王宏宇 牛 瑞 郭志剛 劉 凱

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司 江蘇 南京 211800)

當(dāng)前地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)多采用噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)作為主供風(fēng)單元，為制動(dòng)系統(tǒng)、升弓系統(tǒng)、空氣彈簧、撒砂、車輛解鉤及風(fēng)缸等用風(fēng)設(shè)備提供干燥潔凈的壓縮空氣。

1 螺桿式主供風(fēng)單元工作原理

螺桿式主供風(fēng)單元工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)主要分為氣路和油路兩部分。

1—電機(jī)；2—聯(lián)軸節(jié)；3—中托架；4—機(jī)頭；5—進(jìn)氣過濾器；6—最小壓力閥；7—油氣筒濾芯；8—油氣筒；9—溫控閥；10—油過濾器；11—冷卻器；12—冷卻葉輪；13—?dú)馑蛛x器；14—凝聚式過濾器；15—雙塔干燥器；16—除塵過濾器。

1.1 氣路系統(tǒng)

當(dāng)主供風(fēng)單元啟動(dòng)時(shí)，空氣通過進(jìn)氣過濾器進(jìn)入壓縮機(jī)頭進(jìn)行壓縮后，形成的油氣混合物進(jìn)入油氣筒，在最小壓力閥作用下，使油氣筒內(nèi)壓力快速升高，保證潤滑油的循環(huán)內(nèi)壓快速建立，當(dāng)壓力建立到最小壓力閥開啟值時(shí)，最小壓力閥打開，壓縮空氣經(jīng)過冷卻后進(jìn)入后處理過濾器和干燥器進(jìn)行過濾及干燥，形成清潔干燥的壓縮空氣并最終進(jìn)入列車的總風(fēng)缸[1-2]。

1.2 油路系統(tǒng)

油路系統(tǒng)由油氣筒、溫控閥、油冷卻器和油過濾器等組成。潤滑油利用壓差原理進(jìn)行循環(huán)，無油泵。當(dāng)主供風(fēng)單元運(yùn)行時(shí)，潤滑油在油氣筒內(nèi)壓力作用下，通過油過濾器過濾，進(jìn)入螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子腔及軸承處，起潤滑、密封、冷卻、降噪的作用[3]。

由螺桿機(jī)頭排出的空氣/油混合物切向進(jìn)入油氣筒，通過碰撞、離心旋流實(shí)現(xiàn)油的粗濾后，油氣混合物再由油細(xì)分離濾芯的吸附、凝聚等作用實(shí)現(xiàn)精密細(xì)濾。在這一階段所濾出的油被收集在油細(xì)分離濾芯的底部，在油氣筒內(nèi)壓力的作用下，通過二次回油管返回螺桿機(jī)頭。

油路系統(tǒng)配有溫控閥，當(dāng)油溫低于設(shè)定值時(shí)，由于油冷卻器內(nèi)部流動(dòng)阻力較大，氣壓迫使?jié)櫥陀捎蜌馔仓苯咏?jīng)油過濾器后到達(dá)壓縮機(jī)機(jī)頭。當(dāng)油溫超過溫控閥開啟值時(shí)，溫控閥打開，油進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷卻，隨后經(jīng)由油過濾器到達(dá)壓縮機(jī)機(jī)頭內(nèi)部[4]。

2 潤滑油乳化問題研究

2.1 乳化現(xiàn)象及成因分析

我國南方某城際地鐵線路，在梅雨季節(jié)(6月～7月)期間，主供風(fēng)單元發(fā)生批量潤滑油乳化、分層現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)研該線路主供風(fēng)單元潤滑油狀態(tài)可分為輕度乳化、中度乳化、重度乳化等3種，如圖2所示。

圖2 某項(xiàng)目主供風(fēng)單元潤滑油乳化狀態(tài)

潤滑油乳化是由于液態(tài)水以極微小液滴均勻地分散于潤滑油中，兩者互不相溶又相互包容的一種物理現(xiàn)象。乳化液形成必須具備3個(gè)必要條件：(1)互不相溶的兩種液體；(2)存在降低界面張力的物質(zhì)；(3)促使形成乳化液的能量，如強(qiáng)烈攪拌、循環(huán)、流動(dòng)等。

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)壓縮空氣溫度下降到相對(duì)濕度100%對(duì)應(yīng)溫度時(shí)，便有液態(tài)水從壓縮空氣中析出，該溫度即為“壓力露點(diǎn)”。

