徐紅星, 肖 飛, 蔣紅果, 鄢艷麗

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 設(shè)計開發(fā)部， 南京 210031)

空壓機(jī)產(chǎn)生油乳化原因是氣缸中的氣體含有水分，水分在高速轉(zhuǎn)動的曲軸作用下混入潤滑油中，從而導(dǎo)致潤滑油含水量過高，若此時空壓機(jī)工作率較低且長時間停放，油品就容易出現(xiàn)乳化；解決油乳化的關(guān)鍵就是提高空壓機(jī)的工作效率，使空壓機(jī)長期工作，氣缸內(nèi)溫度升高，曲軸連續(xù)潑濺機(jī)油，機(jī)油溫度也升高，水分蒸發(fā)成氣體，通過內(nèi)部排氣孔排泄出去，空壓機(jī)油就不會出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，通常空壓機(jī)的工作效率大于30%可避免空壓機(jī)的油乳化[1]。

寧高城際車輛最高運營速度120 km/h，全線高架，車輛安裝研磨子并預(yù)留撒沙裝置安裝接口(空壓機(jī)排量預(yù)留撒沙裝置的耗風(fēng))來避免高架線路滑行的風(fēng)險?？諌簷C(jī)排量按照有撒沙裝置進(jìn)行選型設(shè)計，每列車配置2套VV120型空壓機(jī)，其額定排量為920 dm3/min。但在開通初期，列車編組短(3編組)，載客量小且沒有實際安裝撒沙裝置，列車的實際耗風(fēng)量將會很少，空壓機(jī)的工作效率很低，長時間的不連續(xù)工作將會導(dǎo)致空壓機(jī)嚴(yán)重油乳化，因此寧高城際項目進(jìn)行了多種避免空壓機(jī)的油乳化的方案設(shè)計，包括調(diào)節(jié)雙塔干燥器再生孔、增加排風(fēng)裝置等。

1 再生孔調(diào)節(jié)方案

風(fēng)源系統(tǒng)配置雙塔干燥器，一個塔用于干燥，一個塔用于再生，兩個塔切換周期為120 s，再生塔消耗壓縮空氣使水分飽和的干燥介質(zhì)進(jìn)行再生干燥。再生塔的再生耗氣孔設(shè)計為可調(diào)節(jié)，根據(jù)空壓機(jī)工作率的情況進(jìn)行調(diào)整，有1.4 mm，2.2 mm及2.4 mm的再生孔徑用于調(diào)整再生塔的耗風(fēng)量，直接調(diào)整空壓機(jī)的凈排量[1]，再生孔尺寸與凈排量的關(guān)系如表1所示。

表1 再生孔尺寸與凈排量的關(guān)系

通過理論計算，車輛各耗風(fēng)設(shè)備的耗風(fēng)量如下，其中min為最小耗氣量，在理想條件下運行，如相對平直軌道，載客不多，車站之間很少制動，很少用喇叭等；nor為正常耗氣量，在正常普通條件下運行；max為最大耗氣量，在極端條件下運行，如彎道很多的軌道，每站載客量變化很大，多次使用喇叭及輔助用風(fēng)設(shè)備，見表2。

表2 車輛各耗風(fēng)設(shè)備的耗風(fēng)量 dm3/min

在撒沙裝置沒有安裝的情況下，整車的實際耗風(fēng)量見表3。

表3 整車的實際耗風(fēng)量 dm3/min

不同再生孔尺寸下的空壓機(jī)的工作效率DCcomp如表4。

表4 不同再生孔尺寸下的空壓機(jī)工作效率 %

通過對比2.2 mm及2.4 mm的再生縮孔調(diào)節(jié)方案，增大再生縮孔的孔徑對空壓機(jī)的工作效率有明顯的提升，能夠有效避免空壓機(jī)油乳化，但該方案最直接的影響是削弱了空壓機(jī)供風(fēng)能力，對車輛的初充風(fēng)時間影響較大，以6編組B型車為例，再生孔尺寸采用2.4 mm時，初充風(fēng)時間由原來的15 min增加到約23 min。而寧高城際即使采用2.4 mm的再生孔最小工作效率也僅有25.6%，仍然不滿足工作效率大于30%的要求，因此僅采用調(diào)節(jié)再生孔方案仍不能解決油乳化的問題。

2 機(jī)械排風(fēng)裝置方案

在再生孔調(diào)節(jié)方案的工作效率不能滿足大于30%要求時，寧高城際項目提出了增加機(jī)械排風(fēng)裝置方案，目的是在空壓機(jī)出風(fēng)口處再額外增加一套排風(fēng)裝置，排風(fēng)裝置可根據(jù)空壓機(jī)油乳化情況進(jìn)行手動開啟和關(guān)閉，在排風(fēng)裝置開啟情況下，增加列車的耗風(fēng)，從而提高空壓機(jī)的工作效率，避免空壓機(jī)的油乳化。

