蘇州地鐵1號線車輛空氣壓縮機機油乳化故障分析及改進措施

秦娟蘭，應云飛，張 龍

（1. 湖北鐵道運輸職業學院，湖北武漢 430064；2. 蘇州軌道交通運營分公司，江蘇蘇州 215002）

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蘇州地鐵1號線車輛空氣壓縮機機油乳化故障分析及改進措施

秦娟蘭1，應云飛1，張 龍2

（1. 湖北鐵道運輸職業學院，湖北武漢 430064；2. 蘇州軌道交通運營分公司，江蘇蘇州 215002）

摘 要：針對蘇州地鐵1號線列車制動系統空氣壓縮機機油乳化故障，從機油水汽的存在、曲軸撥桿激烈攪拌、油品中的添加劑及空氣壓縮機工作周期不足4個方面分析了空氣壓縮機機油乳化故障機理；通過對1號線列車制動空氣壓縮機組跟蹤取樣，實驗排查，查找導致機油乳化故障的根本原因；提出了采用空氣干燥器節流孔的擴孔方案處理故障的可行性措施及建議。

關鍵詞：空氣壓縮機；機油；乳化；故障處理

蘇州地鐵1號線列車運營初期，空氣壓縮機機油乳化故障嚴重困擾著車輛乘務中心和車輛檢修中心。壓縮空氣是地鐵車輛單元制動機、電空控制裝置、風動門驅動裝置及空氣懸掛裝置等用風設備的工作介質?？諝鈮嚎s機機油乳化，導致機油稀釋，潤滑性能降低，運動部件磨損加劇，大大縮短了空氣壓縮機的使用壽命；同時機油乳化，壓縮空氣質量降低，為列車正常運行留下隱患，甚至危及行車安全。

1　空氣壓縮機組概述

蘇州地鐵 1號線列車采用 4 輛編組，其形式為：=TC1* M = M * TC2=，在每節拖車 TC 上均安裝了風源模塊，它包括壓縮空氣的產生、凈化、傳輸、存儲和壓力控制等環節。風源模塊采用 VV120 型空氣壓縮機組，它產生的壓縮空氣經雙塔式空氣干燥器凈化后，儲存在各車輛總風缸中，供本車用風設備使用。對于用風設備，尤其是空氣制動裝置，只有在壓縮空氣的相對濕度低于 35% 的臨界濕度條件下才能可靠的工作，在這個臨界濕度下，即使空氣中含有像酸一樣的腐蝕性物質，空氣制動裝置也不會出現腐蝕現象。因此，在空氣壓縮機后需采用空氣干燥器來將壓縮空氣的濕度降低到對車輛上用風設備無危害的程度。

VV120 型空氣壓縮機組（圖 1）由三相交流電機驅動壓縮機曲軸旋轉，采用 2 級活塞壓縮、2 級空氣冷卻，潤滑系統采用飛濺式潤滑。飛濺式潤滑是在連桿大頭下端裝設撥桿，利用運動零件的機械作用，將潤滑油送至活塞與氣缸的間隙和軸端的摩擦表面，增強密封作用，同時降低壓縮機的摩擦功、摩擦熱和零件的磨損，提高空氣壓縮機的機械效率。

空氣干燥器為雙塔形、無熱再生吸附式干燥器（圖2）。干燥器的 2 個干燥塔內裝有物理吸附特性的干燥劑，可從流經的壓縮空氣中吸走水分子。無熱再生吸附式雙塔干燥器的再生和吸附工作在 2 個塔中同時進行，當壓縮空氣在 1 個塔內通過干燥劑進行干燥時，另 1 個塔內的干燥劑被干燥的空氣吹掃進行再生處理。

圖2表明空氣干燥器處在工作狀態中，干燥塔 a 處在干燥狀態，干燥塔 b 處在再生狀態。在控制裝置預先設定的時序控制下，通往 a 塔雙活塞閥入口打開，通往 b 塔雙活塞閥入口關閉。到達干燥塔a的飽和壓縮空氣里的油和冷凝物在通過油水分離器時被其絲網表面內“拉希格環”粘附，a 塔內的干燥劑吸附流動的壓縮空氣里水分子，干燥后的壓縮空氣大部分到達出氣口（出氣口的空氣濕度不大于 35%），經由主風管輸送，存儲在主風缸及其他用風設備中。少部分干燥后的壓縮空氣通過再生節流孔進入干燥塔 b（再生塔），吸收其飽和干燥劑表面的水分，經由雙活塞閥排泄口排放到大氣中，b 塔干燥劑再生。干燥器完成半個循環周期。經由同樣的方式通過塔內各閥的切換完成干燥塔 b 吸附、干燥塔a 再生的下半個循環周期。

