軌道車輛空壓機(jī)油乳化分析

陳 磊，王東星，楊萬(wàn)坤，劉中華，梁建全，張海鵬

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081；3.北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100081)

由于空氣具有取之不盡、干凈、可壓縮性好、傳輸方便等特性，空壓機(jī)采用空氣作為壓縮介質(zhì)，再經(jīng)過(guò)后續(xù)的濾塵、除水、去油等多級(jí)過(guò)濾，生成潔凈干燥的壓縮空氣，供給車輛制動(dòng)系統(tǒng)及其他耗風(fēng)設(shè)備用風(fēng)。目前國(guó)內(nèi)軌道車輛使用的空壓機(jī)一般分為油潤(rùn)滑空壓機(jī)和無(wú)油空壓機(jī)，無(wú)油空壓機(jī)由于制造成本高等原因，在軌道車輛上使用范圍較少，因此油潤(rùn)滑空壓機(jī)在軌道車輛上占據(jù)大部分市場(chǎng)，但隨之而來(lái)的就是油潤(rùn)滑空壓機(jī)的油乳化問(wèn)題。

空壓機(jī)油乳化現(xiàn)象一般在新開(kāi)通的線路上出現(xiàn)的幾率比較大，新開(kāi)通的線路由于客流量較少或者用戶出于遠(yuǎn)期擴(kuò)編考慮，在新造車輛上配置大流量的空壓機(jī)，導(dǎo)致整車的用風(fēng)量較少，空壓機(jī)工作時(shí)間短，從而產(chǎn)生油乳化現(xiàn)象。如果不及時(shí)處理油乳化現(xiàn)象，將導(dǎo)致潤(rùn)滑油品質(zhì)下降，影響對(duì)空壓機(jī)的潤(rùn)滑效果，最終影響到空壓機(jī)的使用。

1 空壓機(jī)的工作控制方式

一般來(lái)說(shuō)，在1列編組列車上會(huì)配置2臺(tái)空壓機(jī)，對(duì)于長(zhǎng)編組列車可能會(huì)配置4臺(tái)空壓機(jī)，其目的一是保證冗余備份作用，保證部分空壓機(jī)即使因故障不能工作，整車用風(fēng)仍然不受影響；二是在極限工況下能夠快速提供壓縮空氣，使列車盡快恢復(fù)運(yùn)營(yíng)。目前國(guó)內(nèi)軌道車輛一般采用壓力傳感器、壓力開(kāi)關(guān)以及硬線等方式對(duì)空壓機(jī)的啟停進(jìn)行控制，其中壓力傳感器、壓力開(kāi)關(guān)方式是設(shè)定好壓力閾值，從而控制空壓機(jī)啟停，硬線方式則是不管當(dāng)前的壓力值大小，直接手動(dòng)控制空壓機(jī)啟停。

1.1 壓力傳感器方式

在總風(fēng)管路上安裝壓力傳感器，負(fù)責(zé)采集當(dāng)前的管路壓力并傳送給中央控制單元(CCU)或制動(dòng)控制單元(BCU)，由CCU或BCU根據(jù)當(dāng)前的管路壓力判定是否啟動(dòng)空壓機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，1列編組列車上的多臺(tái)空壓機(jī)，會(huì)由CCU或BCU從邏輯上區(qū)分出主從空壓機(jī)。在列車正常工作耗風(fēng)時(shí)，會(huì)優(yōu)先啟動(dòng)主空壓機(jī)，在列車耗風(fēng)較大時(shí)，會(huì)控制主從空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，保證車輛的用風(fēng)。

1.2 壓力開(kāi)關(guān)方式

1.3 硬線方式

在司機(jī)室內(nèi)設(shè)置1個(gè)按鈕，并串聯(lián)到空壓機(jī)啟動(dòng)的控制電路。當(dāng)人工按下該按鈕時(shí)，會(huì)啟動(dòng)全列的空壓機(jī)，直至人工復(fù)位該按鈕后，全列的空壓機(jī)停止運(yùn)行。采用硬線方式控制時(shí)，不需要考慮當(dāng)前總風(fēng)管路的壓力值大小，完全由人工通過(guò)觀察司機(jī)室內(nèi)的總風(fēng)壓力表來(lái)控制全列的空壓機(jī)啟停。

