苏州地铁1号线车辆空气压缩机机油乳化故障分析及改进措施

秦娟兰，应云飞，张 龙

（1. 湖北铁道运输职业学院，湖北武汉 430064；2. 苏州轨道交通运营分公司，江苏苏州 215002）



苏州地铁1号线车辆空气压缩机机油乳化故障分析及改进措施

秦娟兰1，应云飞1，张 龙2

（1. 湖北铁道运输职业学院，湖北武汉 430064；2. 苏州轨道交通运营分公司，江苏苏州 215002）

摘 要：针对苏州地铁1号线列车制动系统空气压缩机机油乳化故障，从机油水汽的存在、曲轴拨杆激烈搅拌、油品中的添加剂及空气压缩机工作周期不足4个方面分析了空气压缩机机油乳化故障机理；通过对1号线列车制动空气压缩机组跟踪取样，实验排查，查找导致机油乳化故障的根本原因；提出了采用空气干燥器节流孔的扩孔方案处理故障的可行性措施及建议。

关键词：空气压缩机；机油；乳化；故障处理

苏州地铁1号线列车运营初期，空气压缩机机油乳化故障严重困扰着车辆乘务中心和车辆检修中心。压缩空气是地铁车辆单元制动机、电空控制装置、风动门驱动装置及空气悬挂装置等用风设备的工作介质。空气压缩机机油乳化，导致机油稀释，润滑性能降低，运动部件磨损加剧，大大缩短了空气压缩机的使用寿命；同时机油乳化，压缩空气质量降低，为列车正常运行留下隐患，甚至危及行车安全。

1　空气压缩机组概述

苏州地铁 1号线列车采用 4 辆编组，其形式为：=TC1* M = M * TC2=，在每节拖车 TC 上均安装了风源模块，它包括压缩空气的产生、净化、传输、存储和压力控制等环节。风源模块采用 VV120 型空气压缩机组，它产生的压缩空气经双塔式空气干燥器净化后，储存在各车辆总风缸中，供本车用风设备使用。对于用风设备，尤其是空气制动装置，只有在压缩空气的相对湿度低于 35% 的临界湿度条件下才能可靠的工作，在这个临界湿度下，即使空气中含有像酸一样的腐蚀性物质，空气制动装置也不会出现腐蚀现象。因此，在空气压缩机后需采用空气干燥器来将压缩空气的湿度降低到对车辆上用风设备无危害的程度。

VV120 型空气压缩机组（图 1）由三相交流电机驱动压缩机曲轴旋转，采用 2 级活塞压缩、2 级空气冷却，润滑系统采用飞溅式润滑。飞溅式润滑是在连杆大头下端装设拨杆，利用运动零件的机械作用，将润滑油送至活塞与气缸的间隙和轴端的摩擦表面，增强密封作用，同时降低压缩机的摩擦功、摩擦热和零件的磨损，提高空气压缩机的机械效率。

空气干燥器为双塔形、无热再生吸附式干燥器（图2）。干燥器的 2 个干燥塔内装有物理吸附特性的干燥剂，可从流经的压缩空气中吸走水分子。无热再生吸附式双塔干燥器的再生和吸附工作在 2 个塔中同时进行，当压缩空气在 1 个塔内通过干燥剂进行干燥时，另 1 个塔内的干燥剂被干燥的空气吹扫进行再生处理。

图2表明空气干燥器处在工作状态中，干燥塔 a 处在干燥状态，干燥塔 b 处在再生状态。在控制装置预先设定的时序控制下，通往 a 塔双活塞阀入口打开，通往 b 塔双活塞阀入口关闭。到达干燥塔a的饱和压缩空气里的油和冷凝物在通过油水分离器时被其丝网表面内“拉希格环”粘附，a 塔内的干燥剂吸附流动的压缩空气里水分子，干燥后的压缩空气大部分到达出气口（出气口的空气湿度不大于 35%），经由主风管输送，存储在主风缸及其他用风设备中。少部分干燥后的压缩空气通过再生节流孔进入干燥塔 b（再生塔），吸收其饱和干燥剂表面的水分，经由双活塞阀排泄口排放到大气中，b 塔干燥剂再生。干燥器完成半个循环周期。经由同样的方式通过塔内各阀的切换完成干燥塔 b 吸附、干燥塔a 再生的下半个循环周期。

