廣州地鐵工程車SCR10T型螺桿式空壓機(jī)的應(yīng)用和改造

范金貴，梁 義

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510000）

1 問(wèn)題的提出

廣州地鐵目前運(yùn)營(yíng)線路共長(zhǎng)236公里，工程車是這些線路維護(hù)的重要工具。廣州地鐵目前有近30臺(tái)工程車安裝了SCR10T型螺桿式空壓機(jī)，其作用是向制動(dòng)系統(tǒng)提供源源不斷的壓縮空氣，保證機(jī)車制動(dòng)有效、運(yùn)行安全。螺桿式空壓機(jī)作為活塞式空壓機(jī)的替代產(chǎn)品，具有噪音低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、排氣壓力穩(wěn)定且維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]，但在地鐵工程車工況的特殊工作環(huán)境下，SCR10T型螺桿式空壓機(jī)出現(xiàn)了進(jìn)氣閥頻繁通斷、安全閥噴油和潤(rùn)滑油乳化嚴(yán)重等問(wèn)題。本文就SCR10T型螺桿式空壓機(jī)在地鐵工程車上應(yīng)用所遇到的這些問(wèn)題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的對(duì)策。

2 螺桿式空壓機(jī)的工作原理和應(yīng)用情況

SCR10T型螺桿式空壓機(jī)是由機(jī)車柴油機(jī)提供動(dòng)力，借助機(jī)殼內(nèi)一對(duì)轉(zhuǎn)子作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)給機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)提供壓縮空氣的容積式壓縮設(shè)備。空壓機(jī)安裝在機(jī)車機(jī)器間柴油機(jī)旁，通過(guò)兩條V型皮帶與機(jī)車柴油機(jī)連接，機(jī)車柴油機(jī)起動(dòng)后，空壓機(jī)即開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1 技術(shù)參數(shù)

（1）功率：7.5 kW；

（2）額定流量：0.8 m3/min；

（3）轉(zhuǎn)速：900～2 400 r/min；

（4）重量：90 kg；

（5）皮帶張緊力：250～310 N；

（6）額定排氣壓力：0.8 MPa；

（7）最高排氣溫度：105℃（221℉）；

（8）安全閥開啟壓力：1.1 MPa；

（9）最小壓力閥設(shè)定壓力：0.4±0.034 MPa；

（10）冷卻系統(tǒng)：風(fēng)冷；

（11）潤(rùn)滑油量：8 L；

（12）要求環(huán)境溫度：≤43℃。

2.2 壓縮原理

工作循環(huán)可分為進(jìn)氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。空壓機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程是陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至機(jī)頂進(jìn)氣口時(shí)，外界空氣填充整個(gè)齒溝空間的過(guò)程。轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，嚙合面與機(jī)殼構(gòu)成1個(gè)封閉的空間，進(jìn)入齒溝空間的空氣在此封閉空間內(nèi)不再外流，嚙合面向排氣端逐漸移動(dòng)的同時(shí)，空間逐漸變小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮，壓力增高，溫度也升高。在空氣壓縮過(guò)程中，潤(rùn)滑油因最小壓力閥調(diào)節(jié)的氣壓差而變成霧狀噴入壓縮腔，達(dá)到降溫、密封和潤(rùn)滑的作用。當(dāng)齒溝空間轉(zhuǎn)至與機(jī)殼排氣口相通時(shí)，排氣過(guò)程開始，直至嚙合面移過(guò)排氣口，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼形成的封閉空間為0，排氣過(guò)程完成。陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，在嚙合面與機(jī)殼形成的封閉空間為0的時(shí)刻，進(jìn)氣口附近的齒溝空間又出現(xiàn)了，齒溝空間由0開始膨脹過(guò)程中形成負(fù)壓，促使外界空氣在大氣壓下充入，下一個(gè)進(jìn)氣、壓縮和排氣的循環(huán)又開始進(jìn)行。只要空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)氣口有空氣進(jìn)來(lái)，就會(huì)被不斷的壓縮，從而持續(xù)向制動(dòng)系統(tǒng)提供壓縮空氣[2]。