在螺桿式主供風(fēng)單元運(yùn)行過程中，從進(jìn)氣過濾器吸入的外界濕空氣中含有一定量的水蒸氣，當(dāng)濕空氣被壓縮壓力升高時(shí)，水蒸氣分壓增大，當(dāng)壓縮比達(dá)到一定時(shí)，氣體相對(duì)濕度達(dá)到100%，此時(shí)若環(huán)境溫度下降至該狀態(tài)下的壓力露點(diǎn)之下時(shí)，便會(huì)有液態(tài)水析出，0.95 MPa壓力下相對(duì)濕度與壓力露點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 相對(duì)濕度與壓力露點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

該項(xiàng)目主供風(fēng)單元額定工作壓力為0.9 MPa，油氣筒內(nèi)部壓力約為0.95 MPa，壓縮比為10.5，壓縮空氣相對(duì)濕度為100%，由圖3可知，該條件下壓力露點(diǎn)約為68 ℃td，即油氣筒內(nèi)部溫度在68 ℃以下時(shí)會(huì)有液態(tài)水析出。

對(duì)該項(xiàng)目車輛運(yùn)轉(zhuǎn)率進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目車輛運(yùn)轉(zhuǎn)率在10%左右，當(dāng)日平均運(yùn)轉(zhuǎn)率為9%。主供風(fēng)單元一天啟動(dòng)低于50次，單次打風(fēng)時(shí)間約100 s，且兩次打風(fēng)之間時(shí)間間隔較長，約18 min。

為探究運(yùn)轉(zhuǎn)率與潤滑油乳化的聯(lián)系，將主供風(fēng)單元在試驗(yàn)室條件下模擬某城際地鐵實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)率運(yùn)行，并對(duì)環(huán)境溫度、油氣筒壁溫、油冷出口溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)控和采集，結(jié)果如圖4所示，可觀察到油氣筒壁溫在運(yùn)行2 h后穩(wěn)定在55 ℃～63 ℃之間，低于該壓力下的壓力露點(diǎn)68 ℃td，因此在該運(yùn)轉(zhuǎn)率下，油氣筒內(nèi)部不可避免地會(huì)存在液態(tài)水析出。

圖4 主供風(fēng)單元各測點(diǎn)溫度變化

主供風(fēng)單元運(yùn)行過程中，析出的液態(tài)水隨壓縮空氣在油氣筒內(nèi)劇烈攪動(dòng)，隨著混入的液態(tài)水逐漸增多，油水混合物在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使?jié)櫥徒缑鎻埩档?，液態(tài)水離散為顆粒而分散于潤滑油中。另外，油品中的添加劑，如抗氧化劑和防銹劑，具有一定表面活性的物質(zhì)，一端為具有親油性的非極性基團(tuán)，另一端為具有親水性的極性基團(tuán)，在一定轉(zhuǎn)速下極性基團(tuán)對(duì)水有一定的親和能力，增強(qiáng)了油水分離的難度，促進(jìn)油質(zhì)乳化，使得潤滑油呈現(xiàn)為渾濁乳化狀。

2.2 乳化問題現(xiàn)車處理方案

對(duì)于輕度、中度乳化，隨著含水量的增大，油品顏色由清澈透明淡黃色逐漸變?yōu)槿榘咨?，此時(shí)可通過連續(xù)運(yùn)行主供風(fēng)單元，使?jié)櫥蛢?nèi)部溫度升高，將內(nèi)部水分蒸發(fā)，油品可自行恢復(fù)至正常狀態(tài)，建議梅雨季節(jié)車輛回庫后，結(jié)合日檢對(duì)主供風(fēng)單元連續(xù)運(yùn)行20 min，進(jìn)行預(yù)防。

當(dāng)中度乳化未經(jīng)控制發(fā)展至重度乳化時(shí)，可從油位鏡中觀察到潤滑油已部分水解產(chǎn)生黏稠狀雜質(zhì)，此時(shí)可先適度旋松放油螺堵，將油氣筒下部液態(tài)水排出，同時(shí)確認(rèn)油位，必要時(shí)補(bǔ)油，隨后連續(xù)運(yùn)行主供風(fēng)單元30 min，期間需注意是否存在異響，并觀察油品改善情況，若有明顯改善，可持續(xù)運(yùn)行直至乳化現(xiàn)象消除，否則需整體更換潤滑油。

2.3 潤滑油乳化的影響

潤滑油乳化對(duì)螺桿式空氣壓縮機(jī)、后處理系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)的影響惡劣而深遠(yuǎn)，對(duì)某城際車輛主供風(fēng)單元潤滑油乳化嚴(yán)重的車輛進(jìn)行定期跟蹤、研究，乳化產(chǎn)生的影響總結(jié)如下：

