地鐵電客車空壓機(jī)潤滑油乳化原因與改進(jìn)措施

張曉雨，郭正海，吳 亮，章 寧，曾廣才

（杭州地鐵運(yùn)營有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

杭州地鐵16 號線電客車制動系統(tǒng)采用S03T-N0.9A 螺桿式單級空壓機(jī)，每列電客車配置2 臺空壓機(jī)，分別安裝在MC 車上，每臺空壓機(jī)供風(fēng)量為750 L/min。2020 年5 月份開始，檢修人員日檢時發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)潤滑油乳化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。若空壓機(jī)潤滑油長期處于乳化狀態(tài)，潤滑油分子表面張力將會減小，潤滑、降噪效果下降，液態(tài)水抬升油氣筒內(nèi)油位浸沒油分芯，油氣分離效果變差，進(jìn)而增加電機(jī)轉(zhuǎn)子的磨損，縮短轉(zhuǎn)子壽命[1-2]。乳化嚴(yán)重時，引起空壓機(jī)負(fù)荷增大，空壓機(jī)斷路器斷開，若2 臺空壓機(jī)同時故障時，則需正線緊急救援，給地鐵安全運(yùn)營帶來極大的風(fēng)險[3]。

空壓機(jī)潤滑油乳化現(xiàn)象在國內(nèi)其他城市地鐵線路時有發(fā)生，因空壓機(jī)潤滑油乳化是相當(dāng)復(fù)雜的過程，不是簡單空壓機(jī)質(zhì)量問題，目前已成為地鐵運(yùn)營行業(yè)亟需解決的熱點(diǎn)問題[4]。本文以杭州地鐵16 號線空壓機(jī)潤滑油乳化問題為導(dǎo)向，分析空壓機(jī)工作環(huán)境和運(yùn)營故障數(shù)據(jù)，得出空壓機(jī)潤滑油乳化的根本原因，并通過增大雙塔干燥器中節(jié)流栓孔徑的技術(shù)手段，很大程度上緩解了潤滑油乳化情況，提高供風(fēng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)率，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 潤滑油乳化原因分析

1.1 供風(fēng)裝置工作原理

供風(fēng)裝置工作流程如圖1 所示，外界空氣通過空氣過濾器過濾后進(jìn)入螺桿式壓縮機(jī)，壓縮過程與潤滑油混合，壓縮完成后以油氣混合物形式進(jìn)入油氣分離罐，通過碰撞、離心旋流及重力作用實現(xiàn)油的粗濾，后由油氣筒濾芯（油分芯）的攔截、凝聚等作用實現(xiàn)精密細(xì)濾，濾出的油在壓力的作用下，通過二次回油管返回螺桿機(jī)頭[5]。

圖1 供風(fēng)裝置工作原理

分離后的壓縮空氣仍含有一定量的潤滑油，其經(jīng)冷卻器散熱后依次進(jìn)入氣水分離器和凝聚式過濾器，將壓縮空氣中的冷凝水、潤滑油及固體顆粒分離出來，通過排污電磁閥定時排出，最后進(jìn)入雙塔干燥器及后置過濾器對壓縮空氣進(jìn)行干燥及進(jìn)一步過濾，進(jìn)而保證供風(fēng)裝置出口空氣質(zhì)量等級滿足要求。

1.2 氣候條件

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(dāng)壓縮空氣溫度低于相對濕度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(diǎn)。壓力露點(diǎn)與壓縮的空氣壓縮比、吸氣濕度直接相關(guān)，通過理論計算，壓力露點(diǎn)與吸氣相對濕度關(guān)系如圖2 所示，供風(fēng)裝置吸氣相對濕度越大對應(yīng)壓力露點(diǎn)越高，壓縮空氣需在更高的溫度下才能夠析出液態(tài)水。

圖2 壓力露點(diǎn)與吸氣相對濕度關(guān)系

杭州地鐵16 號線多為高架線路，車輛運(yùn)行工況受當(dāng)?shù)靥鞖庥绊戄^大。每年6 月初，杭州臨安區(qū)已進(jìn)入梅雨季節(jié)，陰雨天氣居多，空氣濕度較大。長時間的持續(xù)雨天，會導(dǎo)致濕度很高的空氣進(jìn)入空壓機(jī)。為模擬16 號線供風(fēng)裝置實際運(yùn)轉(zhuǎn)率，將供風(fēng)裝置在實驗室條件下運(yùn)行，并對油溫進(jìn)行采集，觀察發(fā)現(xiàn)運(yùn)行3 h 后，油氣筒內(nèi)部最高油溫穩(wěn)定在60 ℃（圖3）。

圖3 模擬實際運(yùn)轉(zhuǎn)率試驗

此時，油氣筒內(nèi)部壓力約為9.5 bar（950 kPa），壓比為10.5，壓縮空氣相對濕度為100%，該條件下壓力露點(diǎn)約為68 ℃，而16 號線電客車供風(fēng)裝置油溫最高值僅能達(dá)到60 ℃。因此，在該運(yùn)轉(zhuǎn)率下油氣筒內(nèi)部會有較多液態(tài)水析出。

