SDA4型交流机车空气压缩机机油乳化现象的分析和处理

杨曾虹 徐晓沁 胡云川 宋文斌

(中车资阳机车有限公司维保及售后服务部 四川 资阳 641301)

中车资阳机车有限公司(以下简称“资机公司”)根据东南亚某客户需求，为其设计制造了SDA4型的干线客货运、交流传动内燃机车。首批机车于2015年5月运抵用户所在地，完成调试并经该国国家铁路局验收后，2016年2月机车正式批准投入运用。截至2019年10月，平均运行里程55万km，机车平均可利用率94.36%。机车可靠良好的运行数据，深得用户欢迎。

由于客户地处东南亚沿海，气候特点为多雨、高温、盐雾腐蚀性，其空气湿度极大，从而导致机车在进入雨季后，出现空气压缩机机油乳化现象。机油乳化后，对运动部件的润滑效果急剧降低，严重时会造成空气压缩机机组报废，空气压缩机是制动系统的核心零部件，对机车行车安全有至关重要的作用，必须快速彻底解决机油乳化问题。

1 乳化现象介绍

2016年资机公司现场服务组汇报，机车在正线运行回段趟检过程中发现空气压缩机机油乳化现象，并且从空气压缩机排油口放出大量水，打开观察孔盖对照机油颜色确认机油已重度乳化(即已经水化)，乳化图片如图1所示。立即对其他机车进行普查，每台机车都出现同样现象。

图1 空气压缩机机油乳化图

2 系统工作原理简介

2.1 机车空气系统工作原理

SDA4型机车为双司机室内走廊、车体车架整体承载式结构，采用交-直-交电传动方式，装用CAT型柴油机、满足UIC标准的WABTEC-26LA型制动机[1]。其空气系统主要由空气压缩机、空气干燥器、总风缸、压力控制器、高压保安阀等组成，以保证为机车提供清洁、干燥的压缩空气。

空气压缩机是机车空气系统中最核心的部件，SDA4型机车根据实际牵引要求，通过计算采用2台BT3.0型螺杆空气压缩机满足运用要求。

2.2 空气压缩机系统工作原理

BT3.0型螺杆空气压缩机是一种双轴回转容积式压缩机，电机通过联轴器驱动增速齿轮来驱动空气压缩机转子，转子为2个互相啮合的螺杆，具有非对称啮合齿面，并在一个铸铁壳体内旋转，其工作原理如图2所示。

图2 螺杆空气压缩机工作原理示意图

3 乳化现象原因分析

乳化现象是由于两种不相溶的液体经过强烈搅拌后形成乳状液的过程，其中强烈地搅拌是为了让二者充分地混合，乳化的程度与温度、搅拌的速度有直接关系。机油乳化就是机油变成了乳状液体[2]，呈现乳白色或乳黄色，看起来像是用水搅拌的面糊且有泡泡，此时机油已经失效，各项功能均已下降。

在空气压缩机行业，通常所说的机油乳化是指少量水分和润滑油经过搅拌而形成了稳定乳状液的现象。

3.1 外部因素影响

3.1.1安装结构的影响

乳化现象的形成是由于两种不同的液体混合而导致，而结合机车的工作原理和实际运用环境，首先查找是否有大量的水进入到空气压缩机内部，从空气压缩机布置的位置来看，不会有大量的雨水进入到空气压缩机室，同时空气压缩机吸气口朝下，不会存在水被吸入的问题；客户方也提出是否水是从真空指示器进入，但真空指示器为水平安装，且安装接口处为锥螺纹连接，具有良好的密封作用，水不会从此处进入；与此同时，BT3.0型螺杆空气压缩机采用的是风冷系统，没有水系统的直接参与，故排除大量外部水直接进入机油系统的可能。

3.1.2空气湿度的影响

客户所在国属于热带季风气候，一年三季，分别是热季(2月中旬至5月中旬)、雨季(5月下旬至10月中旬)和凉季(11月至次年2月中旬)，常年温度不低于18 ℃，温差在19 ℃～38 ℃ 之间，平均气温为28 ℃左右，平均年降水量约1 000 mm，湿度在66%～82.8% 之间。经过对机车运用数据统计分析，乳化的程度随季节的变化而改变，在热季和凉季乳化程度较低，雨季乳化现象异常严重。BT3.0型空气压缩机安装有一个空气滤清器，空气滤清器为干式纸质过滤器，过滤纸细孔度约为10 μm。纸质过滤器能过滤空气中的杂质和尘埃，但对过滤空气中的水气作用甚微。同时该型机车空气压缩机安装于机车冷却室内，而冷却室是机车主要的散热系统，内部装有一台大功率风扇，当风扇运行时冷却室将强行从外部吸入高湿空气，高湿度空气间接进入空气压缩机内部。故外部空气湿度大是机油乳化现象形成的原因之一。