2.3 油、氣工作循環(huán)過(guò)程

在螺桿式空壓機(jī)工作過(guò)程中，空氣因柴油機(jī)做功而在被壓縮，壓縮空氣推動(dòng)機(jī)車制動(dòng)閘瓦或閥芯做功后回到大氣中，如此往復(fù)循環(huán)。同時(shí)潤(rùn)滑油在機(jī)體內(nèi)循環(huán)流動(dòng)對(duì)空壓機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻。空氣和潤(rùn)滑油循環(huán)中的具體流經(jīng)路徑如下：空氣從空氣濾清器進(jìn)入系統(tǒng)后，經(jīng)進(jìn)氣閥進(jìn)入主機(jī)即開始被壓縮，壓縮過(guò)程中潤(rùn)滑油噴入與其混合，隨后被壓縮的空氣和潤(rùn)滑油一起進(jìn)入油氣分離器，經(jīng)油氣分離器后壓縮空氣經(jīng)空氣冷卻器和高效油水分離器處理之后提供給機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)總風(fēng)缸，潤(rùn)滑油經(jīng)油冷卻器和油過(guò)濾器，再次進(jìn)入壓縮機(jī)主機(jī)進(jìn)行循環(huán)。

2.4 應(yīng)用情況

通過(guò)對(duì)我司近30臺(tái)機(jī)車空壓機(jī)在使用過(guò)程中的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，SCR10T型空壓機(jī)運(yùn)行性能較穩(wěn)定，能夠滿足機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的用氣需要。作為地鐵工程車制動(dòng)系統(tǒng)的供氣設(shè)備，還主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：空壓機(jī)進(jìn)氣口的控制單元——進(jìn)氣閥頻繁通斷，降低了自身的使用壽命，同時(shí)也增加了運(yùn)行噪音；該型號(hào)空壓機(jī)在機(jī)車上使用期間出現(xiàn)安全閥噴油的現(xiàn)象，對(duì)空壓機(jī)周圍的設(shè)備和環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，包括空壓機(jī)自身和柴油機(jī)連接的皮帶在內(nèi)6條皮帶受其污染，而不能繼續(xù)使用，增加更換皮帶等復(fù)雜工作，這給使用和維修都帶來(lái)了嚴(yán)重影響；機(jī)殼內(nèi)潤(rùn)滑油在工作數(shù)小數(shù)后就出現(xiàn)嚴(yán)重乳化的情況，至下次起機(jī)前機(jī)殼內(nèi)均呈乳白色液體，潤(rùn)滑油乳化后影響空壓機(jī)的正常運(yùn)營(yíng)，亟需改造。

3 進(jìn)氣閥頻繁通斷的原因分析及改造

SCR10T型螺桿式空壓機(jī)通過(guò)皮帶與機(jī)車柴油機(jī)相連接，由機(jī)車柴油機(jī)提供動(dòng)力，當(dāng)柴油機(jī)起機(jī)后，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子一直處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)氣閥的作用是通過(guò)電磁線圈控制空壓機(jī)的空、重車運(yùn)行，即運(yùn)轉(zhuǎn)中的空壓機(jī)是否制造壓縮空氣。機(jī)車空壓機(jī)在總風(fēng)缸壓力低于0.68 MPa時(shí)開始?jí)嚎s空氣即重車運(yùn)行；當(dāng)總風(fēng)缸壓力達(dá)到0.80 MPa時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，空壓機(jī)停止壓縮空氣，開始空車運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于0.68 MPa時(shí)，進(jìn)氣閥打開空壓機(jī)進(jìn)氣口重新向系統(tǒng)補(bǔ)充壓縮空氣。空壓機(jī)設(shè)計(jì)有壓力繼電器采集系統(tǒng)壓力并控制空壓機(jī)進(jìn)氣閥的打開和關(guān)閉，壓力繼電器安裝在空壓機(jī)油氣分離器的安裝座上，即壓力繼電器受空壓機(jī)排氣管道的空氣壓力控制。