圖2中右邊剖面圖表示再生節流孔內部結構，再生節流孔孔徑的大小控制再生過程的用氣量?？讖皆酱螅瑓⑴c再生的干燥空氣越多，到達總風缸的干燥空氣就越少，空氣壓縮機打風時間延長，空氣壓縮機工作周期增大。因此，再生節流閥孔徑的大小影響空氣壓縮機工作周期和工作效率。

圖1　VV120 型空氣壓縮機組

圖2　雙塔式空氣干燥器

2　空氣壓縮機機油乳化故障機理分析

空氣壓縮機機油形成乳狀液必須具有 3 個必要條件：一是必須有互不相溶（或不完全相溶）的 2 種液體；二是 2 種混合液中應有乳化劑存在；三是要有形成乳化液的能量，如強烈的攪拌、循環、流動等。

機油水汽、曲軸撥桿激烈攪拌、機油乳化劑是產生空氣壓縮機機油乳化的內在原因。地鐵車輛空氣壓縮機工作周期不足也可導致機油乳化。

2.1機油中水汽的存在

機油中水汽的存在，會加速油質的老化及產生乳化；同時會與油中添加劑作用，促使其分解，導致設備銹蝕。在空氣壓縮機中，發現機油中進水的主要原因是空氣壓縮機工作時潮濕的空氣（春夏時節）以一定的速度通過空氣過濾器內纖維層，較大的塵埃被纖維層攔截而分離，較小的雜質被空氣過濾器纖維膜吸附，空氣中的水分并沒減少，而是直接進入壓縮機，水汽在 2 個低壓缸中經過壓縮，溫度升高，水汽不會冷凝析出，低壓缸中不會有水進入曲軸箱，水汽隨空氣進入低壓缸壓縮后經冷卻器進入高壓缸；當低壓缸排出的壓縮空氣進入冷卻器后經過冷卻，當排氣溫度低于隨空氣的壓力和濕度的升高而升高的壓力露點溫度（一定壓力下水蒸氣變為露珠時候的溫度）時，在中冷器管璧上就有冷凝水析出，并積存在空氣壓縮機冷卻器下蓋里，也有小部分冷凝水隨壓縮空氣進入高壓缸。如果高壓缸組裝或配件不良，水經活塞環下竄到曲軸箱內。空氣壓縮機工作過程中水汽會在高速轉動的曲軸作用下混入機油中，使油中帶水，導致機油乳化。此外，空氣壓縮機停止工作后曲軸箱內為負壓，使得有空氣中少量的水汽及混合水蒸氣經油濾器通氣孔進入曲軸箱，也為機油乳化留下隱患。

2.2油品中的添加劑

機油添加劑（如抗氧化劑和防銹劑），大都是具有一定表面活性的化合物或混合物。在這些物質的分子結構中，一端是具有親油性的非極性基團，另一端是具有一定表面活性的親水性極性基團。雖然它們都溶解于油而不溶解于水，但在一定轉速下極性基團對水就具有一定的親合能力，增強了油水分離的難度，使油質乳化。因此，機油的品質也影響著空氣壓縮機的正常工作。

2.3激烈攪拌

在空氣壓縮機高速旋轉（955r/min 以上）時，在曲軸連桿大頭撥油桿帶動下，油和水被激烈而充分的攪拌，呈乳濁液態。此時，親水的極性基團有了與水充分親合的機會，當親合力很大時，就會與水牢固的結合在一起。又由于親油性的非極性基團能溶于油中，從而通過這種物質的作用使水和油結合在一起。因此，這時水就不能與油分離，即產生乳化現象。空氣壓縮機曲軸及撥桿的高速攪拌加劇了機油的乳化。機油中溶有空氣，特別是在高溫攪拌下，會加速油的氧化變質，油品氣化變質而產生的環烷酸皂、膠體等物質都是乳化劑，使油更容易乳化。

2.4空氣壓縮機工作周期不足

空氣壓縮機工作周期不足，工作效率 = t / T × %，T 為列車從早晨出庫到晚上回到庫內的 1 個運營周期；t 是在 1 個運營周期內空氣壓縮機累計工作時間，工作效率低也是導致機油乳化的原因之一。地鐵列車制動控制策略一般是優先采用電制動（動力制動）、空氣制動滯后補足的原則，列車空氣制動用風量不大；若地鐵站距長，運送乘客少，特別是現代地鐵車輛客室門大多采用電動門，受電弓采用電動弓等，使得用風設備用風量減少，導致空氣壓縮機工作時間 t 減少?？諝鈮嚎s機工作周期不足，空氣壓縮機工作效率大為降低。在較低的工作效率下，空氣壓縮機則保持在較低溫度范圍工作，空氣中的水分在空氣壓縮后無法蒸發排出，保留在空氣壓縮機內，致使機油乳化。

