鄭許線空壓機(jī)控制原理介紹及潤(rùn)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(yùn)營(yíng)初期階段，車輛用風(fēng)量較小，造成空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率低，空壓機(jī)潤(rùn)滑油內(nèi)的水分無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致潤(rùn)滑油出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，影響空壓機(jī)的正常使用及壽命?？諌簷C(jī)作為車輛制動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)源，潤(rùn)滑油乳化對(duì)車輛的制動(dòng)性能造成安全隱患，因此需要對(duì)其加以研究。【方法】通過(guò)闡述鄭許線空壓機(jī)工作原理，分析空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化原因，研究空壓機(jī)工作率調(diào)節(jié)裝置對(duì)預(yù)防空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化的效果?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明：通過(guò)在車輛上設(shè)置空壓機(jī)工作率調(diào)節(jié)裝置，可有效提升空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，及時(shí)排出潤(rùn)滑油內(nèi)的水分，改善空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化的情況，保證了車輛的用風(fēng)可靠性?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為后續(xù)新造車輛或已運(yùn)營(yíng)車輛的供風(fēng)系統(tǒng)改造提供參考。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)油；乳化；預(yù)防措施；運(yùn)轉(zhuǎn)率

中圖分類號(hào)：U279? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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(fēng)設(shè)備大部分為油潤(rùn)滑的空壓機(jī)，以鄭州地鐵鄭許線為例，車輛采用螺桿式空壓機(jī)。在調(diào)試及試運(yùn)行階段，空壓機(jī)潤(rùn)滑油時(shí)常出現(xiàn)輕微乳化的現(xiàn)象，影響車輛的運(yùn)行安全，并且對(duì)車輛檢修造成較大隱患。正常情況下，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油參與其中，起到潤(rùn)滑、密封、散熱、防銹、降噪等重要作用。在空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率較低且空氣濕度較大的情況下，空壓機(jī)的油氣筒中會(huì)凝結(jié)出大量的水?？諌簷C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在壓縮機(jī)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(fēng)量小，且空壓機(jī)的啟、停均根據(jù)總風(fēng)壓力值進(jìn)行設(shè)定，達(dá)不到啟動(dòng)壓力時(shí)空壓機(jī)將不工作，導(dǎo)致空壓機(jī)運(yùn)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(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)闡述空壓機(jī)的工作原理、啟?？刂品绞?，分析潤(rùn)滑油乳化產(chǎn)生的原因及危害，提出預(yù)防空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化的措施及優(yōu)化策略，從而提高空壓機(jī)的工作穩(wěn)定性，保證車輛制動(dòng)系統(tǒng)的用風(fēng)需求，提高車輛的運(yùn)行安全性。

1 空壓機(jī)工作原理

鄭許線車輛應(yīng)用的螺桿式空壓機(jī)型號(hào)為T(mén)SA-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(guò)位于空氣壓縮機(jī)體吸氣端的過(guò)濾器和進(jìn)氣閥進(jìn)入壓縮機(jī)體，經(jīng)過(guò)壓縮后，通過(guò)安裝在壓縮機(jī)體的出氣口壓入油氣筒。如果壓縮機(jī)在油氣筒內(nèi)為空載時(shí)啟動(dòng)，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(rùn)滑油的循環(huán)提供動(dòng)力。當(dāng)油氣筒內(nèi)壓力約 600 kPa 時(shí)，壓力維持閥開(kāi)啟，空氣經(jīng)過(guò)空氣凈化處理單元綜合處理后，進(jìn)入車輛用風(fēng)設(shè)備。當(dāng)總風(fēng)系統(tǒng)壓力達(dá)到停機(jī)壓力后，空壓機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力維持閥閉合，油氣筒壓力通過(guò)卸荷閥卸放，確保下次的正常啟動(dòng)。

1.2 油路系統(tǒng)原理

油路系統(tǒng)由溫控閥、油冷卻器、油細(xì)分離器、油過(guò)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(jī)啟動(dòng)時(shí)，在壓力維持閥作用下，優(yōu)先建立潤(rùn)滑油循環(huán)所需的壓力。當(dāng)油溫較低時(shí)，溫控閥低溫通路打開(kāi)，高溫通路關(guān)閉，潤(rùn)滑油在壓縮機(jī)體吸氣端負(fù)壓的作用下，直接從油氣筒內(nèi)經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器、溫控閥，通過(guò)壓縮機(jī)體吸氣端的噴油口進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，不經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻， 此方式可幫助潤(rùn)滑油的溫度快速上升至工作區(qū)間溫度。當(dāng)油溫達(dá)到 87 ℃時(shí)，溫控閥高溫通路開(kāi)啟，潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器進(jìn)入溫控閥，經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻后通過(guò)壓縮機(jī)體吸氣端的噴油口進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，然后隨壓縮空氣排到油氣室進(jìn)行粗分，分出的潤(rùn)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(jìn)入油細(xì)分離器進(jìn)行細(xì)分，聚集在其底部的少許潤(rùn)滑油經(jīng)回油管、回油單向閥流回機(jī)體，經(jīng)壓縮機(jī)體排氣端返回油氣筒。為防止停機(jī)時(shí)壓縮機(jī)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(jī)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(hù)開(kāi)關(guān)監(jiān)控，當(dāng)溫度達(dá)到溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)定值時(shí)，溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)從而使壓縮機(jī)停機(jī)［1］?？諌簷C(jī)示意如圖1所示。