2 空壓機(jī)油乳化的原因

空壓機(jī)在工作過(guò)程中通過(guò)一系列動(dòng)作使氣缸內(nèi)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，從而使外界空氣通過(guò)吸氣口及空氣過(guò)濾器而被吸入空壓機(jī)內(nèi)部氣缸，再通過(guò)一定的運(yùn)動(dòng)使空氣進(jìn)行壓縮。在空氣壓縮的過(guò)程中，除了空氣密度增加而使壓力上升外，空氣的溫度也會(huì)相應(yīng)上升，此時(shí)空氣中所含總水量已經(jīng)遠(yuǎn)大于當(dāng)時(shí)壓縮空氣所對(duì)應(yīng)的飽和濕空氣含水量，也就是有一部分水以液態(tài)水形式存在壓縮空氣中，以圖1活塞式空壓機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。

活塞式空壓機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)采用飛濺式潤(rùn)滑。飛濺式潤(rùn)滑是在連桿大頭下端裝設(shè)撥桿，利用運(yùn)動(dòng)零件的機(jī)械作用，將潤(rùn)滑油送至活塞與氣缸的間隙和軸端的摩擦表面，增強(qiáng)密封作用，同時(shí)降低壓縮機(jī)的摩擦功、摩擦熱和零件的磨損，提高空氣壓縮機(jī)的機(jī)械效率[1]。

如果活塞與氣缸間的密封環(huán)受損，或者潤(rùn)滑油的密封效果相對(duì)較差，則氣缸內(nèi)的液態(tài)水將在壓縮空氣作用下部分滲漏進(jìn)入空壓機(jī)曲軸箱。在曲軸箱內(nèi)的少量液態(tài)水可以在空壓機(jī)工作過(guò)程中被蒸發(fā)掉，其前提是少量的液態(tài)水及一定的潤(rùn)滑油溫。如果空壓機(jī)負(fù)荷率較低，則油溫不能持續(xù)上升，將形成較多的水積聚在曲軸箱中，則會(huì)形成油乳化現(xiàn)象。

圖1 活塞式空壓機(jī)內(nèi)部示意圖

3 改善空壓機(jī)油乳化的建議措施

空壓機(jī)油乳化產(chǎn)生的主要原因是潤(rùn)滑油中含水量過(guò)高，而水分未能及時(shí)排出，一段時(shí)間后導(dǎo)致油品發(fā)生乳化。解決油乳化的關(guān)鍵是提高空壓機(jī)的工作率，使空壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，提高潤(rùn)滑油的油溫，從而使液態(tài)水蒸發(fā)成氣體，并通過(guò)排氣孔排泄出去。通常來(lái)說(shuō)，空壓機(jī)的工作率大于30%可避免空壓機(jī)的油乳化[2-3]。本文介紹的以下幾種方式可以有效提高空壓機(jī)的工作率，從而避免油乳化現(xiàn)象。

3.1 再生孔調(diào)節(jié)

一般來(lái)說(shuō)空壓機(jī)會(huì)配置干燥器用于對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥處理，進(jìn)一步降低壓縮空氣中的水含量。采用的干燥器均為再生方式，即空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣中的一小部分經(jīng)再生孔對(duì)干燥器進(jìn)行再生處理(將干燥器中干燥劑所吸附的水分子用壓縮空氣吹出)，而這一小部分壓縮空氣可以通過(guò)再生孔的孔徑來(lái)控制流量大小。以圖2的雙塔干燥器為例進(jìn)行說(shuō)明。

通過(guò)擴(kuò)大再生孔的孔徑，增大再生壓縮空氣的流量，該方案產(chǎn)生的直接影響是空壓機(jī)的凈排量減小，使空壓機(jī)的工作時(shí)間變長(zhǎng)，從而可以提高潤(rùn)滑油的溫度，有利于液態(tài)水蒸發(fā)[4]。

在線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)初期，車輛耗風(fēng)較少時(shí)，可以采用該方案避免油乳化現(xiàn)象。但是對(duì)于再生孔孔徑的調(diào)節(jié)，需要經(jīng)過(guò)實(shí)際車輛運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證才能確定方案是否合理。在后期正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，則需要再次調(diào)整再生孔孔徑，保證車輛的正常用風(fēng)。

