鄭許線空壓機控制原理介紹及潤滑油乳化研究

鄧騰飛 李豐恩 劉博

摘 要：【目的】由于目前處于地鐵調(diào)試及運營初期階段，車輛用風量較小，造成空壓機運轉(zhuǎn)率低，空壓機潤滑油內(nèi)的水分無法及時排出，導致潤滑油出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，影響空壓機的正常使用及壽命?？諌簷C作為車輛制動系統(tǒng)的風源，潤滑油乳化對車輛的制動性能造成安全隱患，因此需要對其加以研究?！痉椒ā客ㄟ^闡述鄭許線空壓機工作原理，分析空壓機潤滑油乳化原因，研究空壓機工作率調(diào)節(jié)裝置對預防空壓機潤滑油乳化的效果?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明：通過在車輛上設(shè)置空壓機工作率調(diào)節(jié)裝置，可有效提升空壓機的運轉(zhuǎn)率，及時排出潤滑油內(nèi)的水分，改善空壓機潤滑油乳化的情況，保證了車輛的用風可靠性?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為后續(xù)新造車輛或已運營車輛的供風系統(tǒng)改造提供參考。

關(guān)鍵詞：空壓機油；乳化；預防措施；運轉(zhuǎn)率

中圖分類號：U279? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1003-5168（2024）05-0019-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.004

Introduction of Control Principle of Air Compressor in Zhengxu Line and Research on Lubricating Oil Emulsification

DENG Tengfei LI Fengen LIU Bo（Zhengzhou Metro Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] Due to the small amount of air used by vehicles in the initial stage of subway commissioning and operation， the operation rate of air compressor is low， and the water in the lubricating oil of air compressor cannot be discharged in time， which is easy to lead to the emulsification of lubricating oil， thus affecting the normal use and life of air compressor. As air compressor is the air source of vehicle braking system， lubricating oil emulsification also causes security risks to vehicle braking performance.[Methods] This paper expounds the working principle of Zheng Xu line air compressor， analyzes the reasons for emulsification of air compressor oil， and studies the effect of air compressor operating rate adjustment device on preventing oil emulsification of air compressor.[Findings] The research results show that： by setting the air compressor working rate adjustment device on the vehicle， the operation rate of the air compressor can be effectively improved， the water in the lubricating oil is discharged in time， the emulsification of the air compressor lubricating oil is improved， and the reliability of the vehicle is guaranteed.[Conclusions] The research results can provide a reference for the subsequent reconstruction of the air supply system of newly built vehicles or existing vehicles.

Keywords：air compressor oil； emulsification； precautionary measures； operating rate

0 引言

目前地鐵車輛的供風設(shè)備大部分為油潤滑的空壓機，以鄭州地鐵鄭許線為例，車輛采用螺桿式空壓機。在調(diào)試及試運行階段，空壓機潤滑油時常出現(xiàn)輕微乳化的現(xiàn)象，影響車輛的運行安全，并且對車輛檢修造成較大隱患。正常情況下，空壓機運行時，潤滑油參與其中，起到潤滑、密封、散熱、防銹、降噪等重要作用。在空壓機運轉(zhuǎn)率較低且空氣濕度較大的情況下，空壓機的油氣筒中會凝結(jié)出大量的水?？諌簷C運轉(zhuǎn)時，在壓縮機體的排氣彎管噴出的高速氣體作用下，油氣筒內(nèi)的水分子和油分子充分相溶（攪拌作用），從而形成乳濁液，此現(xiàn)象稱為油乳化。通常情況下新線路出現(xiàn)油乳化概率較高，由于新線路客流量低，車輛用風量小，且空壓機的啟、停均根據(jù)總風壓力值進行設(shè)定，達不到啟動壓力時空壓機將不工作，導致空壓機運轉(zhuǎn)率較低，從而產(chǎn)生該現(xiàn)象。

本研究以鄭許線車輛螺桿式空壓機為研究對象，通過闡述空壓機的工作原理、啟?？刂品绞?，分析潤滑油乳化產(chǎn)生的原因及危害，提出預防空壓機潤滑油乳化的措施及優(yōu)化策略，從而提高空壓機的工作穩(wěn)定性，保證車輛制動系統(tǒng)的用風需求，提高車輛的運行安全性。

