淺談地鐵空壓機內部結構及故障分析研究

曹文祥 張浩

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412000

隨著地鐵軌道交通的需求日益增加，對地鐵軌道交通車輛的關鍵零部件的可靠性提出越來越高的要求。而在車輛眾多關鍵零部件中，空壓機是保證城市地鐵安全的極為重要的部件。城軌車輛出于可靠性考慮，配置有兩套空氣供給裝置，互為冗余設計，當其中一套空氣供給裝置出現故障，另一套空氣供給裝置自動啟動，為車輛提供足夠的壓縮空氣保證車輛運行。本文結合車輛實際運營中空壓機停轉的典型故障開展分析研究，方便支持地鐵車輛的制動系統的檢修工作。

1 空壓機的組成

目前空壓機的供風形式分為活塞式和螺桿式，為車輛的制動、連掛和舒適性提供風源。空壓機作為列車制動及調節舒適度的重要組成部分，在保證列車安全運行的同時，進一步提高乘客的乘坐舒適度。空壓機主要由驅動電機、冷卻器、機頭等組成，如圖1所示。其中螺桿空氣壓縮機為旋轉陰陽子機械結構，是目前行業內商業應用最多的壓縮機。空壓機螺桿結構內部由兩個相互嚙合的陰陽轉子組成，轉子具有不對稱的嚙合型面，由電機帶動在機頭結構內旋轉以壓縮空氣。壓縮機體從徑向吸氣，從軸向排氣，壓縮空氣通過壓縮機螺桿殼體內特殊形狀的通道排出。當轉子開始旋轉時，葉片之間的空氣體積將被不斷壓縮。當進氣口打開時，被一級過濾的空氣吸入空壓機內部。當出入口都被轉子蓋住時，空氣被壓縮，同時向出口運動。當轉子繼續旋轉，出氣口打開，壓縮空氣從排氣口進入第二級過濾裝置，如圖2所示。

圖1 空氣壓縮機結構圖

圖2 空氣壓縮機內部機頭示意圖

2 空壓機故障檢查分析

引起空壓機故障原因存在多種，包括接觸器本身器件失效、驅動電源線路短路造成接觸器跳開、空壓機管路堵塞造成空壓機輸入輸出空氣壓力差過大導致電機保護性停機、電機內部繞組燒毀或傳動機構卡滯等。因此，故障排除需遵循一定的順序進行分析，進而合理優化空壓機的檢修方式及內容，以提高地鐵車輛的運營效率及列車服務可靠度。

2.1 電氣分析

主電路作為空壓機的電源輸入，是可能造成空壓機停轉的最直接原因，應優先測試驗證。經檢測，壓縮機主電路(AC380V)三相間阻值均大于100MΩ，說明主電路無故障。繼電器作為空壓機啟動前及啟動后的實時監測點，可以真實反饋當前空壓機的工作狀態，當繼電器出現故障時，會導致無法正確地監控空壓機狀態，且可能會導致空壓機無法啟動。經檢查相對應微動開關接觸器阻值正常，線圈阻值正常，接觸器正常。空壓機啟動后的反饋監測點是由繼電器來實現，當繼電器出現故障時，會導致無法正確地監控空壓機狀態，當出現嚴重故障時，可能會導致空壓機無法啟動。繼電器故障可以通過車輛檢測軟件下載相關數據后查看相應故障時間點的數據，分析故障原因，同時通過控制電路圖對電路各個節點進行電阻值測量對比。在進行日常檢修時，需重點監測空壓機的繼電器及強迫泵風控制點，同時保證空壓機的控制線路無故障，經啟動核查相關繼電器阻值正常線圈阻值正常，繼電器到空壓機的線纜絕緣均無窮大，繼電器工作正常。

2.2 機械分析

空壓機主要用于為制動系統、空氣彈簧、車鉤系統、風笛、受電弓供風等多個系統提供干凈的風源。通過多年來對列車空壓機的運行故障分析經驗，總結出了主空壓機內部結構和高溫故障發生的可能性原因及后續防范措施。一般來說，空壓機內部機械部件為陰陽轉子復合結構，相對比較可靠，當出現故障時，主要為潤滑油乳化導致的二次問題。經檢查空氣過濾器、油濾、溫控閥等管路部分未發現堵塞，但通過視油鏡觀察潤滑油情況，潤滑油發生中度乳化且含量較少，如圖3所示。同時潤滑油的乳化與油品中的添加劑性能亦有關系。本項目空壓機潤滑油中含有部分抗氧化劑，當空壓機轉速達到一定程度時，抗乳化劑的極性基團對水也會產生一定的親和能力，油水分離的難度將大大提高，一定程度上促進了油質乳化。通過人工轉動電機扇葉，發現相對正常空壓機有較大的阻塞感，因此初步判斷為空壓機內部機頭硬件故障。