(1)機(jī)械部件異常磨耗、銹蝕

潤滑油乳化后，油品運(yùn)動(dòng)黏度變大，不溶物含量增多，潤滑效果下降明顯。對(duì)乳化前后的潤滑油進(jìn)行抽樣檢測，濾膜分析表明油品中存在大量棕黃色小尺寸非金屬顆粒、大量小于33 μm的金屬磨粒和個(gè)別纖維(見圖5)。其中小尺寸非金屬顆粒多由油品長期含水量過大和油品水解導(dǎo)致，金屬磨粒多見于機(jī)械部件磨損，該油品分析表明機(jī)體內(nèi)部存在異常磨耗。

圖5 乳化潤滑油濾膜分析

若螺桿式主供風(fēng)單元長期處于乳化狀態(tài)，潤滑油內(nèi)部水分也會(huì)導(dǎo)致螺桿主機(jī)機(jī)體、軸承銹蝕，銹蝕產(chǎn)生的雜質(zhì)在壓縮過程中混入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子磨損，供風(fēng)效率下降。

(2)機(jī)組油消耗量異常、油氣分離性能下降

潤滑油乳化，液態(tài)水由于重力作用沉積在油氣筒底部，將油位墊高，導(dǎo)致主供風(fēng)單元運(yùn)行過程中油分芯負(fù)荷增大，油氣分離效果降低，部分潤滑油隨壓縮空氣進(jìn)入后處理系統(tǒng)，導(dǎo)致過濾器異常排油，更嚴(yán)重時(shí)，大量潤滑油進(jìn)入干燥器內(nèi)部，污染吸附材料，導(dǎo)致主供風(fēng)單元出口空氣濕度增大。

潤滑油水解產(chǎn)生的膠狀雜質(zhì)隨主供風(fēng)單元運(yùn)行時(shí)，極易附著在油分芯濾網(wǎng)上，導(dǎo)致油分芯流阻增大，流阻即油分芯內(nèi)外壓力差值，是衡量油分芯老化程度最直觀的參數(shù)之一。對(duì)試驗(yàn)機(jī)以及某城際項(xiàng)目更換油分芯進(jìn)行流阻測試，結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)機(jī)油分芯流阻為10 kPa，更換件流阻高達(dá)19 kPa，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)機(jī)流阻，次試驗(yàn)表明，該油分芯過濾能力劣化明顯。

圖6 新舊油分芯流阻測試

3 防乳化技術(shù)方案

當(dāng)前軌道車輛螺桿式主供風(fēng)單元均為連續(xù)工作制設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)壽命按100%運(yùn)轉(zhuǎn)率計(jì)算，由于車輛調(diào)試、運(yùn)營初期載客量較小，用風(fēng)設(shè)備如空氣彈簧等耗風(fēng)量顯著降低，主供風(fēng)單元運(yùn)轉(zhuǎn)率遠(yuǎn)低于推薦運(yùn)轉(zhuǎn)率30%的要求，導(dǎo)致潤滑油渾濁、乳化現(xiàn)象難以避免。絕大部分項(xiàng)目在正線運(yùn)營后，乳化現(xiàn)象可自行消除。針對(duì)正線運(yùn)營后乳化現(xiàn)象依然存在，且如不人為干預(yù)，油品持續(xù)劣化的項(xiàng)目，最有效的手段為提高主供風(fēng)單元運(yùn)轉(zhuǎn)率，提高運(yùn)轉(zhuǎn)率方法因具體項(xiàng)目而不同，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的主要措施如下：

(1)設(shè)置工作率調(diào)節(jié)裝置

項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，可預(yù)估該項(xiàng)目實(shí)際工況，當(dāng)前城際地鐵線路站間距較大，車輛多為4編組，且部分地區(qū)高架線路占比較大，在我國南方雨季，主供風(fēng)單元工況受外界環(huán)境影響較大，因此短編組城際地鐵車輛設(shè)計(jì)初期，宜在車輛上設(shè)置工作率調(diào)節(jié)裝置。

