變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)機(jī)油乳化原因分析與改進(jìn)

□ 何明洋 □ 姜 葛 □ 張 斌

中車資陽機(jī)車有限公司 四川資陽 641301

1 存在的問題

目前,大部分軌道機(jī)車采用螺桿空壓機(jī)作為制動(dòng)風(fēng)源。螺桿空壓機(jī)可以為軌道機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)提供符合要求的干燥、潔凈壓縮空氣。變頻螺桿空壓機(jī)具有低能耗、低磨損、長(zhǎng)使用壽命等特點(diǎn),在軌道機(jī)車中逐漸被應(yīng)用。但是,許多軌道機(jī)車應(yīng)用的變頻螺桿空壓機(jī)在高溫、高濕度環(huán)境中相比常規(guī)空壓機(jī)更容易出現(xiàn)機(jī)油乳化現(xiàn)象。機(jī)油乳化會(huì)造成空壓機(jī)轉(zhuǎn)子等部件腐蝕、磨損,直至使空壓機(jī)報(bào)廢。另一方面,腐蝕物會(huì)隨壓縮空氣進(jìn)入制動(dòng)系統(tǒng)的閥類部件中,造成閥類部件因堵塞、卡滯而失效。因此,為更好地使用變頻螺桿空壓機(jī),需要查找變頻螺桿空壓機(jī)機(jī)油乳化的原因,并制訂相應(yīng)對(duì)策,解決機(jī)油乳化問題,保證軌道機(jī)車的正常狀態(tài),提高軌道機(jī)車運(yùn)行的安全性。

2 原因分析

在高溫、高濕度環(huán)境中,空壓機(jī)在吸氣時(shí)就已經(jīng)吸入相當(dāng)多的水分,經(jīng)過壓縮,如果排氣溫度低于露點(diǎn)溫度,就會(huì)有水析出。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2710.2—2015《機(jī)車、動(dòng)車組用空氣壓縮機(jī)組技術(shù)條件 第2部分:螺桿空氣壓縮機(jī)組》附錄A壓縮空氣露點(diǎn)溫度曲線圖,在吸氣溫度為35 ℃,相對(duì)濕度為100%,吸氣壓力為100 kPa,排氣壓力為1 000 kPa時(shí),露點(diǎn)溫度為85 ℃。如果空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油溫度高于85 ℃,那么油氣筒內(nèi)的壓縮空氣就不會(huì)有水析出,否則會(huì)有水析出。

軌道機(jī)車應(yīng)用變頻螺桿空壓機(jī)時(shí),在不同擋位工況下,變頻螺桿空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同。在不同轉(zhuǎn)速下,筆者對(duì)變頻螺桿空壓機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),并記錄機(jī)油溫度,結(jié)果見表1。試驗(yàn)時(shí),環(huán)境溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為72%。轉(zhuǎn)速為1 040 r/min時(shí),連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)35 min后,機(jī)油溫度上升至56 ℃。轉(zhuǎn)速為1 560 r/min時(shí),連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)35 min后,機(jī)油溫度上升至79 ℃。轉(zhuǎn)速為2 600 r/min時(shí),只需要1.5 min,機(jī)油溫度就上升至87 ℃?？梢?變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油溫度上升速度與轉(zhuǎn)速成正比,轉(zhuǎn)速越低,機(jī)油溫度上升速度越慢。

表1 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)油溫度

以泰國(guó)SDA4型軌道機(jī)車為例,對(duì)變頻螺桿空壓機(jī)工作情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)變頻螺桿空壓機(jī)80%的時(shí)間是工作在轉(zhuǎn)速1 560 r/min及以下。而實(shí)際工作中,變頻螺桿空壓機(jī)一直處于時(shí)啟時(shí)停的狀態(tài),因此變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油溫度升不起來。在實(shí)際運(yùn)用中,用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量變頻螺桿空壓機(jī)的油氣筒溫度,為65 ℃左右。變頻螺桿空壓機(jī)停止運(yùn)行后,冷空氣猛烈吹掃,油氣筒的溫度很快降為55 ℃。油氣筒內(nèi)壓縮空氣的實(shí)際溫度低于露點(diǎn)溫度,進(jìn)而使油氣筒內(nèi)的壓縮空氣有水析出,進(jìn)入變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油中,使機(jī)油發(fā)生乳化。

由此可見,變頻螺桿空壓機(jī)發(fā)生機(jī)油乳化的主要原因是變頻螺桿空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨軌道機(jī)車擋位變化,電機(jī)工作頻率低,轉(zhuǎn)速低,機(jī)油溫度上升速度慢,無法達(dá)到高溫、高濕度環(huán)境下的露點(diǎn)溫度。

3 改進(jìn)措施

在對(duì)變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)機(jī)油乳化原因分析的基礎(chǔ)上,筆者提出三項(xiàng)改進(jìn)措施。