目前，PLC技術(shù)早已經(jīng)被普遍使用在了電氣工程及其自動(dòng)化當(dāng)中，其在很大程度上改變了常規(guī)的生產(chǎn)方式。為了能夠更好的達(dá)到電氣工程發(fā)展過(guò)程當(dāng)中所提出的相關(guān)要求，企業(yè)通過(guò)應(yīng)用PLC技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)整，能夠更快實(shí)現(xiàn)電氣工程及其自動(dòng)化的控制。而在具體的使用過(guò)程當(dāng)中，基于PLC技術(shù)的軟繼電器還能夠完全替代相應(yīng)的實(shí)物元件，這樣便可以讓電氣系統(tǒng)具備更高的安全性和可靠性。所以說(shuō)，PLC技術(shù)不僅在現(xiàn)階段起到了極大的作用，同時(shí)在今后也有著極大的發(fā)展空間。

圖2 雙塔干燥器

3.2 排風(fēng)裝置方案

在車輛總風(fēng)管路中連接1個(gè)排風(fēng)裝置模塊，并設(shè)定相關(guān)控制邏輯，使排風(fēng)裝置進(jìn)行排風(fēng)，延長(zhǎng)空壓機(jī)的工作時(shí)間。排風(fēng)裝置的原理如圖3所示。

A1、A2、A3.進(jìn)氣口、出氣口、排風(fēng)口。

排風(fēng)裝置中的截?cái)嗳T(mén)可以用于故障或檢修時(shí)隔離氣路；溢流閥的設(shè)置是為了保證車輛總風(fēng)管路的正常耗風(fēng)，避免由于電磁閥故障導(dǎo)致總風(fēng)一直處于泄露狀態(tài)；調(diào)節(jié)閥可以調(diào)整孔徑，用以控制壓縮空氣的流量。電磁閥受控于CCU或者BCU，在滿足相應(yīng)的條件后即可打開(kāi)氣路。

考慮到線路開(kāi)通初期每輛車的運(yùn)營(yíng)情況以及客流高峰時(shí)段，因此在正線運(yùn)營(yíng)期間可分3個(gè)時(shí)間段對(duì)車輛總風(fēng)管路進(jìn)行排風(fēng)，具體的設(shè)定邏輯參考如下：

(1) 每天10～11點(diǎn)之間、15～16點(diǎn)之間、20～21點(diǎn)之間；

(2) 總風(fēng)壓力大于一定值；

(3) 空壓機(jī)處于工作狀態(tài)。

只有同時(shí)滿足上述3個(gè)條件，電磁閥才能得電并持續(xù)30 min，對(duì)總風(fēng)管路進(jìn)行排風(fēng)。在排風(fēng)裝置工作期間，空壓機(jī)的啟?？刂七壿嫴蛔?。

3.3 溫度控制方案

在空壓機(jī)油箱中設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的溫度，從而根據(jù)油溫來(lái)控制空壓機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，最終提升油溫使水分蒸發(fā)出去。以某地區(qū)為例，夏季氣溫30 ℃，大氣相對(duì)濕度為75%，查閱表1，在氣溫30 ℃的情況下，飽和空氣水分含量為30.38 g/m3，那么大氣相對(duì)濕度75%情況的飽和空氣水分含量為30.38×0.75=22.785(g/m3)。

表1 大氣露點(diǎn)-水分含量關(guān)系表(飽和空氣)

根據(jù)表1，可以得出空氣水分含量在22.785 g/m3對(duì)應(yīng)的大氣露點(diǎn)溫度為25 ℃，同時(shí)假設(shè)空壓機(jī)排出的絕對(duì)壓力為1.0 MPa，再根據(jù)圖4(大氣露點(diǎn)-壓力露點(diǎn)對(duì)照?qǐng)D)，根據(jù)露點(diǎn)溫度25 ℃得出1.0 MPa的壓力露點(diǎn)溫度為65 ℃左右[5]。