機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)總風(fēng)缸和空壓機(jī)之間有單向閥設(shè)置，其目的是防止總風(fēng)缸壓縮空氣向空壓機(jī)反充，同時(shí)也造成了單向閥前后壓力值不同，空壓機(jī)泄壓后，壓力繼電器采集到的壓力值小于總風(fēng)缸壓力值。在總風(fēng)缸壓力達(dá)到0.80 MPa時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥關(guān)閉，進(jìn)行空車運(yùn)行，壓縮機(jī)高、低壓側(cè)的壓力進(jìn)行內(nèi)部平衡，壓力繼電器采集到的壓力值很快低于0.68 MPa，造成進(jìn)氣閥重新打開，空壓機(jī)切換至重車運(yùn)行；因總風(fēng)缸壓力還是0.80 MPa，即壓力繼電器采集壓力值很快達(dá)到0.80 MPa，空壓機(jī)在空、重車之間不斷頻繁切換。空壓機(jī)的進(jìn)氣閥處于不斷開啟、關(guān)閉的無(wú)效循環(huán)，試驗(yàn)測(cè)得循環(huán)周期約3 s，嚴(yán)重影響到進(jìn)氣閥的使用壽命。

通過(guò)以上分析，將設(shè)計(jì)在空壓機(jī)側(cè)的壓力繼電器安裝到總風(fēng)缸上，即使用總風(fēng)缸的壓力控制空壓機(jī)進(jìn)氣閥的開啟關(guān)閉。機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)總風(fēng)缸容量為400 L，充足壓縮空氣后可供制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)、緩解操作2次以上，根據(jù)機(jī)車使用情況分析，2次制動(dòng)、緩解通常可以滿足機(jī)車運(yùn)行20分鐘至50分鐘。改造后壓力繼電器采集到的壓力為用氣系統(tǒng)的壓力，空壓機(jī)進(jìn)氣閥開啟、關(guān)閉的周期延長(zhǎng)，其切換頻率降低至原來(lái)的1/400至1/1000，大大延長(zhǎng)了空壓機(jī)進(jìn)氣閥的使用壽命，同時(shí)也進(jìn)一步降低了螺桿式空壓機(jī)的運(yùn)行噪音。

4 安全閥噴油的分析及改造

有部分工程車的空壓機(jī)在使用過(guò)程中出現(xiàn)了安全閥噴油的現(xiàn)象，對(duì)空壓機(jī)周圍的設(shè)備和環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，影響了工程車的正常使用。安全閥打開的原因，一般情況下原因有兩個(gè)：安全閥故障；空壓機(jī)內(nèi)的壓力上升，超過(guò)了油氣分離器安全閥的壓力上限值[3]。工程車供風(fēng)系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、干燥塔、總風(fēng)缸等，相互聯(lián)接關(guān)系見圖1。當(dāng)噴油發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)空壓機(jī)各部件檢查，未發(fā)現(xiàn)有某零部件故障，使用新空壓機(jī)對(duì)噴油空壓機(jī)整體更換后，安全閥噴油的問(wèn)題依然存在，即表明噴油現(xiàn)象不是空壓機(jī)機(jī)頭內(nèi)部零部件損壞引起的。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間跟蹤觀察，噴油現(xiàn)象常發(fā)生在空壓機(jī)開始啟動(dòng)瞬間。對(duì)比噴油瞬間空壓機(jī)至總風(fēng)缸之間各處壓力變化，噴油時(shí)，空壓機(jī)腔體內(nèi)壓力（表1）泄壓至0 MPa，干燥塔與維持閥之間的壓力（表2）為1.3 MPa，總風(fēng)缸壓力為0.6 MPa，這表明起機(jī)瞬間空壓機(jī)噴油時(shí)，干燥塔內(nèi)部的壓縮空氣通路未及時(shí)打開，空壓機(jī)中的壓縮空氣不能順利流至總風(fēng)缸而從空壓機(jī)安全閥爆發(fā)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤調(diào)查確認(rèn)，噴油現(xiàn)象的發(fā)生均在柴油機(jī)停機(jī)以后下次啟動(dòng)時(shí)，未在正常運(yùn)轉(zhuǎn)以后的時(shí)間出現(xiàn)，使用旁通閥隔離干燥塔后，噴油現(xiàn)象即不再出現(xiàn)，再次證明了安全閥噴油的發(fā)生原因在于干燥塔內(nèi)部通路未及時(shí)打開。

