空壓機油乳化的解決方案研究及應用

徐紅星, 肖 飛, 蔣紅果, 鄢艷麗

(中車南京浦鎮車輛有限公司 設計開發部， 南京 210031)

空壓機產生油乳化原因是氣缸中的氣體含有水分，水分在高速轉動的曲軸作用下混入潤滑油中，從而導致潤滑油含水量過高，若此時空壓機工作率較低且長時間停放，油品就容易出現乳化；解決油乳化的關鍵就是提高空壓機的工作效率，使空壓機長期工作，氣缸內溫度升高，曲軸連續潑濺機油，機油溫度也升高，水分蒸發成氣體，通過內部排氣孔排泄出去，空壓機油就不會出現乳化現象，通常空壓機的工作效率大于30%可避免空壓機的油乳化[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留撒沙裝置安裝接口(空壓機排量預留撒沙裝置的耗風)來避免高架線路滑行的風險。空壓機排量按照有撒沙裝置進行選型設計，每列車配置2套VV120型空壓機，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，列車的實際耗風量將會很少，空壓機的工作效率很低，長時間的不連續工作將會導致空壓機嚴重油乳化，因此寧高城際項目進行了多種避免空壓機的油乳化的方案設計，包括調節雙塔干燥器再生孔、增加排風裝置等。

1 再生孔調節方案

風源系統配置雙塔干燥器，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進行再生干燥。再生塔的再生耗氣孔設計為可調節，根據空壓機工作率的情況進行調整，有1.4 mm，2.2 mm及2.4 mm的再生孔徑用于調整再生塔的耗風量，直接調整空壓機的凈排量[1]，再生孔尺寸與凈排量的關系如表1所示。

表1 再生孔尺寸與凈排量的關系

通過理論計算，車輛各耗風設備的耗風量如下，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設備，見表2。

表2 車輛各耗風設備的耗風量 dm3/min

在撒沙裝置沒有安裝的情況下，整車的實際耗風量見表3。

表3 整車的實際耗風量 dm3/min

不同再生孔尺寸下的空壓機的工作效率DCcomp如表4。

表4 不同再生孔尺寸下的空壓機工作效率 %

通過對比2.2 mm及2.4 mm的再生縮孔調節方案，增大再生縮孔的孔徑對空壓機的工作效率有明顯的提升，能夠有效避免空壓機油乳化，但該方案最直接的影響是削弱了空壓機供風能力，對車輛的初充風時間影響較大，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，因此僅采用調節再生孔方案仍不能解決油乳化的問題。

2 機械排風裝置方案

在再生孔調節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械排風裝置方案，目的是在空壓機出風口處再額外增加一套排風裝置，排風裝置可根據空壓機油乳化情況進行手動開啟和關閉，在排風裝置開啟情況下，增加列車的耗風，從而提高空壓機的工作效率，避免空壓機的油乳化。

機械排風裝置由截斷塞門A14、溢流閥A13、節流孔A15及消聲器A16組成，其中溢流閥A13開啟壓力為850 kPa，最小關閉壓力為700 kPa，溢流閥設置目的是當總風壓力低于700 kPa時機械排風裝置自動關閉，保證列車的耗風安全，當列車總風壓力高于850 kPa時機械排風裝置開啟，持續耗風。對于耗風量的大小，取決于節流孔A15的孔徑φ2，孔徑的選擇可根據后期空壓機工作效率的測定進行調整，具體排風裝置原理如圖1所示。

A00-空壓機模塊；A14-截斷塞門；A13-溢流閥；A15-節流孔；A16-消聲器。圖1 機械排風裝置原理圖

在氣候潮濕如南京的梅雨季節或者開通初期客流極少的情況下，采取再生孔調節方案仍發生油乳化時，可采取操作A14截斷塞門啟動機械排風裝置，提高空壓機的工作效率，增加空壓機的連續工作時間，解決空壓機的油乳化問題。但采取機械排風裝置存在一個不可控的風險，列車在運營過程中機械排風裝置不可關閉，在A13溢流閥發生故障后，列車將會持續耗風，影響列車運營安全；另外機械排氣的工作時間段不可控，啟動了機械排氣裝置就一直工作，空壓機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潤滑油的品質，同時全天候的持續排氣，會帶來一定噪聲問題。