图2中右边剖面图表示再生节流孔内部结构，再生节流孔孔径的大小控制再生过程的用气量。孔径越大，参与再生的干燥空气越多，到达总风缸的干燥空气就越少，空气压缩机打风时间延长，空气压缩机工作周期增大。因此，再生节流阀孔径的大小影响空气压缩机工作周期和工作效率。

图1　VV120 型空气压缩机组

图2　双塔式空气干燥器

2　空气压缩机机油乳化故障机理分析

空气压缩机机油形成乳状液必须具有 3 个必要条件：一是必须有互不相溶（或不完全相溶）的 2 种液体；二是 2 种混合液中应有乳化剂存在；三是要有形成乳化液的能量，如强烈的搅拌、循环、流动等。

机油水汽、曲轴拨杆激烈搅拌、机油乳化剂是产生空气压缩机机油乳化的内在原因。地铁车辆空气压缩机工作周期不足也可导致机油乳化。

2.1机油中水汽的存在

机油中水汽的存在，会加速油质的老化及产生乳化；同时会与油中添加剂作用，促使其分解，导致设备锈蚀。在空气压缩机中，发现机油中进水的主要原因是空气压缩机工作时潮湿的空气（春夏时节）以一定的速度通过空气过滤器内纤维层，较大的尘埃被纤维层拦截而分离，较小的杂质被空气过滤器纤维膜吸附，空气中的水分并没减少，而是直接进入压缩机，水汽在 2 个低压缸中经过压缩，温度升高，水汽不会冷凝析出，低压缸中不会有水进入曲轴箱，水汽随空气进入低压缸压缩后经冷却器进入高压缸；当低压缸排出的压缩空气进入冷却器后经过冷却，当排气温度低于随空气的压力和湿度的升高而升高的压力露点温度（一定压力下水蒸气变为露珠时候的温度）时，在中冷器管璧上就有冷凝水析出，并积存在空气压缩机冷却器下盖里，也有小部分冷凝水随压缩空气进入高压缸。如果高压缸组装或配件不良，水经活塞环下窜到曲轴箱内。空气压缩机工作过程中水汽会在高速转动的曲轴作用下混入机油中，使油中带水，导致机油乳化。此外，空气压缩机停止工作后曲轴箱内为负压，使得有空气中少量的水汽及混合水蒸气经油滤器通气孔进入曲轴箱，也为机油乳化留下隐患。

2.2油品中的添加剂

机油添加剂（如抗氧化剂和防锈剂），大都是具有一定表面活性的化合物或混合物。在这些物质的分子结构中，一端是具有亲油性的非极性基团，另一端是具有一定表面活性的亲水性极性基团。虽然它们都溶解于油而不溶解于水，但在一定转速下极性基团对水就具有一定的亲合能力，增强了油水分离的难度，使油质乳化。因此，机油的品质也影响着空气压缩机的正常工作。

2.3激烈搅拌

在空气压缩机高速旋转（955r/min 以上）时，在曲轴连杆大头拨油杆带动下，油和水被激烈而充分的搅拌，呈乳浊液态。此时，亲水的极性基团有了与水充分亲合的机会，当亲合力很大时，就会与水牢固的结合在一起。又由于亲油性的非极性基团能溶于油中，从而通过这种物质的作用使水和油结合在一起。因此，这时水就不能与油分离，即产生乳化现象。空气压缩机曲轴及拨杆的高速搅拌加剧了机油的乳化。机油中溶有空气，特别是在高温搅拌下，会加速油的氧化变质，油品气化变质而产生的环烷酸皂、胶体等物质都是乳化剂，使油更容易乳化。