工作率調(diào)節(jié)裝置是設(shè)置在總風(fēng)管管路上通過主動(dòng)排風(fēng)增加空氣的消耗量，從而提高空壓機(jī)工作率以避免油乳化的裝置。防油乳化氣路原理如圖7所示，由截?cái)嗳T、電磁閥、溢流閥、節(jié)流孔及消音器組成，其中設(shè)置溢流閥目的是在列車總風(fēng)壓力較高時(shí)(高于溢流閥設(shè)定值)排風(fēng)支路工作，持續(xù)耗風(fēng)，當(dāng)列車總風(fēng)壓力較低時(shí)，將排風(fēng)支路自動(dòng)切除，以保證列車設(shè)備的耗風(fēng)安全。對(duì)于耗風(fēng)量的大小，取決于節(jié)流孔的孔徑，孔徑可根據(jù)實(shí)際運(yùn)營時(shí)空壓機(jī)工作率進(jìn)行調(diào)整。電磁閥通過網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)控制實(shí)現(xiàn)列車的智能排風(fēng)，一般設(shè)置在晚間(非晚高峰時(shí)期)，控制工作率調(diào)節(jié)裝置工作，提升主供風(fēng)單元運(yùn)轉(zhuǎn)率。為了提高工作率調(diào)節(jié)裝置的可靠性，司機(jī)屏一般設(shè)置有關(guān)斷按鈕可自行關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)。

1—塞門；2—電磁閥；3—溢流閥；4—節(jié)流閥；5—消音器。

(2)提高主供風(fēng)單元內(nèi)部耗風(fēng)

螺桿式主供風(fēng)單元內(nèi)部耗風(fēng)方式主要有二次回油回路、雙塔干燥器反吹氣路、排污電磁閥排污，現(xiàn)車可通過調(diào)整二次回油回路、干燥器反吹氣路節(jié)流栓孔徑大小，或調(diào)整排污電磁閥排污時(shí)間增大主供風(fēng)單元內(nèi)部耗風(fēng)，降低出口壓縮空氣流量，提高主供風(fēng)單元運(yùn)轉(zhuǎn)率。

在上述3種方案中，增大雙塔干燥器反吹耗風(fēng)量，不僅能顯著提高主供風(fēng)單元運(yùn)轉(zhuǎn)率(主供風(fēng)單元運(yùn)行時(shí)間占當(dāng)日車輛運(yùn)營時(shí)間的百分比)，也可提高干燥器內(nèi)部吸附劑再生程度，更利于干燥劑吸附，提升主供風(fēng)單元出口空氣質(zhì)量，因此該方案成為行業(yè)內(nèi)現(xiàn)車整改首選方案。

4 防乳化方案驗(yàn)證

為解決本城際地鐵項(xiàng)目的乳化問題，分別采用?2.2 mm、?2.5 mm干燥器節(jié)流栓進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)采用?2.2 mm節(jié)流栓時(shí)，主供風(fēng)單元當(dāng)日運(yùn)轉(zhuǎn)率在18%左右，當(dāng)節(jié)流栓孔徑達(dá)到2.5 mm時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)率提升至20%～23%之間，較整改前運(yùn)轉(zhuǎn)率(9%)相比顯著提升。

圖8～9為本次整改車輛正線運(yùn)營當(dāng)日單次打風(fēng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，從中可以看出當(dāng)節(jié)流栓孔徑為2.2 mm時(shí)，主供風(fēng)單元單次打風(fēng)時(shí)間在160 s左右，當(dāng)節(jié)流栓孔徑提升至2.5 mm時(shí)，主供風(fēng)單元單次打風(fēng)時(shí)間提升至220 s，較整改前單次打風(fēng)時(shí)間(100 s)顯著提升。在一定時(shí)間段內(nèi)，單次打風(fēng)時(shí)間越長，油氣筒內(nèi)部油溫越高，越有利于壓縮產(chǎn)生的液態(tài)水及時(shí)排出，從為期1個(gè)月的油品跟蹤情況來看，節(jié)流栓整改車輛未再次發(fā)生潤滑油乳化問題。

圖8 ?2.2 mm節(jié)流栓單次打風(fēng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖9 ?2.5 mm節(jié)流栓單次打風(fēng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

綜上，本項(xiàng)目通過調(diào)整干燥器節(jié)流栓孔徑可顯著提升主供風(fēng)單元運(yùn)轉(zhuǎn)率及單次打風(fēng)時(shí)間，有利于螺桿式壓縮機(jī)內(nèi)部油溫維持在較高溫度，解決了長期油溫過低導(dǎo)致的乳化問題。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)城際列車螺桿式主供風(fēng)單元潤滑油乳化問題的分析，從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，系統(tǒng)性研究潤滑油乳化故障的影響及解決方案，通過地面試驗(yàn)、實(shí)車跟蹤，確認(rèn)了該優(yōu)化方案的有效性，對(duì)城際列車螺桿式主供風(fēng)單元的防乳化設(shè)計(jì)有較高參考價(jià)值。