為了發(fā)揮干燥塔對(duì)壓縮空氣的干燥作用，只靠旁通干燥塔解決安全閥噴油問(wèn)題是不可取的，必須采取更優(yōu)方案。考慮到機(jī)車起機(jī)鑰匙“起機(jī)位”同時(shí)控制著柴油機(jī)和干燥塔的起動(dòng)，柴油機(jī)起動(dòng)同時(shí)通過(guò)皮帶帶動(dòng)空壓機(jī)開始?jí)嚎s空氣，即空壓機(jī)和干燥塔是在同一時(shí)刻起機(jī)。為了消除空壓機(jī)的噴油現(xiàn)象，采取了改變干燥塔起動(dòng)時(shí)間的方案，使用起機(jī)鑰匙的“運(yùn)轉(zhuǎn)位”控制干燥塔的起動(dòng)。機(jī)車起動(dòng)操作中，起機(jī)鑰匙“運(yùn)轉(zhuǎn)位”早于“起機(jī)位”約4秒，改造后干燥塔起動(dòng)時(shí)間點(diǎn)提前于空壓機(jī)（與柴油機(jī)同步）起動(dòng)約4秒，有效地保證了空壓機(jī)起動(dòng)時(shí)壓縮空氣能夠順利流通至總風(fēng)缸，改造后一年多時(shí)間來(lái)空壓機(jī)噴油的故障現(xiàn)象未再次出現(xiàn)。

圖1 空壓機(jī)與供風(fēng)系統(tǒng)其它部件聯(lián)接關(guān)系圖

5 潤(rùn)滑油乳化嚴(yán)重的原因分析及改造

5.1 乳化現(xiàn)象及其危害

空壓機(jī)潤(rùn)滑油灌注在空壓機(jī)機(jī)頭內(nèi)，在兩摩擦副之間形成一層保護(hù)油膜，避免金屬與金屬之間直接接觸，起到潤(rùn)滑和緩沖的作用，減少機(jī)械磨損，同時(shí)空壓機(jī)潤(rùn)滑油還能起動(dòng)冷卻、防銹、清潔和密封的作用，使空壓機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，在日常使用中發(fā)現(xiàn)SCR10T型螺桿式空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化極為迅速，更新潤(rùn)滑油后運(yùn)行不到1小時(shí)，潤(rùn)滑油即嚴(yán)重乳化變成乳白色的油水混合物。

已經(jīng)乳化的潤(rùn)滑油繼續(xù)使用將對(duì)空壓機(jī)將造成很大危害：黏度下降，直接減弱潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑、冷卻、密封作用，使空壓機(jī)的機(jī)械磨損增大、泵風(fēng)效率降低。若長(zhǎng)期使用乳化空壓機(jī)油可能將大大降低空壓機(jī)的使用壽命，導(dǎo)致空壓機(jī)提前報(bào)廢。剛開始發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)油乳化時(shí)，采取立刻更換潤(rùn)滑油、油氣分離器和油過(guò)濾器的做法，不僅造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，且收到的效果很不理想，未從根本上解決空壓機(jī)潤(rùn)滑油乳化的問(wèn)題。

