空壓機(jī)油乳化的解決方案研究及應(yīng)用

徐紅星, 肖 飛, 蔣紅果, 鄢艷麗

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)部， 南京 210031)

空壓機(jī)產(chǎn)生油乳化原因是氣缸中的氣體含有水分，水分在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的曲軸作用下混入潤(rùn)滑油中，從而導(dǎo)致潤(rùn)滑油含水量過(guò)高，若此時(shí)空壓機(jī)工作率較低且長(zhǎng)時(shí)間停放，油品就容易出現(xiàn)乳化；解決油乳化的關(guān)鍵就是提高空壓機(jī)的工作效率，使空壓機(jī)長(zhǎng)期工作，氣缸內(nèi)溫度升高，曲軸連續(xù)潑濺機(jī)油，機(jī)油溫度也升高，水分蒸發(fā)成氣體，通過(guò)內(nèi)部排氣孔排泄出去，空壓機(jī)油就不會(huì)出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，通?？諌簷C(jī)的工作效率大于30%可避免空壓機(jī)的油乳化[1]。

寧高城際車輛最高運(yùn)營(yíng)速度120 km/h，全線高架，車輛安裝研磨子并預(yù)留撒沙裝置安裝接口(空壓機(jī)排量預(yù)留撒沙裝置的耗風(fēng))來(lái)避免高架線路滑行的風(fēng)險(xiǎn)。空壓機(jī)排量按照有撒沙裝置進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，每列車配置2套VV120型空壓機(jī)，其額定排量為920 dm3/min。但在開(kāi)通初期，列車編組短(3編組)，載客量小且沒(méi)有實(shí)際安裝撒沙裝置，列車的實(shí)際耗風(fēng)量將會(huì)很少，空壓機(jī)的工作效率很低，長(zhǎng)時(shí)間的不連續(xù)工作將會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)嚴(yán)重油乳化，因此寧高城際項(xiàng)目進(jìn)行了多種避免空壓機(jī)的油乳化的方案設(shè)計(jì)，包括調(diào)節(jié)雙塔干燥器再生孔、增加排風(fēng)裝置等。

1 再生孔調(diào)節(jié)方案

風(fēng)源系統(tǒng)配置雙塔干燥器，一個(gè)塔用于干燥，一個(gè)塔用于再生，兩個(gè)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(zhì)進(jìn)行再生干燥。再生塔的再生耗氣孔設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)，根據(jù)空壓機(jī)工作率的情況進(jìn)行調(diào)整，有1.4 mm，2.2 mm及2.4 mm的再生孔徑用于調(diào)整再生塔的耗風(fēng)量，直接調(diào)整空壓機(jī)的凈排量[1]，再生孔尺寸與凈排量的關(guān)系如表1所示。

表1 再生孔尺寸與凈排量的關(guān)系

通過(guò)理論計(jì)算，車輛各耗風(fēng)設(shè)備的耗風(fēng)量如下，其中min為最小耗氣量，在理想條件下運(yùn)行，如相對(duì)平直軌道，載客不多，車站之間很少制動(dòng)，很少用喇叭等；nor為正常耗氣量，在正常普通條件下運(yùn)行；max為最大耗氣量，在極端條件下運(yùn)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(fēng)設(shè)備，見(jiàn)表2。

表2 車輛各耗風(fēng)設(shè)備的耗風(fēng)量 dm3/min

在撒沙裝置沒(méi)有安裝的情況下，整車的實(shí)際耗風(fēng)量見(jiàn)表3。

表3 整車的實(shí)際耗風(fēng)量 dm3/min

不同再生孔尺寸下的空壓機(jī)的工作效率DCcomp如表4。

表4 不同再生孔尺寸下的空壓機(jī)工作效率 %

通過(guò)對(duì)比2.2 mm及2.4 mm的再生縮孔調(diào)節(jié)方案，增大再生縮孔的孔徑對(duì)空壓機(jī)的工作效率有明顯的提升，能夠有效避免空壓機(jī)油乳化，但該方案最直接的影響是削弱了空壓機(jī)供風(fēng)能力，對(duì)車輛的初充風(fēng)時(shí)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(shí)，初充風(fēng)時(shí)間由原來(lái)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(diào)節(jié)再生孔方案仍不能解決油乳化的問(wèn)題。

