一定時，氣體相對濕度達到100%，此時若環(huán)境溫度下降至該狀態(tài)下的壓力露點之下時，便會有液態(tài)水析出，0.95 MPa壓力下相對濕度與壓力露點的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 相對濕度與壓力露點的對應(yīng)關(guān)系

該項目主供風(fēng)單元額定工作壓力為0.9 MPa，油氣筒內(nèi)部壓力約為0.95 MPa，壓縮比為10.5，壓縮空氣相對濕度為100%，由圖3可知，該條件下壓力露點約為68 ℃td，即油氣筒內(nèi)部溫度在68 ℃以下時會有液態(tài)水析出。

對該項目車輛運轉(zhuǎn)率進行抽樣統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該項目車輛運轉(zhuǎn)率在10%左右，當日平均運轉(zhuǎn)率為9%。主供風(fēng)單元一天啟動低于50次，單次打風(fēng)時間約100 s，且兩次打風(fēng)之間時間間隔較長，約18 min。

為探究運轉(zhuǎn)率與潤滑油乳化的聯(lián)系，將主供風(fēng)單元在試驗室條件下模擬某城際地鐵實際運轉(zhuǎn)率運行，并對環(huán)境溫度、油氣筒壁溫、油冷出口溫度等數(shù)據(jù)進行了監(jiān)控和采集，結(jié)果如圖4所示，可觀察到油氣筒壁溫在運行2 h后穩(wěn)定在55 ℃～63 ℃之間，低于該壓力下的壓力露點68 ℃td，因此在該運轉(zhuǎn)率下，油氣筒內(nèi)部不可避免地會存在液態(tài)水析出。

圖4 主供風(fēng)單元各測點溫度變化

主供風(fēng)單元運行過程中，析出的液態(tài)水隨壓縮空氣在油氣筒內(nèi)劇烈攪動，隨著混入的液態(tài)水逐漸增多，油水混合物在高速運轉(zhuǎn)時，使?jié)櫥徒缑鎻埩档?，液態(tài)水離散為顆粒而分散于潤滑油中。另外，油品中的添加劑，如抗氧化劑和防銹劑，具有一定表面活性的物質(zhì)，一端為具有親油性的非極性基團，另一端為具有親水性的極性基團，在一定轉(zhuǎn)速下極性基團對水有一定的親和能力，增強了油水分離的難度，促進油質(zhì)乳化，使得潤滑油呈現(xiàn)為渾濁乳化狀。

2.2 乳化問題現(xiàn)車處理方案

對于輕度、中度乳化，隨著含水量的增大，油品顏色由清澈透明淡黃色逐漸變?yōu)槿榘咨藭r可通過連續(xù)運行主供風(fēng)單元，使?jié)櫥蛢?nèi)部溫度升高，將內(nèi)部水分蒸發(fā)，油品可自行恢復(fù)至正常狀態(tài)，建議梅雨季節(jié)車輛回庫后，結(jié)合日檢對主供風(fēng)單元連續(xù)運行20 min，進行預(yù)防。

當中度乳化未經(jīng)控制發(fā)展至重度乳化時，可從油位鏡中觀察到潤滑油已部分水解產(chǎn)生黏稠狀雜質(zhì)，此時可先適度旋松放油螺堵，將油氣筒下部液態(tài)水排出，同時確認油位，必要時補油，隨后連續(xù)運行主供風(fēng)單元30 min，期間需注意是否存在異響，并觀察油品改善情況，若有明顯改善，可持續(xù)運行直至乳化現(xiàn)象消除，否則需整體更換潤滑油。

2.3 潤滑油乳化的影響

潤滑油乳化對螺桿式空氣壓縮機、后處理系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的影響惡劣而深遠，對某城際車輛主供風(fēng)單元潤滑油乳化嚴重的車輛進行定期跟蹤、研究，乳化產(chǎn)生的影響總結(jié)如下：