3　空氣壓縮機機油乳化故障危害

（1）嚴重影響空氣壓縮機使用壽命。由于空氣壓縮機油乳化嚴重，曲軸箱油位上升、油水分離，導致空氣壓縮機機油被稀釋嚴重，降低潤滑性能，使運動部件磨損加劇，活塞環密封失效，空氣壓縮機機油泄漏；此外，乳化的機油含水量高，水在曲軸箱內無法排除，容易讓氣缸及曲軸腐蝕，大大縮短空氣壓縮機的使用壽命，此故障較常見現象是空氣壓縮機工作時發出不正常的噪聲和敲缸。從整個管路系統看，油水若不及時排放，則會隨著壓縮空氣流向全車用風系統，嚴重時會導致系統癱瘓。

（2）空氣壓縮機機油乳化嚴重導致油位過高，可能損害各運動部件?？諝鈮嚎s機機油乳化故障會造成油位過高，空氣壓縮機油位要求不高于 2/3，最高不超過視液鏡頂部。通常排油 2～3L 后，油位才能在正常范圍內。油位過高，一方面增加曲軸轉動阻力；另一方面油位達到壓縮腔高度時，可能會對壓縮腔有影響。此外，油位也不能太低，油位太低（油位低于 1/3），會因缺油使運動部件產生干摩擦，各運動部件不同程度受到損傷。

4　技術分析

4.1故障描述

由于空氣壓縮機組故障頻發，在對列車空氣壓縮機組進行排油檢測時發現，各空氣壓縮機均能排出大量乳化油（約 2～3L），其中有 7 臺空氣壓縮機存在油水分離情況，排出了大量水（大于 1L），同時從曲軸箱油表可觀察到機油由原來清亮的褐黃色變為渾濁的乳黃色或乳白色。

4.2相關跟蹤實驗及檢測分析

選取 5 列列車（共 10 臺空氣壓縮機）進行跟蹤分析，在 10 臺空氣壓縮機中，僅 1 臺空氣壓縮機機油油位正常，其余 9 臺空氣壓縮機機油油位偏高。

4.2.1空氣壓縮機換油排油檢測

按克諾爾公司要求的換油方式進行換油。將空氣壓縮機機油放干凈，并用干凈的棉布或海綿將箱體、曲軸、連桿、油位顯示器等擦拭干凈。用新油沖洗3 次（打 20min 后排空），并將機油放干凈，再重新加入新油，以保證曲軸、連桿中含有的乳化油徹底排盡。換新油后，從油表觀察油品顏色為褐黃色。

2 個月后，再次進行排油檢查，發現 TC2 車的空氣壓縮機軸箱有水、TC1 車的空氣壓縮機機油乳化，2 臺空氣壓縮機均排出大量乳化油。

結論：在正確的加油方法及正確的加油數量情況下，仍存在空氣壓縮機油乳化、油位偏高以及油水分離情況。此故障與加油方法及油品沒有直接關系，排除加油方法及油品質量的原因。

4.2.2空氣壓縮機乳化油中水的分離、檢測和分析

對故障列車 2 臺空氣壓縮機機油采樣發現，壓縮機機油顏色已變為乳白色，并采集壓縮機機油乳化樣品進行分析。抽取樣本檢測乳化油含水分 12%，大大超過運行要求。抽取樣本在 955r/min 轉速下旋轉 20min，將油中水分離出來，再將懸浮表面油吸掉，然后對分離出的水進行元素和指標測定，乳化的空氣壓縮機機油中的水分和潮濕空氣水分是同一性質的水分。

結論：空氣壓縮機乳化是因潮濕空氣混入所致，潮濕空氣是造成空氣壓縮機機油乳化的直接原因。

4.2.3空氣壓縮機工作效率檢測分析

按照南京浦鎮廠提供的空氣壓縮機工作效率數據取樣方案，進行空氣壓縮機工作效率取樣檢測。通過對數據跟蹤，確認空氣壓縮機工作效率較低，未達到設計要求，平均僅為 20.82%。