3 智能排風裝置方案

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

智能排風裝置方案在機械排風裝置的基礎上增加電磁閥A17，通過列車TCMS系統智能控制電磁閥A17，實現對列車的智能排風，具體智能排風裝置原理圖如圖2所示。

TCMS觸發條件：時間段(晚上8：00—11：00)；風壓(大于850 kPa)

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

A00-空壓機模塊；A14-截斷塞門；A17-電磁閥；A13-溢流閥；A15-節流孔；A16-消聲器。圖2 智能排風裝置原理圖

4 方案設定及參數優化

寧高城際列車交付時采用的再生孔調節方案和智能排風裝置方案，其中再生孔調節方案中孔徑φ1為1.4 mm，智能排風裝置節流孔A15孔徑φ2為1 mm，智能排風時間段為晚上8：00—11：00。在2017年12月份開通運營初期仍出現了嚴重的油乳化現象，對空壓機的工作效率進行測定，現場記錄列車主空壓機實際的工作效率DCactual約為12%，遠低于30%的要求。對現場測定的空壓機工作效率進行分析，計算列車運營中實際的耗風量，從而對方案中設定的參數進行優化，進一步提升空壓機的工作效率：

列車實際耗風量Qactual：

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

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

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

DCadd=2×(Qconsu/Qcomp-dry)×(3/24)

在車輛交付的參數設定條件下，得到列車實際的耗風設備(不含排風裝置)的空壓機的工作效率為DCactual-DCadd=8.6%，可以看出初期列車實際耗風非常少，同時排風裝置A15孔徑φ2設定1 mm對空壓機工作負荷率調節作用非常小，沒有達到預期的調節幅度。為了提高空壓機的工作效率，對不同方案的參數設定進行了研究對比，具體方案如表5。

(1) 調整排風裝置節流孔A15孔徑

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

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

(2) 增加排氣裝置工作時間

在A15節流孔為1 mm時，排氣裝置每天工作3 h的空壓機工作效率的增加量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%，實際空壓機工作率DCactual為8.6%+27.2%=35.8%，能夠滿足空壓機工作效率的要求，但該方案增加電磁閥連續工作的時間，一定程度上會增加故障率，而且全天候的工作，智能排氣裝置設置目的也沒有達到。

(3) 調整再生孔孔徑φ1和節流孔A15孔徑φ2

通過采用不同尺寸的再生孔和節流孔A15孔徑大小的組合測試，發現單一的方案對提高空壓機工作效率有一定的局限性，寧高城際最后通過再生孔和節流孔A15組合調整，真正解決了列車自身耗風較低情況下的油乳化問題，實際組合測試數據如表6。

表6 實際組合測試數據 %

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，排風裝置A13工作時間為3 h(晚上8：00—11：00期間)，排風裝置節流孔A15孔徑2 mm，實際測得實際空壓機工作率DCactual為38.36%，滿足空壓機工作效率的要求，最終寧高城際項目空壓機油乳化問題得以徹底解決。

5 結束語

以寧高城際項目為例，分析可以提高空壓機工作效率的方案，并對各種方案及組合方案進行計算分析，更改雙塔干燥器再生孔和增加排風裝置對提高空壓機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節干燥器再生孔孔徑來提高空壓機的工作效率，避免油乳化問題的發生[1]；對于4編組或3編組B型車，根據寧高項目經驗建議采用綜合調節干燥器再生孔和增加排風裝置來提高空壓機的工作效率，解決短編組車輛的空壓機油乳化問題。