圖3 潤滑油中度乳化情況

2.3 內部拆解分析

空壓機機頭位于油氣筒內部，如需拆除更換需先將外部零部件全部拆除，包括驅動電機、冷卻器及聯軸節等，待拆除外部零部件后，將故障的機頭拆解進行檢查。

經拆解檢查，發現相比較完整的機頭，故障的油漆桶內部存在大量的金屬腐蝕碎屑，檢查中發現端蓋、軸承室存在銹蝕產生的腐蝕痕跡，進一步拆開轉子后發現轉子型線上也有明顯的銹痕和劃痕，陽轉子兩端面均有嚴重的磨損，其中陽轉子進氣端端面有一大塊積聚的金屬碎塊，如圖4所示。

圖4 陰陽轉子存在階梯狀磨損

根據拆解中發現的銹痕和油泥，可基本判斷此風源裝置曾發生潤滑油乳化情況。潤滑油乳化后會導致機頭端蓋和軸承處產生銹渣，由于腐蝕產生的銹渣填充了轉子端面和機殼的配合間隙，在轉子高速旋轉的條件下造成轉子與機殼磨損。同時銹渣和研磨產生的金屬碎屑進入轉子型線間空隙，造成轉子劃傷，導致大量的金屬碎屑隨潤滑油進入油氣桶內。

3 故障驗證及檢修建議

3.1 故障驗證

對空壓機電路管路氣路進行預檢查，將手放在空氣過濾器吸氣口感覺到有明顯吸力，而且系統很快建立起壓力，說明進氣閥中的止回閥部分工作良好。在額定壓力情況下，空壓機機頭油路、端蓋處無油泄漏，用檢漏噴劑檢查所有氣路系統是否有泄漏。將壓力露點測試儀傳感器插入管路并聯型測試接口，維持管路壓力900±20kPa，檢測風源系統輸出壓縮空氣的相對濕度<35%。將全新的機頭安裝進油氣筒內，在額定工作壓力下運行空壓機，進行試驗驗證，更換機頭后空壓機正常運轉30min，供風正常，TMCS未反饋故障。

空壓機卡滯故障緣由為機頭內部腐蝕磨損抱死導致。機頭內部出現腐蝕磨損的最常見原因為空壓機潤滑油出現乳化。空壓機潤滑油發生乳化的主要原因是由于在空氣壓縮過程中潤滑油與水激烈攪拌導致混濁。乳化液是油和水的混合物，當含水量達到0.15%(1500ppm)左右時，稱為輕度乳化。隨著工作時長的增加，可能會發生中度和重度乳化現象。

廣州地區位于南部沿海區域，常年空氣潮濕，溫度較高是誘發潤滑油乳化的主要原因。同時若空氣壓縮機未按期更換空氣過濾器濾芯、油過濾器濾芯，以及未按照維修手冊要求進行補加油及換油工序，也可能會導致潤滑油中雜質增加。空壓機潤滑油乳化會引起油氣筒內部及陰陽轉子銹蝕，導致傳動機構卡滯故障。

3.2 檢修建議

為了給總風管提供穩定的壓力，空壓機工作時會以1400r/min運轉，同時導致油和水分的激烈攪拌。所以為了預防空壓機潤滑油乳化帶來的機頭卡滯故障，主要是減少空壓機油中的水分以及加強日常檢修。

1.制定合理的檢修頻次

目前廣州地鐵檢修規程包括日檢、雙周檢、系統修、月修、年修等。為了防止空壓機油乳化，應在日檢中增加空壓機油油位及油品的檢查項目，保證空壓機油的良好狀態。

2.確保空壓機科學的使用率

空壓機發生乳化的主要原因在于空壓機油中的水汽未能及時排出。而空壓機使用率為其實際工作時間與上電時間的比值，若車輛在初始運行時間較短，空壓機油溫度未能上升到溫控閥的工作溫度，則會導致空壓機油中的水汽得不到及時冷凝排出，進而發生潤滑油乳化現象。

3.定期添加抗乳化劑

對于空氣較為潮濕的沿海地區，為延長空壓機的使用壽命和降低由潤滑油乳化造成的故障頻次，可根據運行中潤滑油的油質情況，定期向油中添加抗乳化劑，以破壞油水界面上的乳化膜。

結語

空壓機作為車輛核心關鍵零部件，負責車輛為地鐵車輛制動系統、空簧及其他用風設備提供潔凈的壓縮空氣，針對正線運營情況下，供風模塊出現故障需高效可靠處理。本文通過空壓機潤滑油乳化導致的內部轉子意外卡滯的典型故障案例，詳細介紹了空壓機的結構組成和故障分析流程，并提出了針對此故障的日常檢修要點，為地鐵車輛空壓機的檢測維修提供了參考依據。