空氣壓縮機機油乳化的主要原因是空氣壓縮機的工作周期偏小，即空氣壓縮機的工作時間不夠，列車的壓縮空氣消耗量較小。由于空氣壓縮機工作時機組溫度會升高，停機時溫度會降低，如果壓縮機工作時間不夠，會造成空氣壓縮機組溫差變化較大，溫差的變化造成機組內部出現大量冷凝水，冷凝水的出現為空氣壓縮機機油乳化埋下隱患。為了找到冷凝水的存在，在空氣壓縮機停機后，打開空氣壓縮機曲軸箱蓋，用手電筒照射空氣壓縮機氣缸套內壁，看到水珠沿內壁滾下來，這為壓縮機機油乳化是因冷凝水進入曲軸箱所致提供了現場證據。

結論：空氣壓縮機的工作周期偏小，機組內部溫差的變化造成大量冷凝水析出，這是空氣壓縮機機油乳化的主要原因。

5　解決方案

為了有效解決空氣壓縮機工作效率低造成機油乳化問題，在保證空氣過濾器濾芯滿足使用要求后，人為增加雙塔式空氣干燥器的排氣量。根據浦鎮廠業務聯系書進行了擴孔試驗，分別對 2 輛拖車雙塔式空氣干燥器節流孔由 1.1mm 擴至 1.8mm 及 1.1mm 擴至 1.9mm，使60%的干燥空氣經再生節流孔流回，通過增加機組工作周期來避免乳化現象。跟蹤乳化現象改善較為明顯，同時油位恢復正常。

對擴孔后的空氣壓縮機工作效率進行取樣分析，工作效率在 34% 左右。克諾爾公司認為，通過擴孔，空氣壓縮機機油乳化現象可以較大改善，但可能無法完全杜絕（完全杜絕要求空氣壓縮機工作周期為 40% ～45%），考慮到蘇州地鐵客流的逐步增長，建議先按1.8mm進行擴孔。

由此可見，通過擴孔，空氣壓縮機工作效率得到了較大提升，空氣壓縮機油乳化、油位上升及油水分離現象得到了較大改善。長期效果仍需要繼續跟蹤。

蘇州地鐵 1號線從空氣壓縮機再生節流孔擴孔改造后，未出現空氣壓縮機機油乳化故障。一方面是因為 4 輛編組列車制動是電空復合制動，電制動力大，空氣制動力小，用風量少；另一方面，地鐵車輛客室門大多采用電動門，不用風；此外，1號線客流量少，空氣彈簧部分用風也少。隨著將來客流量的增大或空氣制動力要求升高，擴孔改造可能會導致供風能力不足、空氣制動力減小等故障，因此，在后續的對擴孔后的空氣壓縮機跟蹤監測要加以重視。

6　結束語

理論分析和改進效果說明，克若爾公司在設計時對列車用風少考慮不夠充分，空氣壓縮機工作效率低下，是蘇州地鐵 1號線車輛空氣壓縮機機油乳化的直接原因。實踐證明，擴大再生節流孔孔徑，能有效提高空氣壓縮機工作效率，減少機油乳化故障。

空氣壓縮機再生節流孔擴孔改造也存在一定負面影響。再生節流孔擴孔改造后，再生耗氣量增加，能耗增加，壓縮空氣資源被浪費。此外，當出現客流量增大或者列車氣路漏氣等情況時，空氣壓縮機供風能力不足，將出現列車供風等待時間延長，造成列車運營晚點，嚴重時可能導致列車清客救援等運營事故。

在列車設計時，采用變頻電機驅動空氣壓縮機，使空氣壓縮機根據用風量調節供風量，長期處于工作狀態，將是解決空氣壓縮機機油乳化的最佳方式。

參考文獻

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責任編輯 冒一平

Analysis and Improvement Measures of Oil Emulsifi cation of Vehicle Air Compressor of Suzhou Metro Line 1

Qin Juanlan, Ying Yunfei, Zhang Long

Abstract:Aiming at the oil emulsifi cation failure of air compressor for train braking system on Suzhou metro line 1, the paper analyzes the four aspects of air compressor lubricating oil emulsification mechanism including the moisture existence of engine oil, crankshaft rod intense mixing, additives in oil and non full air compressor working cycle. Through tracking and sampling of train air brake compressor on line 1, experimental investigation, it tries to fi nd the causes of oil emulsifi cation cause， puts forward the feasibility of measures and suggestions on the air dryer throttle hole reaming processing scheme.

Keywords:air compressor, oil, emulsification, fault treatment

中圖分類號：U260.35+1

作者簡介：秦娟蘭（1970—），女，高級講師

收稿日期2015-05-25