2 空壓機(jī)啟動(dòng)控制方式

控制空壓機(jī)的啟動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制方式出現(xiàn)故障時(shí)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(lái)控制空壓機(jī)啟停；硬線控制方式則是手動(dòng)直接控制空壓機(jī)啟停，無(wú)論當(dāng)前的壓力值大?。?］。

鄭許線車輛根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)用風(fēng)量大小配置有兩臺(tái)空壓機(jī)保障列車各系統(tǒng)的用風(fēng)需求，其目的一方面為冗余設(shè)計(jì)，保證列車的供風(fēng)安全；另一方面則在極限用風(fēng)時(shí)可提高打風(fēng)能力。

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制

列車制動(dòng)系統(tǒng)控制閥內(nèi)集成有壓力傳感器，對(duì)總風(fēng)壓力值進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)交換機(jī)傳送給列車TMCS系統(tǒng)的中央控制單元。當(dāng)TMCS系統(tǒng)正常時(shí)，獲取總風(fēng)壓力值后根據(jù)單、雙日判斷主、從空壓機(jī)，列車TMCS系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)接口如圖2所示。當(dāng)總風(fēng)壓力小于800 kPa時(shí)，TCMS控制主空壓機(jī)啟動(dòng)，總風(fēng)壓力大于950 kPa時(shí)停止；當(dāng)主風(fēng)壓力小于750 kPa時(shí)，TCMS控制兩臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，主風(fēng)壓力大于950 kPa時(shí)停止工作。

2.2? ? 硬線控制

當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，通信中斷時(shí)，空壓機(jī)采用硬線控制方式，分為壓力開(kāi)關(guān)控制和強(qiáng)迫泵風(fēng)［3］。

2.2.1? ? 壓力開(kāi)關(guān)控制。在每套風(fēng)源系統(tǒng)的輸出口設(shè)置有1個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，用來(lái)檢測(cè)風(fēng)管總風(fēng)壓力值。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的情況下，空壓機(jī)在壓力開(kāi)關(guān)控制的模式下工作，空壓機(jī)的啟動(dòng)和停止受壓力開(kāi)關(guān)的控制。當(dāng)壓力低于700 kPa時(shí)，兩臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)打風(fēng)至950 kPa時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)停止工作?？諌簷C(jī)壓力開(kāi)關(guān)控制氣路原理如圖3所示。

2.2.2? ? 強(qiáng)迫泵風(fēng)。空壓機(jī)硬線控制電路中設(shè)置有三相電壓檢測(cè)繼電器、空壓機(jī)延時(shí)繼電器和主空壓機(jī)接觸器作為控制電路的控制和檢測(cè)點(diǎn)。此外司機(jī)室還設(shè)置了強(qiáng)迫泵風(fēng)按鈕，串聯(lián)在控制電路中。當(dāng)人工按下強(qiáng)迫泵風(fēng)按鈕后，電路中相應(yīng)的繼電器、接觸器得電動(dòng)作，觸點(diǎn)閉合，電機(jī)得電啟動(dòng)，進(jìn)行空氣壓縮，不受風(fēng)管內(nèi)總風(fēng)壓力值的影響，可持續(xù)打風(fēng)，直至松開(kāi)強(qiáng)迫泵風(fēng)按鈕為止。

3 潤(rùn)滑油乳化原因分析

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

馬格納斯公式為式（1）。

一方面，空壓機(jī)工作時(shí)，大氣中含有水分的空氣經(jīng)過(guò)灰塵過(guò)濾后從進(jìn)氣口吸入空壓機(jī)油氣筒內(nèi)進(jìn)行壓縮。在空氣壓縮的過(guò)程中，空氣密度增加使壓力上升， 空氣的溫度也相應(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， 導(dǎo)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(yùn)營(yíng)階段，車輛用風(fēng)量少，空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率較低，導(dǎo)致該部分水無(wú)法及時(shí)排出，長(zhǎng)時(shí)間存在于空壓機(jī)內(nèi)，與潤(rùn)滑油混合但不相容造成空壓機(jī)油乳化現(xiàn)象。

另一方面，空壓機(jī)組單次啟動(dòng)時(shí)間短、頻率低，其排氣溫度未能達(dá)到壓縮空氣露點(diǎn)溫度或無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持在壓縮空氣露點(diǎn)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(rùn)滑油混合，導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化現(xiàn)象發(fā)生。