(1)機械部件異常磨耗、銹蝕

潤滑油乳化后，油品運動黏度變大，不溶物含量增多，潤滑效果下降明顯。對乳化前后的潤滑油進行抽樣檢測，濾膜分析表明油品中存在大量棕黃色小尺寸非金屬顆粒、大量小于33 μm的金屬磨粒和個別纖維(見圖5)。其中小尺寸非金屬顆粒多由油品長期含水量過大和油品水解導(dǎo)致，金屬磨粒多見于機械部件磨損，該油品分析表明機體內(nèi)部存在異常磨耗。

圖5 乳化潤滑油濾膜分析

若螺桿式主供風(fēng)單元長期處于乳化狀態(tài)，潤滑油內(nèi)部水分也會導(dǎo)致螺桿主機機體、軸承銹蝕，銹蝕產(chǎn)生的雜質(zhì)在壓縮過程中混入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子磨損，供風(fēng)效率下降。

(2)機組油消耗量異常、油氣分離性能下降

潤滑油乳化，液態(tài)水由于重力作用沉積在油氣筒底部，將油位墊高，導(dǎo)致主供風(fēng)單元運行過程中油分芯負荷增大，油氣分離效果降低，部分潤滑油隨壓縮空氣進入后處理系統(tǒng)，導(dǎo)致過濾器異常排油，更嚴重時，大量潤滑油進入干燥器內(nèi)部，污染吸附材料，導(dǎo)致主供風(fēng)單元出口空氣濕度增大。

潤滑油水解產(chǎn)生的膠狀雜質(zhì)隨主供風(fēng)單元運行時，極易附著在油分芯濾網(wǎng)上，導(dǎo)致油分芯流阻增大，流阻即油分芯內(nèi)外壓力差值，是衡量油分芯老化程度最直觀的參數(shù)之一。對試驗機以及某城際項目更換油分芯進行流阻測試，結(jié)果如圖6所示，試驗機油分芯流阻為10 kPa，更換件流阻高達19 kPa，遠高于試驗機流阻，次試驗表明，該油分芯過濾能力劣化明顯。

圖6 新舊油分芯流阻測試

3 防乳化技術(shù)方案

當前軌道車輛螺桿式主供風(fēng)單元均為連續(xù)工作制設(shè)計，即設(shè)計壽命按100%運轉(zhuǎn)率計算，由于車輛調(diào)試、運營初期載客量較小，用風(fēng)設(shè)備如空氣彈簧等耗風(fēng)量顯著降低，主供風(fēng)單元運轉(zhuǎn)率遠低于推薦運轉(zhuǎn)率30%的要求，導(dǎo)致潤滑油渾濁、乳化現(xiàn)象難以避免。絕大部分項目在正線運營后，乳化現(xiàn)象可自行消除。針對正線運營后乳化現(xiàn)象依然存在，且如不人為干預(yù)，油品持續(xù)劣化的項目，最有效的手段為提高主供風(fēng)單元運轉(zhuǎn)率，提高運轉(zhuǎn)率方法因具體項目而不同，經(jīng)過實踐驗證的主要措施如下：

(1)設(shè)置工作率調(diào)節(jié)裝置

項目設(shè)計初期，可預(yù)估該項目實際工況，當前城際地鐵線路站間距較大，車輛多為4編組，且部分地區(qū)高架線路占比較大，在我國南方雨季，主供風(fēng)單元工況受外界環(huán)境影響較大，因此短編組城際地鐵車輛設(shè)計初期，宜在車輛上設(shè)置工作率調(diào)節(jié)裝置。