1 空壓機工作原理

鄭許線車輛應用的螺桿式空壓機型號為TSA-0.9ARLI，包含氣路系統(tǒng)和油路系統(tǒng)。

1.1 氣路系統(tǒng)原理

空氣通過位于空氣壓縮機體吸氣端的過濾器和進氣閥進入壓縮機體，經(jīng)過壓縮后，通過安裝在壓縮機體的出氣口壓入油氣筒。如果壓縮機在油氣筒內(nèi)為空載時啟動，壓力維持閥將保持閉合狀態(tài)，使油氣筒快速建立起壓力，為油路系統(tǒng)中潤滑油的循環(huán)提供動力。當油氣筒內(nèi)壓力約 600 kPa 時，壓力維持閥開啟，空氣經(jīng)過空氣凈化處理單元綜合處理后，進入車輛用風設(shè)備。當總風系統(tǒng)壓力達到停機壓力后，空壓機組停止運轉(zhuǎn)，壓力維持閥閉合，油氣筒壓力通過卸荷閥卸放，確保下次的正常啟動。

1.2 油路系統(tǒng)原理

油路系統(tǒng)由溫控閥、油冷卻器、油細分離器、油過濾器和油氣筒組成，包含主油路與輔助油路。

主油路?？諝鈮嚎s機啟動時，在壓力維持閥作用下，優(yōu)先建立潤滑油循環(huán)所需的壓力。當油溫較低時，溫控閥低溫通路打開，高溫通路關(guān)閉，潤滑油在壓縮機體吸氣端負壓的作用下，直接從油氣筒內(nèi)經(jīng)過油過濾器、溫控閥，通過壓縮機體吸氣端的噴油口進入機體內(nèi)，不經(jīng)過冷卻器冷卻， 此方式可幫助潤滑油的溫度快速上升至工作區(qū)間溫度。當油溫達到 87 ℃時，溫控閥高溫通路開啟，潤滑油經(jīng)過油過濾器進入溫控閥，經(jīng)過冷卻器冷卻后通過壓縮機體吸氣端的噴油口進入機體內(nèi)，然后隨壓縮空氣排到油氣室進行粗分，分出的潤滑油流回油氣筒。

輔助油路。含油的壓縮空氣經(jīng)油氣筒粗分后，進入油細分離器進行細分，聚集在其底部的少許潤滑油經(jīng)回油管、回油單向閥流回機體，經(jīng)壓縮機體排氣端返回油氣筒。為防止停機時壓縮機體內(nèi)壓力回流至油氣筒內(nèi)部，回油管路上添加了回油單向閥。從壓縮機體排氣端噴出的油-氣混合物的溫度由位于油氣筒一端的溫度保護開關(guān)監(jiān)控，當溫度達到溫度保護開關(guān)設(shè)定值時，溫度保護開關(guān)斷開從而使壓縮機停機［1］?？諌簷C示意如圖1所示。

2 空壓機啟動控制方式

控制空壓機的啟動方式主要分為網(wǎng)絡(luò)控制和硬線控制。網(wǎng)絡(luò)控制方式為主要控制方式，采用壓力傳感器來實現(xiàn)。當網(wǎng)絡(luò)控制方式出現(xiàn)故障時采用硬線控制方式。其中網(wǎng)絡(luò)控制方式是提前設(shè)定好壓力閾值來控制空壓機啟停；硬線控制方式則是手動直接控制空壓機啟停，無論當前的壓力值大?。?］。

鄭許線車輛根據(jù)制動系統(tǒng)用風量大小配置有兩臺空壓機保障列車各系統(tǒng)的用風需求，其目的一方面為冗余設(shè)計，保證列車的供風安全；另一方面則在極限用風時可提高打風能力。

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制

列車制動系統(tǒng)控制閥內(nèi)集成有壓力傳感器，對總風壓力值進行采集，經(jīng)過交換機傳送給列車TMCS系統(tǒng)的中央控制單元。當TMCS系統(tǒng)正常時，獲取總風壓力值后根據(jù)單、雙日判斷主、從空壓機，列車TMCS系統(tǒng)與制動系統(tǒng)接口如圖2所示。當總風壓力小于800 kPa時，TCMS控制主空壓機啟動，總風壓力大于950 kPa時停止；當主風壓力小于750 kPa時，TCMS控制兩臺空壓機同時啟動，主風壓力大于950 kPa時停止工作。