2 解決措施

空壓機(jī)潤滑油乳化現(xiàn)象根本原因，在于空壓機(jī)工作時潤滑油與液態(tài)水混合進(jìn)入空壓機(jī)，當(dāng)空壓機(jī)停止工作時，未蒸發(fā)排出的液態(tài)水與潤滑油形成上下分層，形成潤滑油乳化現(xiàn)象。油液分層現(xiàn)象為潤滑油乳化前期表征，一般可通過靜置、排水后連續(xù)運(yùn)行供風(fēng)裝置自行恢復(fù)，但地鐵運(yùn)營企業(yè)需投入更多的人力與物力，僅可作為臨時處理措施。

2.1 優(yōu)化方案

研究發(fā)現(xiàn)，增大雙塔干燥器中節(jié)流栓的孔徑，可以增大干燥塔的耗氣量，從而延長單次打風(fēng)時間，進(jìn)而提高油氣分離筒內(nèi)油溫，蒸發(fā)油氣筒內(nèi)的液態(tài)水。供風(fēng)裝置配置的雙塔干燥器，一個塔進(jìn)行壓縮空氣的干燥，另一塔進(jìn)行反吹再生，2 個塔切換周期為100 s，再生塔通過節(jié)流栓選取一定量的壓縮空氣對干燥塔進(jìn)行反吹（圖4）。再生塔的再生耗氣流量可用節(jié)流栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大節(jié)流栓孔徑可增大再生塔耗風(fēng)量，減少列車供風(fēng)量，從而增加壓縮機(jī)單次打風(fēng)工作時間，達(dá)到提升潤滑油油溫的效果。

圖4 雙塔干燥器氣路原理

表1 為不同節(jié)流栓對應(yīng)的風(fēng)源出口排量，分析數(shù)據(jù)可以看出，節(jié)流栓孔徑增大對風(fēng)源出口排量影響明顯。因此，結(jié)合實際運(yùn)轉(zhuǎn)工況選取合適的節(jié)流栓孔徑，可增大干燥器耗氣量，提高供風(fēng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)率。同時，干燥器反吹氣量增大也有利于干燥器分子篩再生完全，更利于風(fēng)源出口空氣的干燥。

表1 不同節(jié)流栓孔徑下干燥器耗氣量對比

2.2 試驗驗證

從16 號線電客車編組中，對4 列車供風(fēng)裝置進(jìn)行現(xiàn)車改造（每列1 臺），進(jìn)行庫內(nèi)試驗驗證（表2）。

表2 節(jié)流栓庫內(nèi)試驗記錄

根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，空壓機(jī)初充風(fēng)時間需小于等于15 min，技術(shù)人員對4 臺供風(fēng)裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行為期不低于1 個月的狀態(tài)跟蹤。對當(dāng)日上線的供風(fēng)裝置平均運(yùn)轉(zhuǎn)率、啟停次數(shù)、單次打風(fēng)時間（750～900 kPa）、輔助空壓機(jī)啟停次數(shù)進(jìn)行匯總與分析，結(jié)合電客車能耗與運(yùn)轉(zhuǎn)率等情況，確定了將干燥器節(jié)流栓孔徑調(diào)節(jié)至2.5 mm 的最優(yōu)方案。當(dāng)干燥器孔徑調(diào)整至2.5 mm 時，運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到30%，單次打風(fēng)時間及當(dāng)日運(yùn)轉(zhuǎn)率較整改前顯著提升。供風(fēng)裝置為連續(xù)工作制設(shè)計，當(dāng)日運(yùn)行時間不超過3 h，跟蹤期間輔助空壓機(jī)從未啟動，供風(fēng)量充足。另外，對空壓機(jī)潤滑油油品狀態(tài)跟蹤分析，結(jié)果表明采用提升供風(fēng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)率方案，潤滑油乳化問題顯著緩解（圖5）。

圖5 油品狀態(tài)跟蹤

通過對空壓機(jī)雙塔干燥器節(jié)流栓孔徑進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，空壓機(jī)潤滑油油品質(zhì)量有了明顯改善，杭州地鐵16 號線每年可節(jié)省人工耗時1050 h，節(jié)約由于乳化引起的潤滑油、易損易耗件更換約33 萬元左右，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的技術(shù)參考價值。

3 結(jié)論

杭州地鐵16 號線運(yùn)營初期，空壓機(jī)潤滑油乳化的問題給電客車的安全運(yùn)行帶來了極大隱患。本文從供風(fēng)裝置的工作原理、杭州臨安地區(qū)特殊的氣候條件，分析空壓機(jī)潤滑油乳化的原因，提出優(yōu)化空壓機(jī)雙塔干燥器節(jié)流栓孔徑的優(yōu)化方案。庫內(nèi)試驗表明，當(dāng)干燥器孔徑調(diào)整至2.5 mm 時，運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到30%，單次打風(fēng)時間及當(dāng)日運(yùn)轉(zhuǎn)率較整改前顯著提升，油品質(zhì)量有了明顯改善。