工作率調(diào)節(jié)裝置是設(shè)置在總風(fēng)管管路上通過主動排風(fēng)增加空氣的消耗量，從而提高空壓機工作率以避免油乳化的裝置。防油乳化氣路原理如圖7所示，由截斷塞門、電磁閥、溢流閥、節(jié)流孔及消音器組成，其中設(shè)置溢流閥目的是在列車總風(fēng)壓力較高時(高于溢流閥設(shè)定值)排風(fēng)支路工作，持續(xù)耗風(fēng)，當列車總風(fēng)壓力較低時，將排風(fēng)支路自動切除，以保證列車設(shè)備的耗風(fēng)安全。對于耗風(fēng)量的大小，取決于節(jié)流孔的孔徑，孔徑可根據(jù)實際運營時空壓機工作率進行調(diào)整。電磁閥通過網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)控制實現(xiàn)列車的智能排風(fēng)，一般設(shè)置在晚間(非晚高峰時期)，控制工作率調(diào)節(jié)裝置工作，提升主供風(fēng)單元運轉(zhuǎn)率。為了提高工作率調(diào)節(jié)裝置的可靠性，司機屏一般設(shè)置有關(guān)斷按鈕可自行關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)。

1—塞門；2—電磁閥；3—溢流閥；4—節(jié)流閥；5—消音器。

(2)提高主供風(fēng)單元內(nèi)部耗風(fēng)

螺桿式主供風(fēng)單元內(nèi)部耗風(fēng)方式主要有二次回油回路、雙塔干燥器反吹氣路、排污電磁閥排污，現(xiàn)車可通過調(diào)整二次回油回路、干燥器反吹氣路節(jié)流栓孔徑大小，或調(diào)整排污電磁閥排污時間增大主供風(fēng)單元內(nèi)部耗風(fēng)，降低出口壓縮空氣流量，提高主供風(fēng)單元運轉(zhuǎn)率。

在上述3種方案中，增大雙塔干燥器反吹耗風(fēng)量，不僅能顯著提高主供風(fēng)單元運轉(zhuǎn)率(主供風(fēng)單元運行時間占當日車輛運營時間的百分比)，也可提高干燥器內(nèi)部吸附劑再生程度，更利于干燥劑吸附，提升主供風(fēng)單元出口空氣質(zhì)量，因此該方案成為行業(yè)內(nèi)現(xiàn)車整改首選方案。

4 防乳化方案驗證

為解決本城際地鐵項目的乳化問題，分別采用?2.2 mm、?2.5 mm干燥器節(jié)流栓進行實車驗證，根據(jù)統(tǒng)計，當采用?2.2 mm節(jié)流栓時，主供風(fēng)單元當日運轉(zhuǎn)率在18%左右，當節(jié)流栓孔徑達到2.5 mm時，運轉(zhuǎn)率提升至20%～23%之間，較整改前運轉(zhuǎn)率(9%)相比顯著提升。

圖8～9為本次整改車輛正線運營當日單次打風(fēng)時間統(tǒng)計，從中可以看出當節(jié)流栓孔徑為2.2 mm時，主供風(fēng)單元單次打風(fēng)時間在160 s左右，當節(jié)流栓孔徑提升至2.5 mm時，主供風(fēng)單元單次打風(fēng)時間提升至220 s，較整改前單次打風(fēng)時間(100 s)顯著提升。在一定時間段內(nèi)，單次打風(fēng)時間越長，油氣筒內(nèi)部油溫越高，越有利于壓縮產(chǎn)生的液態(tài)水及時排出，從為期1個月的油品跟蹤情況來看，節(jié)流栓整改車輛未再次發(fā)生潤滑油乳化問題。

圖8 ?2.2 mm節(jié)流栓單次打風(fēng)時間統(tǒng)計

圖9 ?2.5 mm節(jié)流栓單次打風(fēng)時間統(tǒng)計

綜上，本項目通過調(diào)整干燥器節(jié)流栓孔徑可顯著提升主供風(fēng)單元運轉(zhuǎn)率及單次打風(fēng)時間，有利于螺桿式壓縮機內(nèi)部油溫維持在較高溫度，解決了長期油溫過低導(dǎo)致的乳化問題。

5 總結(jié)

本文通過對城際列車螺桿式主供風(fēng)單元潤滑油乳化問題的分析，從設(shè)計源頭出發(fā)，系統(tǒng)性研究潤滑油乳化故障的影響及解決方案，通過地面試驗、實車跟蹤，確認了該優(yōu)化方案的有效性，對城際列車螺桿式主供風(fēng)單元的防乳化設(shè)計有較高參考價值。