圖4 大氣露點(diǎn)-壓力露點(diǎn)對(duì)照?qǐng)D

因此當(dāng)空壓機(jī)油箱內(nèi)的溫度低于65 ℃時(shí)，就會(huì)有冷凝水析出，混合到潤(rùn)滑油中，造成油乳化現(xiàn)象。此時(shí)列車控制系統(tǒng)可以控制空壓機(jī)進(jìn)行空轉(zhuǎn)，即無(wú)壓縮空氣排出，提高潤(rùn)滑油溫度高于65 ℃，從而使水分蒸發(fā)出去。

3.4 工作率控制方案

采用工作率的控制方案針對(duì)現(xiàn)車不用安裝額外的設(shè)備，基于現(xiàn)有的空壓機(jī)設(shè)備設(shè)定相關(guān)控制邏輯，可以有效避免油乳化現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)空壓機(jī)在給車輛進(jìn)行供風(fēng)時(shí)，都會(huì)在管路中設(shè)置壓力傳感器或壓力開(kāi)關(guān)，用以控制空壓機(jī)的啟動(dòng)，同時(shí)在管路中設(shè)置安全閥，避免管路中壓力過(guò)高，如圖5所示。

A01.空壓機(jī)；A02.軟管；A03/A11.安全閥；A04.雙塔干燥器；A05.過(guò)濾器。

在車輛開(kāi)始運(yùn)營(yíng)時(shí)，列車控制系統(tǒng)首先采集空壓機(jī)的數(shù)量，同時(shí)讓所有空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，使總風(fēng)壓力迅速達(dá)到停機(jī)閾值，在此過(guò)程中，控制系統(tǒng)對(duì)所有空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。隨著車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中總風(fēng)壓力降低到啟動(dòng)第一閾值時(shí)，啟動(dòng)主空壓機(jī)，同時(shí)對(duì)主空壓機(jī)進(jìn)行運(yùn)行計(jì)時(shí)，直至總風(fēng)壓力達(dá)到停機(jī)閾值。因此根據(jù)主空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間以及停機(jī)時(shí)間，即可得出主空壓機(jī)當(dāng)前的工作率。在此過(guò)程中，對(duì)于主從空壓機(jī)的設(shè)定以及啟停均與常用設(shè)定一致，不需要額外進(jìn)行邏輯控制。

在車輛到達(dá)終點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)計(jì)算主從空壓機(jī)的工作率是否大于30%，如果低于30%，則控制該空壓機(jī)啟動(dòng)，即使總風(fēng)壓力達(dá)到停止閾值，也不會(huì)讓空壓機(jī)停機(jī)。相應(yīng)地此時(shí)控制系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器監(jiān)控總風(fēng)壓力達(dá)到安全閥的開(kāi)啟閾值時(shí)，總風(fēng)壓力是否會(huì)迅速下降，如果壓力未下降，則列車控制系統(tǒng)停止空壓機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)向司機(jī)報(bào)出安全閥的故障；如果安全閥功能正常，那么在安全閥連續(xù)動(dòng)作2或3次以后，無(wú)論該臺(tái)空壓機(jī)的工作率是否達(dá)到閾值，都將停止空壓機(jī)的運(yùn)行。在車輛下一次運(yùn)行時(shí)，同樣執(zhí)行上述動(dòng)作，從而保證空壓機(jī)的工作率≥30%。

4 結(jié)論

空壓機(jī)油乳化現(xiàn)象在新開(kāi)通的線路逐漸成為常見(jiàn)問(wèn)題，部分輕微的油乳化現(xiàn)象可以通過(guò)強(qiáng)制空壓機(jī)工作等手段，使?jié)櫥突謴?fù)正常，而對(duì)于嚴(yán)重的油乳化現(xiàn)象，只能更換空壓機(jī)潤(rùn)滑油，這樣的結(jié)果一是增加了維護(hù)成本，二是廢棄的潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此在方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮到油乳化的問(wèn)題，并提前做出相應(yīng)的解決對(duì)策。本文分析了空壓機(jī)工作的控制方式，油乳化產(chǎn)生的原因，并提出了相關(guān)的解決對(duì)策，可以為后續(xù)的空壓機(jī)方案設(shè)計(jì)提供一定的參考。