2.4空气压缩机工作周期不足

空气压缩机工作周期不足，工作效率 = t / T × %，T 为列车从早晨出库到晚上回到库内的 1 个运营周期；t 是在 1 个运营周期内空气压缩机累计工作时间，工作效率低也是导致机油乳化的原因之一。地铁列车制动控制策略一般是优先采用电制动（动力制动）、空气制动滞后补足的原则，列车空气制动用风量不大；若地铁站距长，运送乘客少，特别是现代地铁车辆客室门大多采用电动门，受电弓采用电动弓等，使得用风设备用风量减少，导致空气压缩机工作时间 t 减少。空气压缩机工作周期不足，空气压缩机工作效率大为降低。在较低的工作效率下，空气压缩机则保持在较低温度范围工作，空气中的水分在空气压缩后无法蒸发排出，保留在空气压缩机内，致使机油乳化。

3　空气压缩机机油乳化故障危害

（1）严重影响空气压缩机使用寿命。由于空气压缩机油乳化严重，曲轴箱油位上升、油水分离，导致空气压缩机机油被稀释严重，降低润滑性能，使运动部件磨损加剧，活塞环密封失效，空气压缩机机油泄漏；此外，乳化的机油含水量高，水在曲轴箱内无法排除，容易让气缸及曲轴腐蚀，大大缩短空气压缩机的使用寿命，此故障较常见现象是空气压缩机工作时发出不正常的噪声和敲缸。从整个管路系统看，油水若不及时排放，则会随着压缩空气流向全车用风系统，严重时会导致系统瘫痪。

（2）空气压缩机机油乳化严重导致油位过高，可能损害各运动部件。空气压缩机机油乳化故障会造成油位过高，空气压缩机油位要求不高于 2/3，最高不超过视液镜顶部。通常排油 2～3L 后，油位才能在正常范围内。油位过高，一方面增加曲轴转动阻力；另一方面油位达到压缩腔高度时，可能会对压缩腔有影响。此外，油位也不能太低，油位太低（油位低于 1/3），会因缺油使运动部件产生干摩擦，各运动部件不同程度受到损伤。

4　技术分析

4.1故障描述

由于空气压缩机组故障频发，在对列车空气压缩机组进行排油检测时发现，各空气压缩机均能排出大量乳化油（约 2～3L），其中有 7 台空气压缩机存在油水分离情况，排出了大量水（大于 1L），同时从曲轴箱油表可观察到机油由原来清亮的褐黄色变为浑浊的乳黄色或乳白色。

4.2相关跟踪实验及检测分析

选取 5 列列车（共 10 台空气压缩机）进行跟踪分析，在 10 台空气压缩机中，仅 1 台空气压缩机机油油位正常，其余 9 台空气压缩机机油油位偏高。

4.2.1空气压缩机换油排油检测

按克诺尔公司要求的换油方式进行换油。将空气压缩机机油放干净，并用干净的棉布或海绵将箱体、曲轴、连杆、油位显示器等擦拭干净。用新油冲洗3 次（打 20min 后排空），并将机油放干净，再重新加入新油，以保证曲轴、连杆中含有的乳化油彻底排尽。换新油后，从油表观察油品颜色为褐黄色。

2 个月后，再次进行排油检查，发现 TC2 车的空气压缩机轴箱有水、TC1 车的空气压缩机机油乳化，2 台空气压缩机均排出大量乳化油。

结论：在正确的加油方法及正确的加油数量情况下，仍存在空气压缩机油乳化、油位偏高以及油水分离情况。此故障与加油方法及油品没有直接关系，排除加油方法及油品质量的原因。

4.2.2空气压缩机乳化油中水的分离、检测和分析

对故障列车 2 台空气压缩机机油采样发现，压缩机机油颜色已变为乳白色，并采集压缩机机油乳化样品进行分析。抽取样本检测乳化油含水分 12%，大大超过运行要求。抽取样本在 955r/min 转速下旋转 20min，将油中水分离出来，再将悬浮表面油吸掉，然后对分离出的水进行元素和指标测定，乳化的空气压缩机机油中的水分和潮湿空气水分是同一性质的水分。

结论：空气压缩机乳化是因潮湿空气混入所致，潮湿空气是造成空气压缩机机油乳化的直接原因。

4.2.3空气压缩机工作效率检测分析

按照南京浦镇厂提供的空气压缩机工作效率数据取样方案，进行空气压缩机工作效率取样检测。通过对数据跟踪，确认空气压缩机工作效率较低，未达到设计要求，平均仅为 20.82%。