2.2? ? 硬線控制

當列車網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，通信中斷時，空壓機采用硬線控制方式，分為壓力開關(guān)控制和強迫泵風［3］。

2.2.1? ? 壓力開關(guān)控制。在每套風源系統(tǒng)的輸出口設(shè)置有1個壓力開關(guān)，用來檢測風管總風壓力值。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的情況下，空壓機在壓力開關(guān)控制的模式下工作，空壓機的啟動和停止受壓力開關(guān)的控制。當壓力低于700 kPa時，兩臺空壓機同時啟動，當打風至950 kPa時，空壓機自動停止工作?？諌簷C壓力開關(guān)控制氣路原理如圖3所示。

2.2.2? ? 強迫泵風?？諌簷C硬線控制電路中設(shè)置有三相電壓檢測繼電器、空壓機延時繼電器和主空壓機接觸器作為控制電路的控制和檢測點。此外司機室還設(shè)置了強迫泵風按鈕，串聯(lián)在控制電路中。當人工按下強迫泵風按鈕后，電路中相應的繼電器、接觸器得電動作，觸點閉合，電機得電啟動，進行空氣壓縮，不受風管內(nèi)總風壓力值的影響，可持續(xù)打風，直至松開強迫泵風按鈕為止。

3 潤滑油乳化原因分析

潤滑油乳化的最主要因素為空壓機內(nèi)部存在與潤滑油完全不相容的液體——水，只要減少潤滑油中的水分子含量則可極大程度降低潤滑油乳化的幾率。

馬格納斯公式為式（1）。

一方面，空壓機工作時，大氣中含有水分的空氣經(jīng)過灰塵過濾后從進氣口吸入空壓機油氣筒內(nèi)進行壓縮。在空氣壓縮的過程中，空氣密度增加使壓力上升， 空氣的溫度也相應上升， 此時空氣中所含總水量已經(jīng)遠大于當時壓縮空氣所對應的飽和濕空氣含水量， 導致部分水分以液態(tài)水形式存在壓縮空氣中。由于車輛調(diào)試期和初期運營階段，車輛用風量少，空壓機運轉(zhuǎn)率較低，導致該部分水無法及時排出，長時間存在于空壓機內(nèi)，與潤滑油混合但不相容造成空壓機油乳化現(xiàn)象。

另一方面，空壓機組單次啟動時間短、頻率低，其排氣溫度未能達到壓縮空氣露點溫度或無法長時間維持在壓縮空氣露點溫度以上，使油氣筒內(nèi)部的壓縮空氣中所含的水蒸氣凝結(jié)，析出液態(tài)水與潤滑油混合，導致潤滑油乳化現(xiàn)象發(fā)生。

4 潤滑油乳化的危害

潤滑油乳化后，會造成油品老化，降低油品本身的抗水性和抗乳化性。潤滑油發(fā)生乳化后可能產(chǎn)生的危害如下：①潤滑油如果發(fā)生乳化現(xiàn)象，油水混合分子的黏度相對油分子的黏度較低，因此油水混合分子在穿過油細分離器濾材小孔時，其吸附性相對降低而流速相對提高，導致油水混合分子中存在的油不能被濾材充分攔截，最終造成空壓機排氣含油量超標。②潤滑油如果發(fā)生乳化現(xiàn)象，油氣筒內(nèi)會慢慢積聚更多的水分，使螺桿機頭轉(zhuǎn)子、軸承等部件發(fā)生銹蝕，嚴重時會發(fā)生螺桿機頭卡死，且大都不具有修復性，進而導致嚴重的經(jīng)濟損失。③潤滑油如果發(fā)生乳化現(xiàn)象，空壓機必然會產(chǎn)生排氣含油增多問題，主供風單元內(nèi)的過濾元件，如油細分離器、凝聚過濾器、顆粒過濾器、干燥劑及精密過濾器等都會受到不可逆的潤滑油侵染，甚至主供風單元下游制動系統(tǒng)部件也會受到潤滑油的侵染，進而導致嚴重的經(jīng)濟損失及安全隱患。