機(jī)械排風(fēng)裝置由截斷塞門A14、溢流閥A13、節(jié)流孔A15及消聲器A16組成，其中溢流閥A13開啟壓力為850 kPa，最小關(guān)閉壓力為700 kPa，溢流閥設(shè)置目的是當(dāng)總風(fēng)壓力低于700 kPa時機(jī)械排風(fēng)裝置自動關(guān)閉，保證列車的耗風(fēng)安全，當(dāng)列車總風(fēng)壓力高于850 kPa時機(jī)械排風(fēng)裝置開啟，持續(xù)耗風(fēng)。對于耗風(fēng)量的大小，取決于節(jié)流孔A15的孔徑φ2，孔徑的選擇可根據(jù)后期空壓機(jī)工作效率的測定進(jìn)行調(diào)整，具體排風(fēng)裝置原理如圖1所示。

A00-空壓機(jī)模塊；A14-截斷塞門；A13-溢流閥；A15-節(jié)流孔；A16-消聲器。圖1 機(jī)械排風(fēng)裝置原理圖

在氣候潮濕如南京的梅雨季節(jié)或者開通初期客流極少的情況下，采取再生孔調(diào)節(jié)方案仍發(fā)生油乳化時，可采取操作A14截斷塞門啟動機(jī)械排風(fēng)裝置，提高空壓機(jī)的工作效率，增加空壓機(jī)的連續(xù)工作時間，解決空壓機(jī)的油乳化問題。但采取機(jī)械排風(fēng)裝置存在一個不可控的風(fēng)險，列車在運營過程中機(jī)械排風(fēng)裝置不可關(guān)閉，在A13溢流閥發(fā)生故障后，列車將會持續(xù)耗風(fēng)，影響列車運營安全；另外機(jī)械排氣的工作時間段不可控，啟動了機(jī)械排氣裝置就一直工作，空壓機(jī)工作效率在一天的時間里并不均勻，早晚高峰工作效率過高，過了晚高峰后，空壓機(jī)的工作效率會逐步降低，潤滑油中的水分會有一部分隨著車輛夜間回庫殘留其中，時間久了也會影響空壓機(jī)潤滑油的品質(zhì)，同時全天候的持續(xù)排氣，會帶來一定噪聲問題。

3 智能排風(fēng)裝置方案

考慮到機(jī)械排風(fēng)裝置存在的問題，在機(jī)械排風(fēng)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了方案優(yōu)化，寧高城際項目提出了采用智能排風(fēng)裝置的方案來提高空壓機(jī)的工作效率解決空壓機(jī)的油乳化，其智能排風(fēng)裝置設(shè)置目的是增加列車的耗風(fēng)，同時還要增加系統(tǒng)的可靠性，在運營過程中若出現(xiàn)排風(fēng)故障，司機(jī)可隨時進(jìn)行關(guān)閉，并且可以設(shè)置在耗風(fēng)量小的時間段進(jìn)行排風(fēng)，使全天候的空壓機(jī)工作效率相對均勻，增加晚高峰以后的空壓機(jī)工作效率，白天時間段可以不啟動排風(fēng)裝置。

智能排風(fēng)裝置方案在機(jī)械排風(fēng)裝置的基礎(chǔ)上增加電磁閥A17，通過列車TCMS系統(tǒng)智能控制電磁閥A17，實現(xiàn)對列車的智能排風(fēng)，具體智能排風(fēng)裝置原理圖如圖2所示。

TCMS觸發(fā)條件：時間段(晚上8：00—11：00)；風(fēng)壓(大于850 kPa)

在列車總風(fēng)正常時，且滿足TCMS觸發(fā)條件，電磁閥A17得電工作，排氣裝置完全開啟，列車進(jìn)行額外耗風(fēng)，在列車風(fēng)壓降至850 kPa或時間段不在設(shè)定范圍內(nèi)時，排風(fēng)裝置自動關(guān)斷。智能排風(fēng)裝置不僅可通過截斷塞門(A14)人為切除或者由電氣柜內(nèi)斷路器隨時進(jìn)行關(guān)閉，故障發(fā)生后可以人為干預(yù)；同時在空氣相對干燥不易發(fā)生油乳化的季節(jié)里，可關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)功能或者縮短觸發(fā)的時間段，減少空壓機(jī)的耗風(fēng)浪費；方案可設(shè)置排風(fēng)的時間段，可以在白天客流量較大的情況下不額外排風(fēng)，在晚上客流較小的情況下啟動排風(fēng)裝置，保證全天時段空壓機(jī)的工作效率相對均勻。方案中還考慮了設(shè)備的冗余，即在電磁閥和溢流閥中的一個設(shè)備失效時，仍能夠保證車輛正常用風(fēng)，低于系統(tǒng)正常工作壓力下，排風(fēng)裝置仍能自動關(guān)閉。

