VV120型空气压缩机排气温度的监测与分析

梁国添 梁仲文

(广州地铁集团有限公司运营事业总部 广东 广州 510380)

VV120型空气压缩机排气温度的监测与分析

梁国添 梁仲文

(广州地铁集团有限公司运营事业总部 广东 广州 510380)

分析了广州地铁车辆装用的VV120型空压机影响排气温度的因素，提出了空压机运行状态评估方法，及时解决了车载空压机维护过程中的实际问题。

VV120型空压机；排气温度；评估

广州地铁目前已开通运营的各条线路中，90%以上的车辆采用了德国Knorr公司生产的VV120型活塞式空气压缩机(以下简称空压机)，列车配置2台作为双备份系统，为车辆各气路系统提供干燥洁净的空气。从车辆日常运营检修和架、大修维护情况来看，随着列车使用年限和运行里程的增加，空压机故障率逐渐增大，如空压机漏油、异响、供风量不足、排气温度过高等，影响了列车制动系统的正常工作，严重时将危及列车的运行安全。

空压机排气温度过高也直接影响到气缸活塞环的使用寿命和气缸的气密性，且气缸内的润滑油由于温度过高而分解，容易烧坏活塞环，情况严重时会引起爆炸，因此在空压机试验中对排气温度的监测不可或缺。

1 VV120型空压机的结构及工作原理

VV120型空压机由380 V三相交流电机驱动，采用3缸(1个高压缸，2个低压缸)两级压缩结构(见图1)。其工作原理是：外部气流通过空气滤清器清洁后进入2个低压缸中进行一级压缩，然后经过中间冷却器冷却，冷却后的压缩空气再进入高压缸进行二级压缩，压缩后的空气再次回流至冷却器进行冷却，形成高压低温的气体，进入干燥器进行干燥清洁处理，最终进入列车空气回路。

图1 VV120型空压机结构

2 理论计算

根据VV120型空压机工作原理和热力学理论[1]，推断出空压机排气温度的计算公式如下：

(1)

式中：T1为气缸的进气温度，K；T2为气缸的排气温度，K；P1为气缸的进气压力，MPa；P2为气缸的排气压力，MPa；N为空气压缩过程的多变指数。

由式(1)可知，气缸的压缩比(P2/P1)、T1、N是影响空压机排气温度的3项主要因素。如果空压机运行时排气温度超标，则该3项指标超过标准值，在持续超标的温度下工作进而引发空压机故障。

若不考虑管道阻力，低压缸的进气压力P低1即为当地的大气压力减去空气过滤器的阻力，低压缸的排气压力P低2即为冷却器的一级进气压力，因此在正常情况下低压缸的压缩比P低2/P低1变化很小；如果空压机运行中由低压排气至高压进气间管道堵塞导致阻力增大，或当低压缸的排气阀或高压缸的吸气阀发生故障时，低压缸排气压力P低2增大，从而使低压缸的压缩比P低2/P低1增大。若不考虑管道与冷却器的阻力，高压缸的进气压力P高1即等于低压缸的排气压力P低2，当低压缸工作正常时其变化不大，P高2则主要根据车辆运行状态而调整，在满足车辆运行气压的前提下，此压力越低，则空压机耗电更少，工作更经济，排气温度也随之降低。如果空压机运行中高、低压缸的吸、排气阀发生故障或管路和冷却器堵塞导致阻力增大时，都会使高压缸排气压力P高2增大，从而使高压缸的压缩比P高2/P高1增大，排气温度升高。

第1级气缸(低压缸)的进气温度T低1即为室外温度，该温度随不同的季节而变化，但由于空压机本身散热对周围温度的影响，空压机的进气温度总是略高于室外温度。若不考虑进气管道的热损失，第2级气缸(高压缸)的进气温度T高1即为经过冷却器一次冷却后的的出口温度。而冷却器的冷却效率直接影响一次冷却后的出口温度，进而影响高压缸的排气温度。

多变指数N受冷却器的影响，根据冷却器的热平衡公式推算可导出[2]：

(2)

式中： F—冷却器的冷却面积，m2；k—冷却器的传热系数，一般取20～25kcal/m2h℃；Δtcp—冷却器管壁的平均温差，℃；T空出、T空入—进入冷却器的空气出、入口空气温度，℃；t风入、t风出—通过冷却器的冷却风温度，℃；r—压缩空气密度，kg/m3；v—通过冷却器的空气容积，m3/h；Cp空—空气定压比热，0.24kcal/kg℃；W—通过冷却器的冷却风消耗量，kg/h。