3.2 内部因素影响

3.2.1空气压缩机自身油气分离系统影响

BT3.0型空气压缩机机油系统由油气分离器、温控阀、温控开关、机油过滤器、油冷却器、油位指示器和回油管等组成。润滑系统为主机提供润滑和冷却，机油是通过最小压力维持阀建立的压力与主机低压端的压力差自行循环工作的。当油温低于83 ℃时，来自分离油筒的机油通过温控阀和机油过滤器，直接喷入主机；当油温高于83 ℃并小于110 ℃时，机油将经过冷却器冷却后再喷入主机。

油气分离器由滤芯、外壳、底座三部分组成，立装在主机机身上，系免维修件。油气分离器的滤芯是用多层超细纤维制成，含油气体从下部进入滤芯，通过其过滤和聚结，油颗粒可控制在 1 μm以下，空气中的含油量可低于5 ppm[3]，经过对油气分离器换新等操作后，乳化现象未能解决，故排除油气分离器本身的问题。

3.2.2空气压缩机工作效率和内部温度对油气分离的影响

BT3.0型螺杆空气压缩机在低运转率的工作状态时，也极易产生机油乳化。其原因是由于主机内部工作油温度长期处于低位，无法让油水气充分混合，油气混合物无法在油气分离器内完成分离，从而将多余的水气进行分离排出压缩机机油系统。经过现场测试试验，将空气压缩机进行手动控制，使其主机内部温度得到提升，而原来轻微乳化的机油恢复正常，内部水分分离排出系统之外。因而空气压缩机工作时间短，主机内部温度长期维持低位，油气无法充分混合是机油乳化的主要成因[4-5]。

4 处理措施

4.1 提高空气压缩机工作时间和效率

为避免空气压缩机工作时间相对不够长，导致油温较低使进入油中的水分不能随空气带出的问题。在最初的设计方案中，已考虑客户使用环境的特殊性，将空气压缩机连续工作时间设定为120 s，但实际运用情况表明，还不是最优选择，故经过测算对控制策略做如下修订。

(1)取消空气压缩机根据机车运行方向和风压信号的单台或2台投入工作的控制模式。

(2)采用压力传感器1KP作为空气压缩机工作的控制信号，2KP备用。

(3)为保护空气压缩机，避免机车较长时间在高挡位工作时空气压缩机运行时间短的情况，初步将空气压缩机的连续工作时间由原先的120 s提高至300 s。

(4)微机控制策略，在变频器正常情况下，2台空气压缩机电机由变频模块供电。当辅变微机接收到风压信号1KP(2KP备用)(风压低于750 kPa)时，空气压缩机电机1和电机2变频启动，并根据输入电压恒压频比输出电源驱动空气压缩机电机1和电机2一直工作，直到该控制信号消失，在空气压缩机启动和运行过程中，方向信号不参与控制。当总风压力不小于900 kPa时，1KP(2KP备用)断开，若空气压缩机工作时间小于300 s，给空气压缩机输出空载信号，至空气压缩机总工作时间达到300 s时,空气压缩机停止工作；若空气压缩机工作时间大于300 s，空气压缩机停止工作。

4.2 改变空气压缩机进风口结构

机车在运用中，由于冷却风扇的吸风，可能导致雨水从车体侧墙进入空气压缩机吸风口处，因此将空气压缩机进风口的位置进行了改动，使其远离雨水可能达到的范围。具体改造如图3所示。

图3 吸风口位置改造示意图

4.3 更换空气压缩机内部温控阀

为提高空气压缩机工作效率，提升空气压缩机主机内部油温，将原来空气压缩机温控阀由原来的83 ℃温控阀芯改为90 ℃。

5 改造效果

3台机车经过上述改造后，全负荷正线运用考核3个月，6台空气压缩机平均累计运行时间700 h，完成空气压缩机机油采样31次，其采样结果均满足指标要求，机油乳化现象消除。改进前后对照如图4所示。

(a) 改进前 (b) 改进后图4 改进前后状态对比

6 结束语

SDA4型交流机车空气压缩机机油乳化形成的原因是多方面的，既有内部因素也有外部因素。通过对成因的分析和研究，有针对性地进行控制策略的优化、吸风口位置的变化、温控阀温度值的调整，其乳化现象得到快速有效解决。受到了客户的高度赞扬，为资机公司赢得市场奠定了基础。