3.1 提高溫控閥溫度

變頻螺桿空壓機(jī)溫控閥動(dòng)作值為83℃±5 K。當(dāng)機(jī)油溫度達(dá)到78 ℃時(shí),溫控閥開始打開,將機(jī)油送入冷卻器進(jìn)行冷卻。因變頻螺桿空壓機(jī)處于低轉(zhuǎn)速下工作,變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油升溫速度較慢,所以機(jī)油溫度很難提升到83 ℃以上。假設(shè)極端環(huán)境下的露點(diǎn)溫度為85 ℃,那么可以考慮將溫控閥動(dòng)作值提高到90 ℃±5 K。機(jī)油溫度高于85 ℃時(shí),溫控閥才打開,而在機(jī)油溫度低于85 ℃時(shí),機(jī)油不會(huì)進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷卻。由此可以使機(jī)油溫度快速升高到85 ℃,避免油氣筒內(nèi)的壓縮空氣有水析出,造成變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)機(jī)油乳化。

3.2 設(shè)置空載運(yùn)轉(zhuǎn)模式

在變頻螺桿空壓機(jī)進(jìn)氣閥處增加空載電磁閥,當(dāng)排氣壓力增大到設(shè)定值時(shí),空載電磁閥動(dòng)作,關(guān)閉變頻螺桿空壓機(jī)進(jìn)氣通道,內(nèi)部處于自循環(huán)狀態(tài),此時(shí)變頻螺桿空壓機(jī)不排出壓力空氣,變頻螺桿空壓機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)。在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)變頻螺桿空壓機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,變頻螺桿空壓機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)可以保持變頻螺桿空壓機(jī)機(jī)油溫度不降低,并使機(jī)油溫度緩慢上升,變頻螺桿空壓機(jī)轉(zhuǎn)速越快,機(jī)油溫度上升得越快。

3.3 油路改進(jìn)

變頻螺桿空壓機(jī)溫控閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)閥芯溫度超過動(dòng)作值時(shí),閥芯帶動(dòng)活塞下移,打開機(jī)油冷卻通路。由于活塞為運(yùn)動(dòng)件,活塞與閥體之間存在間隙,因此在機(jī)油溫度未達(dá)到溫控閥動(dòng)作值時(shí),仍然有少量機(jī)油通過間隙進(jìn)入散熱器,進(jìn)而減緩機(jī)油溫度的上升速度。由表1可以看出,在1 040 r/min轉(zhuǎn)速下,變頻螺桿空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)70 min,也只能使機(jī)油溫度上升到57 ℃。為此,筆者對(duì)變頻螺桿空壓機(jī)油路進(jìn)行改進(jìn),在溫控閥和散熱器之間的油路上增加單向閥,只有當(dāng)溫控閥動(dòng)作后才能依靠油壓打開單向閥,使機(jī)油進(jìn)入散熱器,在機(jī)油溫度未達(dá)到溫控閥動(dòng)作溫度時(shí),機(jī)油不會(huì)進(jìn)入冷卻器內(nèi)進(jìn)行冷卻,從而可以快速提高機(jī)油溫度。

表2 空載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)油溫度

圖1 溫控閥結(jié)構(gòu)

油路改進(jìn)后,進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),并記錄機(jī)油溫度,見表3。通過表3與表1對(duì)比,可以看出機(jī)油溫度提升效果非常明顯。

表3 油路改進(jìn)后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)油溫度

4 綜合改進(jìn)

為達(dá)到更好的改進(jìn)效果,在變頻螺桿空壓機(jī)上同時(shí)進(jìn)行溫控閥及油路改進(jìn),綜合改進(jìn)后進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),每隔3 min測(cè)試變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油溫度,結(jié)果見表4。

表4 綜合改進(jìn)后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)油溫度

通過數(shù)據(jù)對(duì)比,同時(shí)進(jìn)行溫控閥和油路改進(jìn),變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油溫度最高,效果最好,可以更好地防止變頻螺桿空壓機(jī)內(nèi)機(jī)油乳化。目前在泰國(guó)SDA4型軌道機(jī)車上實(shí)施綜合改進(jìn)后,已經(jīng)成功解決了機(jī)油乳化問題。

5 結(jié)束語

在軌道機(jī)車空壓機(jī)的選型和設(shè)計(jì)中,需要充分考慮環(huán)境條件、實(shí)際運(yùn)行工況及空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率等因素,選擇適合的空壓機(jī),并有針對(duì)性地進(jìn)行相關(guān)改進(jìn),以提高空壓機(jī)內(nèi)的機(jī)油抗乳化能力,盡可能避免機(jī)油乳化的情況發(fā)生,進(jìn)而提高空壓機(jī)的使用性能。