由(2)式可以看出，对于空压机的二级冷却系统，压缩空气经过冷却器后的出口空气温度T空出与进入冷却器的入口空气温度T空入和进入冷却器的压缩空气量v成正比，而与冷却风的温差，冷却器的面积F、冷却风量W和传热系数k成反比。在冷却风扇功率恒定和冷却器不变的情况下，为了得到较低的出口空气温度，空压机运行中应首先保证两级压缩缸工作正常，气缸排气温度不能过高，其次保证冷却器的传热效率[3-4]。

空压机运行过程中可以通过冷却系数和欠冷值2项指标来判断空压机冷却是否良好。

(3)

根据冷却器设计计算值，对于工作良好的冷却器，θ值应在0.45～0.7之间，如θ值大于0.7则表明冷却器冷却风量不足、冷却面积不够，气路堵塞、传热效率下降，这时必须对空压机进行检查。欠冷值为空压机排气温度T空出与通过冷却器进口风t风入的差值，此值应不大于30～40 ℃。

3 数据监测与分析

根据上述理论分析，对广州地铁一号线大修车辆的VV120型空压机进行实测，其中1号机为新机，性能正常，用于测量对比高压缸进气温度，2～5号机为大修前机组。因低压缸排气温度比高压缸的低，且测量温度值受空压机内部管路热传导影响较大，故对低压缸不再分析。测量时在高压缸进气和排气管路、低压缸的排气管路和冷却器散热风出口处装有温度传感器。机组测试报告如图2所示，横坐标为测试时间(s)，左侧纵坐标为气压(bar)，右侧纵坐标为温度(℃)，测试结果如表1所示。

图2 VV120型空压机测试报告

测试项目机 组1号2号3号4号5号低压缸排气温度/℃121.9167.5163.7119.6158.3高压缸进气温度/℃43.599.691.053.286.2高压缸排气温度/℃165.8213189.6168.2179.3空压机排气温度/℃49.973.764.350.267.6低压缸进气压力/bar0.930.910.900.920.93高压缸排气压力/bar10.3110.3410.5810.3210.34冷却器入风温度/℃22.626.023.523.623.2冷却器出风温度/℃75.082.378.676.676.0冷却器欠冷值/℃27.347.740.826.644.4冷却系数0.520.850.740.500.84压缩比11.0911.3611.7611.2211.12

由表1可以看出，除1号机和4号机外，2、3、5号机的排气温度都在60 ℃以上，通过对2、3、5号机及后续进行大修的40台空压机组进行拆解和分析，空压机排气温度过高的主要因素为：

(1)冷却器工作状态不良，热传导性能不足，故障率约占10%。拆解2、3号机的冷却器，发现冷却器内腔积碳，需进行清洗，增大冷却器的通风量，才能降低压缩机的排气温度；

(2)进气过滤系统状态不良，吸气阻力过大，此项占大修空压机故障比例最高，达到69%。对比低压缸进气压力和检查吸气滤芯发现，2、3、5号压缩机的吸气滤芯表面尘堵，需要更换新品以减少吸气阻力，降低压缩机功耗；

(3)设备本身缺陷，此故障比例约占21%。如高、低压缸的吸(排)气阀不严、气管管路结垢堵塞、输气截面缩小、阻力增大、活塞环漏气、气缸余隙容积过大等都会导致排气温度升高，需对空压机进行检查和清洗，更换相关故障部件。

4 日常维护

针对上述分析，可采取相关措施，如修订检修规程，日常维护过程中定期更新空压机油和进气滤芯等，同时在空压机大修规程中更新相应的故障备件，保证空压机正常运行。此外检修人员在运行中对空压机要进行监测，发现异常立即落车进行维修处理。根据空压机运行时的进气温度、进排气压力和温度，计算相应的欠冷值和冷却系数，专业技术人员即可对空压机运行工况进行评价，及时对空压机进行维护，保障地铁列车运行的安全。

[1] 杨玉顺.工程热力学[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 《活塞式压缩机设计》编写组.活塞式压缩机设计[M].北京：机械工业出版社，1974.

[3] 孟亚男.压缩机的在线监测及故障诊断技术[J].制造业自动化，2010,32(6):25-28.

[4] 储剑锋.HXD3型机车空压机烧损原因分析及改进[J].电力机车与城轨车辆，2009(2)：55-56.□

(编辑：林素珍)

2095-5251(2016)01-0023-02

2015-01-18

梁国添(1987-)，男，本科学历，助理工程师，从事地铁车辆维护工作。

U270.38

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