目前對于空壓機潤滑油乳化問題主要采取預防為主的策略。常用手段為檢修人員通過視油鏡目視觀察潤滑油的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)乳化現(xiàn)象及時通過人工對空壓機進行強制打風，提高空壓機的工作效率。但該方法對人員的技能、潤滑油的檢查頻率要求較高，且只是被動地發(fā)現(xiàn)、解決乳化現(xiàn)象，無法從根本上進行預防和改善。

5 應對策略

根據(jù)以上分析，鄭許線車輛上設(shè)置有兩套自主提高空壓機工作效率的空壓機工作率的調(diào)節(jié)裝置，分別位于兩個Mp車之間，與總風管連接。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)指令執(zhí)行開啟和關(guān)斷動作，用于控制總風管壓力的排風，將空壓機運轉(zhuǎn)率提高至30%，以達到預防空壓機潤滑油乳化的目的。

5.1 工作率調(diào)節(jié)裝置的應用

5.1.1 工作原理。工作率調(diào)節(jié)裝置由截斷塞門、電磁閥、溢流閥、可調(diào)節(jié)流孔、消音器組成，可有效防止油乳化的發(fā)生。截斷塞門用于故障或檢修時隔離氣路；溢流閥的設(shè)置是為了保證車輛總風管路的正常耗風，避免由于電磁閥故障而導致總風一直處于泄露狀態(tài)。額定開啟壓力為（790±20）kPa，關(guān)閉壓力不低于700 kPa，電磁閥受控于CCU，滿足條件后即可打開氣路［5］。工作率調(diào)節(jié)裝置的工作原理如圖4所示。

5.1.2 控制邏輯。列車通電上高壓后第一次啟動空壓機的時間為T1，網(wǎng)絡(luò)計算當前時間T4到T1之間的空壓機運轉(zhuǎn)率μ。若運轉(zhuǎn)率低于30%，同時列車的總風壓力≥780 kPa時，TCMS持續(xù)激活電磁閥，通過調(diào)節(jié)裝置向空氣中排氣，將總風壓力降至800 kPa以下，當日的主空壓機啟動打風；當總風壓力低于780 kPa時或TCMS計算空壓機的工作率不低于30%時，TCMS關(guān)閉電磁閥，進行下一個計算周期。

5.2 改善效果

工作率調(diào)節(jié)裝置投入使用后潤滑油乳化情況有明顯改善，基本沒有出現(xiàn)潤滑油乳化的現(xiàn)象。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)大部分地鐵線路在調(diào)試階段或運營初期用風量較小，空壓機運轉(zhuǎn)率低于30%，空壓機油乳化問題成為普遍現(xiàn)象，若未及時發(fā)現(xiàn)潤滑油乳化問題則會增加空壓機故障的概率，影響列車運營安全?？諌簷C運轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)裝置通過車輛CCU控制開啟，通過CCU和溢流閥控制關(guān)閉，不僅實現(xiàn)自主提高空壓機工作效率達到預防潤滑油乳化的目的，而且保證車輛的正常用風，確保了車輛運行安全。但導致潤滑油乳化的因素較為復雜，后續(xù)還需持續(xù)跟進、觀察，檢修過程中還要重點關(guān)注空壓機的狀態(tài)，以便確保車輛安全運行。

參考文獻：

［1］石家莊嘉祥精密機械有限公司.TSA-0.9ARLI螺桿式空壓機使用維護說明［Z］.2021.

［2］陳磊，王東星，楊萬坤，等.軌道車輛空壓機油乳化分析［J］.鐵通車輛，2022，60（5）：101-104.

［3］張姍，王碩.地鐵車輛空壓機組成及控制邏輯［J］.技術(shù)與市場，2021，28（1）：90-91.

［4］王勇權(quán).東莞地鐵2號線空壓機油乳化問題研究［J］.鐵道運營技術(shù)，2023，29（2）：40-42.

［5］中車青島四方機車車輛股份有限公司.鄭州機場至許昌市域鐵路工程車輛制動技術(shù)規(guī)格書［Z］.2021.