浅谈地铁空压机内部结构及故障分析研究

曹文祥 张浩

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412000

随着地铁轨道交通的需求日益增加，对地铁轨道交通车辆的关键零部件的可靠性提出越来越高的要求。而在车辆众多关键零部件中，空压机是保证城市地铁安全的极为重要的部件。城轨车辆出于可靠性考虑，配置有两套空气供给装置，互为冗余设计，当其中一套空气供给装置出现故障，另一套空气供给装置自动启动，为车辆提供足够的压缩空气保证车辆运行。本文结合车辆实际运营中空压机停转的典型故障开展分析研究，方便支持地铁车辆的制动系统的检修工作。

1 空压机的组成

目前空压机的供风形式分为活塞式和螺杆式，为车辆的制动、连挂和舒适性提供风源。空压机作为列车制动及调节舒适度的重要组成部分，在保证列车安全运行的同时，进一步提高乘客的乘坐舒适度。空压机主要由驱动电机、冷却器、机头等组成，如图1所示。其中螺杆空气压缩机为旋转阴阳子机械结构，是目前行业内商业应用最多的压缩机。空压机螺杆结构内部由两个相互啮合的阴阳转子组成，转子具有不对称的啮合型面，由电机带动在机头结构内旋转以压缩空气。压缩机体从径向吸气，从轴向排气，压缩空气通过压缩机螺杆壳体内特殊形状的通道排出。当转子开始旋转时，叶片之间的空气体积将被不断压缩。当进气口打开时，被一级过滤的空气吸入空压机内部。当出入口都被转子盖住时，空气被压缩，同时向出口运动。当转子继续旋转，出气口打开，压缩空气从排气口进入第二级过滤装置，如图2所示。

图1 空气压缩机结构图

图2 空气压缩机内部机头示意图

2 空压机故障检查分析

引起空压机故障原因存在多种，包括接触器本身器件失效、驱动电源线路短路造成接触器跳开、空压机管路堵塞造成空压机输入输出空气压力差过大导致电机保护性停机、电机内部绕组烧毁或传动机构卡滞等。因此，故障排除需遵循一定的顺序进行分析，进而合理优化空压机的检修方式及内容，以提高地铁车辆的运营效率及列车服务可靠度。

2.1 电气分析

主电路作为空压机的电源输入，是可能造成空压机停转的最直接原因，应优先测试验证。经检测，压缩机主电路(AC380V)三相间阻值均大于100MΩ，说明主电路无故障。继电器作为空压机启动前及启动后的实时监测点，可以真实反馈当前空压机的工作状态，当继电器出现故障时，会导致无法正确地监控空压机状态，且可能会导致空压机无法启动。经检查相对应微动开关接触器阻值正常，线圈阻值正常，接触器正常。空压机启动后的反馈监测点是由继电器来实现，当继电器出现故障时，会导致无法正确地监控空压机状态，当出现严重故障时，可能会导致空压机无法启动。继电器故障可以通过车辆检测软件下载相关数据后查看相应故障时间点的数据，分析故障原因，同时通过控制电路图对电路各个节点进行电阻值测量对比。在进行日常检修时，需重点监测空压机的继电器及强迫泵风控制点，同时保证空压机的控制线路无故障，经启动核查相关继电器阻值正常线圈阻值正常，继电器到空压机的线缆绝缘均无穷大，继电器工作正常。

2.2 机械分析

空压机主要用于为制动系统、空气弹簧、车钩系统、风笛、受电弓供风等多个系统提供干净的风源。通过多年来对列车空压机的运行故障分析经验，总结出了主空压机内部结构和高温故障发生的可能性原因及后续防范措施。一般来说，空压机内部机械部件为阴阳转子复合结构，相对比较可靠，当出现故障时，主要为润滑油乳化导致的二次问题。经检查空气过滤器、油滤、温控阀等管路部分未发现堵塞，但通过视油镜观察润滑油情况，润滑油发生中度乳化且含量较少，如图3所示。同时润滑油的乳化与油品中的添加剂性能亦有关系。本项目空压机润滑油中含有部分抗氧化剂，当空压机转速达到一定程度时，抗乳化剂的极性基团对水也会产生一定的亲和能力，油水分离的难度将大大提高，一定程度上促进了油质乳化。通过人工转动电机扇叶，发现相对正常空压机有较大的阻塞感，因此初步判断为空压机内部机头硬件故障。