4 潤(rùn)滑油乳化的危害

潤(rùn)滑油乳化后，會(huì)造成油品老化，降低油品本身的抗水性和抗乳化性。潤(rùn)滑油發(fā)生乳化后可能產(chǎn)生的危害如下：①潤(rùn)滑油如果發(fā)生乳化現(xiàn)象，油水混合分子的黏度相對(duì)油分子的黏度較低，因此油水混合分子在穿過(guò)油細(xì)分離器濾材小孔時(shí)，其吸附性相對(duì)降低而流速相對(duì)提高，導(dǎo)致油水混合分子中存在的油不能被濾材充分?jǐn)r截，最終造成空壓機(jī)排氣含油量超標(biāo)。②潤(rùn)滑油如果發(fā)生乳化現(xiàn)象，油氣筒內(nèi)會(huì)慢慢積聚更多的水分，使螺桿機(jī)頭轉(zhuǎn)子、軸承等部件發(fā)生銹蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生螺桿機(jī)頭卡死，且大都不具有修復(fù)性，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。③潤(rùn)滑油如果發(fā)生乳化現(xiàn)象，空壓機(jī)必然會(huì)產(chǎn)生排氣含油增多問(wèn)題，主供風(fēng)單元內(nèi)的過(guò)濾元件，如油細(xì)分離器、凝聚過(guò)濾器、顆粒過(guò)濾器、干燥劑及精密過(guò)濾器等都會(huì)受到不可逆的潤(rùn)滑油侵染，甚至主供風(fēng)單元下游制動(dòng)系統(tǒng)部件也會(huì)受到潤(rùn)滑油的侵染，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及安全隱患。

目前對(duì)于空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化問(wèn)題主要采取預(yù)防為主的策略。常用手段為檢修人員通過(guò)視油鏡目視觀察潤(rùn)滑油的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)乳化現(xiàn)象及時(shí)通過(guò)人工對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制打風(fēng)，提高空壓機(jī)的工作效率。但該方法對(duì)人員的技能、潤(rùn)滑油的檢查頻率要求較高，且只是被動(dòng)地發(fā)現(xiàn)、解決乳化現(xiàn)象，無(wú)法從根本上進(jìn)行預(yù)防和改善。

5 應(yīng)對(duì)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(jī)工作效率的空壓機(jī)工作率的調(diào)節(jié)裝置，分別位于兩個(gè)Mp車之間，與總風(fēng)管連接。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)指令執(zhí)行開(kāi)啟和關(guān)斷動(dòng)作，用于控制總風(fēng)管壓力的排風(fēng)，將空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率提高至30%，以達(dá)到預(yù)防空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化的目的。

5.1 工作率調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用

5.1.1 工作原理。工作率調(diào)節(jié)裝置由截?cái)嗳T(mén)、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?cái)嗳T(mén)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而導(dǎo)致總風(fēng)一直處于泄露狀態(tài)。額定開(kāi)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(kāi)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(dòng)空壓機(jī)的時(shí)間為T(mén)1，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算當(dāng)前時(shí)間T4到T1之間的空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率μ。若運(yùn)轉(zhuǎn)率低于30%，同時(shí)列車的總風(fēng)壓力≥780 kPa時(shí)，TCMS持續(xù)激活電磁閥，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置向空氣中排氣，將總風(fēng)壓力降至800 kPa以下，當(dāng)日的主空壓機(jī)啟動(dòng)打風(fēng)；當(dāng)總風(fēng)壓力低于780 kPa時(shí)或TCMS計(jì)算空壓機(jī)的工作率不低于30%時(shí)，TCMS關(guān)閉電磁閥，進(jìn)行下一個(gè)計(jì)算周期。

5.2 改善效果

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

6 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)大部分地鐵線路在調(diào)試階段或運(yùn)營(yíng)初期用風(fēng)量較小，空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率低于30%，空壓機(jī)油乳化問(wèn)題成為普遍現(xiàn)象，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油乳化問(wèn)題則會(huì)增加空壓機(jī)故障的概率，影響列車運(yùn)營(yíng)安全?？諌簷C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)裝置通過(guò)車輛CCU控制開(kāi)啟，通過(guò)CCU和溢流閥控制關(guān)閉，不僅實(shí)現(xiàn)自主提高空壓機(jī)工作效率達(dá)到預(yù)防潤(rùn)滑油乳化的目的，而且保證車輛的正常用風(fēng)，確保了車輛運(yùn)行安全。但導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化的因素較為復(fù)雜，后續(xù)還需持續(xù)跟進(jìn)、觀察，檢修過(guò)程中還要重點(diǎn)關(guān)注空壓機(jī)的狀態(tài)，以便確保車輛安全運(yùn)行。

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