2 機(jī)械排風(fēng)裝置方案

在再生孔調(diào)節(jié)方案的工作效率不能滿足大于30%要求時(shí)，寧高城際項(xiàng)目提出了增加機(jī)械排風(fēng)裝置方案，目的是在空壓機(jī)出風(fēng)口處再額外增加一套排風(fēng)裝置，排風(fēng)裝置可根據(jù)空壓機(jī)油乳化情況進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，在排風(fēng)裝置開(kāi)啟情況下，增加列車的耗風(fēng)，從而提高空壓機(jī)的工作效率，避免空壓機(jī)的油乳化。

機(jī)械排風(fēng)裝置由截?cái)嗳TA14、溢流閥A13、節(jié)流孔A15及消聲器A16組成，其中溢流閥A13開(kāi)啟壓力為850 kPa，最小關(guān)閉壓力為700 kPa，溢流閥設(shè)置目的是當(dāng)總風(fēng)壓力低于700 kPa時(shí)機(jī)械排風(fēng)裝置自動(dòng)關(guān)閉，保證列車的耗風(fēng)安全，當(dāng)列車總風(fēng)壓力高于850 kPa時(shí)機(jī)械排風(fēng)裝置開(kāi)啟，持續(xù)耗風(fēng)。對(duì)于耗風(fēng)量的大小，取決于節(jié)流孔A15的孔徑φ2，孔徑的選擇可根據(jù)后期空壓機(jī)工作效率的測(cè)定進(jìn)行調(diào)整，具體排風(fēng)裝置原理如圖1所示。

A00-空壓機(jī)模塊；A14-截?cái)嗳T；A13-溢流閥；A15-節(jié)流孔；A16-消聲器。圖1 機(jī)械排風(fēng)裝置原理圖

在氣候潮濕如南京的梅雨季節(jié)或者開(kāi)通初期客流極少的情況下，采取再生孔調(diào)節(jié)方案仍發(fā)生油乳化時(shí)，可采取操作A14截?cái)嗳T啟動(dòng)機(jī)械排風(fēng)裝置，提高空壓機(jī)的工作效率，增加空壓機(jī)的連續(xù)工作時(shí)間，解決空壓機(jī)的油乳化問(wèn)題。但采取機(jī)械排風(fēng)裝置存在一個(gè)不可控的風(fēng)險(xiǎn)，列車在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中機(jī)械排風(fēng)裝置不可關(guān)閉，在A13溢流閥發(fā)生故障后，列車將會(huì)持續(xù)耗風(fēng)，影響列車運(yùn)營(yíng)安全；另外機(jī)械排氣的工作時(shí)間段不可控，啟動(dòng)了機(jī)械排氣裝置就一直工作，空壓機(jī)工作效率在一天的時(shí)間里并不均勻，早晚高峰工作效率過(guò)高，過(guò)了晚高峰后，空壓機(jī)的工作效率會(huì)逐步降低，潤(rùn)滑油中的水分會(huì)有一部分隨著車輛夜間回庫(kù)殘留其中，時(shí)間久了也會(huì)影響空壓機(jī)潤(rùn)滑油的品質(zhì)，同時(shí)全天候的持續(xù)排氣，會(huì)帶來(lái)一定噪聲問(wèn)題。