图3 润滑油中度乳化情况

2.3 内部拆解分析

空压机机头位于油气筒内部，如需拆除更换需先将外部零部件全部拆除，包括驱动电机、冷却器及联轴节等，待拆除外部零部件后，将故障的机头拆解进行检查。

经拆解检查，发现相比较完整的机头，故障的油漆桶内部存在大量的金属腐蚀碎屑，检查中发现端盖、轴承室存在锈蚀产生的腐蚀痕迹，进一步拆开转子后发现转子型线上也有明显的锈痕和划痕，阳转子两端面均有严重的磨损，其中阳转子进气端端面有一大块积聚的金属碎块，如图4所示。

图4 阴阳转子存在阶梯状磨损

根据拆解中发现的锈痕和油泥，可基本判断此风源装置曾发生润滑油乳化情况。润滑油乳化后会导致机头端盖和轴承处产生锈渣，由于腐蚀产生的锈渣填充了转子端面和机壳的配合间隙，在转子高速旋转的条件下造成转子与机壳磨损。同时锈渣和研磨产生的金属碎屑进入转子型线间空隙，造成转子划伤，导致大量的金属碎屑随润滑油进入油气桶内。

3 故障验证及检修建议

3.1 故障验证

对空压机电路管路气路进行预检查，将手放在空气过滤器吸气口感觉到有明显吸力，而且系统很快建立起压力，说明进气阀中的止回阀部分工作良好。在额定压力情况下，空压机机头油路、端盖处无油泄漏，用检漏喷剂检查所有气路系统是否有泄漏。将压力露点测试仪传感器插入管路并联型测试接口，维持管路压力900±20kPa，检测风源系统输出压缩空气的相对湿度<35%。将全新的机头安装进油气筒内，在额定工作压力下运行空压机，进行试验验证，更换机头后空压机正常运转30min，供风正常，TMCS未反馈故障。

空压机卡滞故障缘由为机头内部腐蚀磨损抱死导致。机头内部出现腐蚀磨损的最常见原因为空压机润滑油出现乳化。空压机润滑油发生乳化的主要原因是由于在空气压缩过程中润滑油与水激烈搅拌导致混浊。乳化液是油和水的混合物，当含水量达到0.15%(1500ppm)左右时，称为轻度乳化。随着工作时长的增加，可能会发生中度和重度乳化现象。

广州地区位于南部沿海区域，常年空气潮湿，温度较高是诱发润滑油乳化的主要原因。同时若空气压缩机未按期更换空气过滤器滤芯、油过滤器滤芯，以及未按照维修手册要求进行补加油及换油工序，也可能会导致润滑油中杂质增加。空压机润滑油乳化会引起油气筒内部及阴阳转子锈蚀，导致传动机构卡滞故障。

3.2 检修建议

为了给总风管提供稳定的压力，空压机工作时会以1400r/min运转，同时导致油和水分的激烈搅拌。所以为了预防空压机润滑油乳化带来的机头卡滞故障，主要是减少空压机油中的水分以及加强日常检修。

1.制定合理的检修频次

目前广州地铁检修规程包括日检、双周检、系统修、月修、年修等。为了防止空压机油乳化，应在日检中增加空压机油油位及油品的检查项目，保证空压机油的良好状态。

2.确保空压机科学的使用率

空压机发生乳化的主要原因在于空压机油中的水汽未能及时排出。而空压机使用率为其实际工作时间与上电时间的比值，若车辆在初始运行时间较短，空压机油温度未能上升到温控阀的工作温度，则会导致空压机油中的水汽得不到及时冷凝排出，进而发生润滑油乳化现象。

3.定期添加抗乳化剂

对于空气较为潮湿的沿海地区，为延长空压机的使用寿命和降低由润滑油乳化造成的故障频次，可根据运行中润滑油的油质情况，定期向油中添加抗乳化剂，以破坏油水界面上的乳化膜。

结语

空压机作为车辆核心关键零部件，负责车辆为地铁车辆制动系统、空簧及其他用风设备提供洁净的压缩空气，针对正线运营情况下，供风模块出现故障需高效可靠处理。本文通过空压机润滑油乳化导致的内部转子意外卡滞的典型故障案例，详细介绍了空压机的结构组成和故障分析流程，并提出了针对此故障的日常检修要点，为地铁车辆空压机的检测维修提供了参考依据。