A00-空壓機(jī)模塊；A14-截斷塞門；A17-電磁閥；A13-溢流閥；A15-節(jié)流孔；A16-消聲器。圖2 智能排風(fēng)裝置原理圖

4 方案設(shè)定及參數(shù)優(yōu)化

寧高城際列車交付時采用的再生孔調(diào)節(jié)方案和智能排風(fēng)裝置方案，其中再生孔調(diào)節(jié)方案中孔徑φ1為1.4 mm，智能排風(fēng)裝置節(jié)流孔A15孔徑φ2為1 mm，智能排風(fēng)時間段為晚上8：00—11：00。在2017年12月份開通運營初期仍出現(xiàn)了嚴(yán)重的油乳化現(xiàn)象，對空壓機(jī)的工作效率進(jìn)行測定，現(xiàn)場記錄列車主空壓機(jī)實際的工作效率DCactual約為12%，遠(yuǎn)低于30%的要求。對現(xiàn)場測定的空壓機(jī)工作效率進(jìn)行分析，計算列車運營中實際的耗風(fēng)量，從而對方案中設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升空壓機(jī)的工作效率：

列車實際耗風(fēng)量Qactual：

Qactual=Qcomp-dry×DCactual=84 (dm3/min)

其中，Qcomp-dry為空壓機(jī)的凈排量，DCactual為實際測得的空壓機(jī)工作效率；

通過計算，在最高壓力950 kPa條件下，智能排風(fēng)裝置中節(jié)流孔A15不同孔徑的耗風(fēng)量Qconsu和對空壓機(jī)工作效率的增加量DCadd如下，其中

DCadd=2×(Qconsu/Qcomp-dry)×(3/24)

在車輛交付的參數(shù)設(shè)定條件下，得到列車實際的耗風(fēng)設(shè)備(不含排風(fēng)裝置)的空壓機(jī)的工作效率為DCactual-DCadd=8.6%，可以看出初期列車實際耗風(fēng)非常少，同時排風(fēng)裝置A15孔徑φ2設(shè)定1 mm對空壓機(jī)工作負(fù)荷率調(diào)節(jié)作用非常小，沒有達(dá)到預(yù)期的調(diào)節(jié)幅度。為了提高空壓機(jī)的工作效率，對不同方案的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行了研究對比，具體方案如表5。

(1) 調(diào)整排風(fēng)裝置節(jié)流孔A15孔徑

為了降低排風(fēng)裝置帶來的噪聲影響及電磁閥連續(xù)工作時間故障率的問題，電磁閥工作時間仍設(shè)置為晚上8：00—11：00之間，排風(fēng)裝置工作時間短，要達(dá)到空壓機(jī)工作效率調(diào)整效果通過增加排風(fēng)(A15)孔徑來實現(xiàn)。

即使將節(jié)流孔A15孔徑φ2增加至2 mm，實際空壓機(jī)工作效率DCactual為8.6%+13.3%=21.9%，同樣不能夠滿足空壓機(jī)工作效率的要求。

(2) 增加排氣裝置工作時間

在A15節(jié)流孔為1 mm時，排氣裝置每天工作3 h的空壓機(jī)工作效率的增加量DCadd為3.4%，即使每天按照運營18 h排氣裝置全部工作，DCadd為27.2%，實際空壓機(jī)工作率DCactual為8.6%+27.2%=35.8%，能夠滿足空壓機(jī)工作效率的要求，但該方案增加電磁閥連續(xù)工作的時間，一定程度上會增加故障率，而且全天候的工作，智能排氣裝置設(shè)置目的也沒有達(dá)到。

(3) 調(diào)整再生孔孔徑φ1和節(jié)流孔A15孔徑φ2

通過采用不同尺寸的再生孔和節(jié)流孔A15孔徑大小的組合測試，發(fā)現(xiàn)單一的方案對提高空壓機(jī)工作效率有一定的局限性，寧高城際最后通過再生孔和節(jié)流孔A15組合調(diào)整，真正解決了列車自身耗風(fēng)較低情況下的油乳化問題，實際組合測試數(shù)據(jù)如表6。

表6 實際組合測試數(shù)據(jù) %

寧高城際在油乳化方案中選擇了雙塔干燥器再生孔孔徑φ1為2.4 mm，排風(fēng)裝置A13工作時間為3 h(晚上8：00—11：00期間)，排風(fēng)裝置節(jié)流孔A15孔徑2 mm，實際測得實際空壓機(jī)工作率DCactual為38.36%，滿足空壓機(jī)工作效率的要求，最終寧高城際項目空壓機(jī)油乳化問題得以徹底解決。

5 結(jié)束語

以寧高城際項目為例，分析可以提高空壓機(jī)工作效率的方案，并對各種方案及組合方案進(jìn)行計算分析，更改雙塔干燥器再生孔和增加排風(fēng)裝置對提高空壓機(jī)的工作效率是非常有效的，對于6編組的B型車，新線開通初期可以僅通過調(diào)節(jié)干燥器再生孔孔徑來提高空壓機(jī)的工作效率，避免油乳化問題的發(fā)生[1]；對于4編組或3編組B型車，根據(jù)寧高項目經(jīng)驗建議采用綜合調(diào)節(jié)干燥器再生孔和增加排風(fēng)裝置來提高空壓機(jī)的工作效率，解決短編組車輛的空壓機(jī)油乳化問題。