3 智能排風(fēng)裝置方案

考慮到機(jī)械排風(fēng)裝置存在的問(wèn)題，在機(jī)械排風(fēng)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了方案優(yōu)化，寧高城際項(xiàng)目提出了采用智能排風(fēng)裝置的方案來(lái)提高空壓機(jī)的工作效率解決空壓機(jī)的油乳化，其智能排風(fēng)裝置設(shè)置目的是增加列車的耗風(fēng)，同時(shí)還要增加系統(tǒng)的可靠性，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中若出現(xiàn)排風(fēng)故障，司機(jī)可隨時(shí)進(jìn)行關(guān)閉，并且可以設(shè)置在耗風(fēng)量小的時(shí)間段進(jìn)行排風(fēng)，使全天候的空壓機(jī)工作效率相對(duì)均勻，增加晚高峰以后的空壓機(jī)工作效率，白天時(shí)間段可以不啟動(dòng)排風(fēng)裝置。

智能排風(fēng)裝置方案在機(jī)械排風(fēng)裝置的基礎(chǔ)上增加電磁閥A17，通過(guò)列車TCMS系統(tǒng)智能控制電磁閥A17，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的智能排風(fēng)，具體智能排風(fēng)裝置原理圖如圖2所示。

TCMS觸發(fā)條件：時(shí)間段(晚上8：00—11：00)；風(fēng)壓(大于850 kPa)

在列車總風(fēng)正常時(shí)，且滿足TCMS觸發(fā)條件，電磁閥A17得電工作，排氣裝置完全開(kāi)啟，列車進(jìn)行額外耗風(fēng)，在列車風(fēng)壓降至850 kPa或時(shí)間段不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，排風(fēng)裝置自動(dòng)關(guān)斷。智能排風(fēng)裝置不僅可通過(guò)截?cái)嗳T(A14)人為切除或者由電氣柜內(nèi)斷路器隨時(shí)進(jìn)行關(guān)閉，故障發(fā)生后可以人為干預(yù)；同時(shí)在空氣相對(duì)干燥不易發(fā)生油乳化的季節(jié)里，可關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)功能或者縮短觸發(fā)的時(shí)間段，減少空壓機(jī)的耗風(fēng)浪費(fèi)；方案可設(shè)置排風(fēng)的時(shí)間段，可以在白天客流量較大的情況下不額外排風(fēng)，在晚上客流較小的情況下啟動(dòng)排風(fēng)裝置，保證全天時(shí)段空壓機(jī)的工作效率相對(duì)均勻。方案中還考慮了設(shè)備的冗余，即在電磁閥和溢流閥中的一個(gè)設(shè)備失效時(shí)，仍能夠保證車輛正常用風(fēng)，低于系統(tǒng)正常工作壓力下，排風(fēng)裝置仍能自動(dòng)關(guān)閉。

A00-空壓機(jī)模塊；A14-截?cái)嗳T；A17-電磁閥；A13-溢流閥；A15-節(jié)流孔；A16-消聲器。圖2 智能排風(fēng)裝置原理圖

4 方案設(shè)定及參數(shù)優(yōu)化

寧高城際列車交付時(shí)采用的再生孔調(diào)節(jié)方案和智能排風(fēng)裝置方案，其中再生孔調(diào)節(jié)方案中孔徑φ1為1.4 mm，智能排風(fēng)裝置節(jié)流孔A15孔徑φ2為1 mm，智能排風(fēng)時(shí)間段為晚上8：00—11：00。在2017年12月份開(kāi)通運(yùn)營(yíng)初期仍出現(xiàn)了嚴(yán)重的油乳化現(xiàn)象，對(duì)空壓機(jī)的工作效率進(jìn)行測(cè)定，現(xiàn)場(chǎng)記錄列車主空壓機(jī)實(shí)際的工作效率DCactual約為12%，遠(yuǎn)低于30%的要求。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的空壓機(jī)工作效率進(jìn)行分析，計(jì)算列車運(yùn)營(yíng)中實(shí)際的耗風(fēng)量，從而對(duì)方案中設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升空壓機(jī)的工作效率：