空气压缩机机油乳化的主要原因是空气压缩机的工作周期偏小，即空气压缩机的工作时间不够，列车的压缩空气消耗量较小。由于空气压缩机工作时机组温度会升高，停机时温度会降低，如果压缩机工作时间不够，会造成空气压缩机组温差变化较大，温差的变化造成机组内部出现大量冷凝水，冷凝水的出现为空气压缩机机油乳化埋下隐患。为了找到冷凝水的存在，在空气压缩机停机后，打开空气压缩机曲轴箱盖，用手电筒照射空气压缩机气缸套内壁，看到水珠沿内壁滚下来，这为压缩机机油乳化是因冷凝水进入曲轴箱所致提供了现场证据。

结论：空气压缩机的工作周期偏小，机组内部温差的变化造成大量冷凝水析出，这是空气压缩机机油乳化的主要原因。

5　解决方案

为了有效解决空气压缩机工作效率低造成机油乳化问题，在保证空气过滤器滤芯满足使用要求后，人为增加双塔式空气干燥器的排气量。根据浦镇厂业务联系书进行了扩孔试验，分别对 2 辆拖车双塔式空气干燥器节流孔由 1.1mm 扩至 1.8mm 及 1.1mm 扩至 1.9mm，使60%的干燥空气经再生节流孔流回，通过增加机组工作周期来避免乳化现象。跟踪乳化现象改善较为明显，同时油位恢复正常。

对扩孔后的空气压缩机工作效率进行取样分析，工作效率在 34% 左右。克诺尔公司认为，通过扩孔，空气压缩机机油乳化现象可以较大改善，但可能无法完全杜绝（完全杜绝要求空气压缩机工作周期为 40% ～45%），考虑到苏州地铁客流的逐步增长，建议先按1.8mm进行扩孔。

由此可见，通过扩孔，空气压缩机工作效率得到了较大提升，空气压缩机油乳化、油位上升及油水分离现象得到了较大改善。长期效果仍需要继续跟踪。

苏州地铁 1号线从空气压缩机再生节流孔扩孔改造后，未出现空气压缩机机油乳化故障。一方面是因为 4 辆编组列车制动是电空复合制动，电制动力大，空气制动力小，用风量少；另一方面，地铁车辆客室门大多采用电动门，不用风；此外，1号线客流量少，空气弹簧部分用风也少。随着将来客流量的增大或空气制动力要求升高，扩孔改造可能会导致供风能力不足、空气制动力减小等故障，因此，在后续的对扩孔后的空气压缩机跟踪监测要加以重视。

6　结束语

理论分析和改进效果说明，克若尔公司在设计时对列车用风少考虑不够充分，空气压缩机工作效率低下，是苏州地铁 1号线车辆空气压缩机机油乳化的直接原因。实践证明，扩大再生节流孔孔径，能有效提高空气压缩机工作效率，减少机油乳化故障。

空气压缩机再生节流孔扩孔改造也存在一定负面影响。再生节流孔扩孔改造后，再生耗气量增加，能耗增加，压缩空气资源被浪费。此外，当出现客流量增大或者列车气路漏气等情况时，空气压缩机供风能力不足，将出现列车供风等待时间延长，造成列车运营晚点，严重时可能导致列车清客救援等运营事故。

在列车设计时，采用变频电机驱动空气压缩机，使空气压缩机根据用风量调节供风量，长期处于工作状态，将是解决空气压缩机机油乳化的最佳方式。

参考文献

[1] 齐俊岩，谢伟. 解决 VV120 型空压机润滑油乳化问题的对策[J]. 城市轨道交通研究，2007（10）：60-63.

[2] 黄栋梨，戴九成. DF4B、DF4D机车空压机润滑油惯性乳化原因和解决措施[J]. 铁道机车车辆，2007，27 （6）：53-55.

[3] 侯品杨. 广州地铁 3号线列车空气压缩机机油乳化原因分析及改进措施[J]. 机车电传动，2009（2）：42-43.

责任编辑 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

中图分类号：U260.35+1

作者简介：秦娟兰（1970—），女，高级讲师

收稿日期2015-05-25