5.2 乳化原因分析

空氣中的氣態(tài)水在一定溫度和壓力條件下，可以液態(tài)水形式析出[4]。為了從根本上解決空壓機(jī)潤(rùn)滑油嚴(yán)重乳化的問(wèn)題，還需從使用地的地理和氣候著手開展分析。廣州地區(qū)海拔低，大氣壓接近海平面大氣壓力，查詢廣州地區(qū)的氣候資料，一年中溫度常在10℃～35℃的范圍，相對(duì)濕度常在65%～85%的范圍。根據(jù)這些地理、氣候資料，以溫度、相對(duì)濕度范圍，查找表1，得出該地區(qū)大氣露點(diǎn)值的范圍是3.7℃～32.1℃；SCR10T型螺桿式空壓機(jī)的排氣壓力是0.8 MPa，查找圖2得出壓縮空氣的壓力露點(diǎn)[5]約是38℃～70℃。

表1 相對(duì)溫濕度下露點(diǎn)查詢表（大氣壓）

圖2 壓力下露點(diǎn)-大氣壓下露點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖

根據(jù)對(duì)廣州地鐵工程車使用現(xiàn)狀的長(zhǎng)期跟蹤調(diào)查，機(jī)車開機(jī)頻繁且運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，這造成了空壓機(jī)的開機(jī)頻繁且每次運(yùn)行的時(shí)間較短，空壓機(jī)機(jī)體內(nèi)溫度常在25℃～37℃的區(qū)間。從以上的分析中不難得知：空壓機(jī)的運(yùn)行溫度總低于壓縮空氣的壓力露點(diǎn)。壓縮空氣的溫度低于其壓力露點(diǎn)時(shí)，壓縮空氣中有液態(tài)水析出。壓縮空氣中析出的這部分液態(tài)水微粒與油在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子間經(jīng)混合、碾壓、揉搓，油水分子鏈相互融合，即形成了空壓機(jī)潤(rùn)滑油快速、嚴(yán)重乳化的結(jié)果。

5.3 改造方案

分析了SCR10T型螺桿式空壓機(jī)油乳化的原因后，提高空壓機(jī)運(yùn)行溫度是解決油乳化問(wèn)題的最直接且最有效的手段。

在空壓機(jī)至冷卻風(fēng)扇的油路上加裝溫控閥，此處選擇HOERBIGER公司生產(chǎn)型號(hào)為TV1/2-70℃的溫控閥，其開啟溫度為70℃，全開溫度為85℃。此裝置為一進(jìn)兩出的三通閥，內(nèi)含溫敏元件，溫度變化時(shí)溫敏元件通過(guò)機(jī)械的方式在兩個(gè)出口之間進(jìn)行切換。將溫控閥安裝在空壓機(jī)油氣分離器至冷卻風(fēng)扇之間管路后，空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，潤(rùn)滑油溫度低于70℃時(shí)潤(rùn)滑油不經(jīng)過(guò)冷卻系統(tǒng)直接回機(jī)體內(nèi)，沒(méi)有冷卻系統(tǒng)散熱的潤(rùn)滑油快速升溫至70℃，此時(shí)溫控閥再將潤(rùn)滑油導(dǎo)至冷卻系統(tǒng)，維持空壓機(jī)運(yùn)行溫度介于85℃～105℃之間。

表2 改造前后潤(rùn)滑油樣品化驗(yàn)結(jié)果

空壓機(jī)經(jīng)加裝溫控閥改造后，除了空壓機(jī)剛起機(jī)的約1分鐘時(shí)間外，其運(yùn)行溫度總能維持在壓縮空氣的露點(diǎn)以上，讓壓縮空氣不析出液態(tài)水，潤(rùn)滑油質(zhì)量得到明顯提升，消除了SCR10T型螺桿式空壓機(jī)潤(rùn)滑油極易乳化的使用困擾。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，分析了SCR10T型螺桿式空壓機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)，針對(duì)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷進(jìn)行了研究，提出了合適的改造方案，在不影響工程車和空壓機(jī)工作效能的前提下，解決了進(jìn)氣閥頻繁通斷、安全閥噴油和潤(rùn)滑油嚴(yán)重乳化等3個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)這些改造，SCR10T型螺桿式空壓機(jī)在廣州地鐵工程車上運(yùn)行性能更加穩(wěn)定，顯著地提高了工程車的供車質(zhì)量。

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