列車實(shí)際耗風(fēng)量Qactual：

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

其中，Qcomp-dry為空壓機(jī)的凈排量，DCactual為實(shí)際測(cè)得的空壓機(jī)工作效率；

通過(guò)計(jì)算，在最高壓力950 kPa條件下，智能排風(fēng)裝置中節(jié)流孔A15不同孔徑的耗風(fēng)量Qconsu和對(duì)空壓機(jī)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(shù)設(shè)定條件下，得到列車實(shí)際的耗風(fēng)設(shè)備(不含排風(fēng)裝置)的空壓機(jī)的工作效率為DCactual-DCadd=8.6%，可以看出初期列車實(shí)際耗風(fēng)非常少，同時(shí)排風(fēng)裝置A15孔徑φ2設(shè)定1 mm對(duì)空壓機(jī)工作負(fù)荷率調(diào)節(jié)作用非常小，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的調(diào)節(jié)幅度。為了提高空壓機(jī)的工作效率，對(duì)不同方案的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行了研究對(duì)比，具體方案如表5。

(1) 調(diào)整排風(fēng)裝置節(jié)流孔A15孔徑

為了降低排風(fēng)裝置帶來(lái)的噪聲影響及電磁閥連續(xù)工作時(shí)間故障率的問(wèn)題，電磁閥工作時(shí)間仍設(shè)置為晚上8：00—11：00之間，排風(fēng)裝置工作時(shí)間短，要達(dá)到空壓機(jī)工作效率調(diào)整效果通過(guò)增加排風(fēng)(A15)孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

(2) 增加排氣裝置工作時(shí)間

在A15節(jié)流孔為1 mm時(shí)，排氣裝置每天工作3 h的空壓機(jī)工作效率的增加量DCadd為3.4%，即使每天按照運(yùn)營(yíng)18 h排氣裝置全部工作，DCadd為27.2%，實(shí)際空壓機(jī)工作率DCactual為8.6%+27.2%=35.8%，能夠滿足空壓機(jī)工作效率的要求，但該方案增加電磁閥連續(xù)工作的時(shí)間，一定程度上會(huì)增加故障率，而且全天候的工作，智能排氣裝置設(shè)置目的也沒(méi)有達(dá)到。

(3) 調(diào)整再生孔孔徑φ1和節(jié)流孔A15孔徑φ2

通過(guò)采用不同尺寸的再生孔和節(jié)流孔A15孔徑大小的組合測(cè)試，發(fā)現(xiàn)單一的方案對(duì)提高空壓機(jī)工作效率有一定的局限性，寧高城際最后通過(guò)再生孔和節(jié)流孔A15組合調(diào)整，真正解決了列車自身耗風(fēng)較低情況下的油乳化問(wèn)題，實(shí)際組合測(cè)試數(shù)據(jù)如表6。

表6 實(shí)際組合測(cè)試數(shù)據(jù) %

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(fēng)裝置A13工作時(shí)間為3 h(晚上8：00—11：00期間)，排風(fēng)裝置節(jié)流孔A15孔徑2 mm，實(shí)際測(cè)得實(shí)際空壓機(jī)工作率DCactual為38.36%，滿足空壓機(jī)工作效率的要求，最終寧高城際項(xiàng)目空壓機(jī)油乳化問(wèn)題得以徹底解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

以寧高城際項(xiàng)目為例，分析可以提高空壓機(jī)工作效率的方案，并對(duì)各種方案及組合方案進(jìn)行計(jì)算分析，更改雙塔干燥器再生孔和增加排風(fēng)裝置對(duì)提高空壓機(jī)的工作效率是非常有效的，對(duì)于6編組的B型車，新線開(kāi)通初期可以僅通過(guò)調(diào)節(jié)干燥器再生孔孔徑來(lái)提高空壓機(jī)的工作效率，避免油乳化問(wèn)題的發(fā)生[1]；對(duì)于4編組或3編組B型車，根據(jù)寧高項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)建議采用綜合調(diào)節(jié)干燥器再生孔和增加排風(fēng)裝置來(lái)提高空壓機(jī)的工作效率，解決短編組車輛的空壓機(jī)油乳化問(wèn)題。