轨道车辆空压机油乳化分析

陈 磊，王东星，杨万坤，刘中华，梁建全，张海鹏

(1.中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心，河北 唐山 063035；2.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081；3.北京纵横机电科技有限公司，北京 100081)

由于空气具有取之不尽、干净、可压缩性好、传输方便等特性，空压机采用空气作为压缩介质，再经过后续的滤尘、除水、去油等多级过滤，生成洁净干燥的压缩空气，供给车辆制动系统及其他耗风设备用风。目前国内轨道车辆使用的空压机一般分为油润滑空压机和无油空压机，无油空压机由于制造成本高等原因，在轨道车辆上使用范围较少，因此油润滑空压机在轨道车辆上占据大部分市场，但随之而来的就是油润滑空压机的油乳化问题。

空压机油乳化现象一般在新开通的线路上出现的几率比较大，新开通的线路由于客流量较少或者用户出于远期扩编考虑，在新造车辆上配置大流量的空压机，导致整车的用风量较少，空压机工作时间短，从而产生油乳化现象。如果不及时处理油乳化现象，将导致润滑油品质下降，影响对空压机的润滑效果，最终影响到空压机的使用。

1 空压机的工作控制方式

一般来说，在1列编组列车上会配置2台空压机，对于长编组列车可能会配置4台空压机，其目的一是保证冗余备份作用，保证部分空压机即使因故障不能工作，整车用风仍然不受影响；二是在极限工况下能够快速提供压缩空气，使列车尽快恢复运营。目前国内轨道车辆一般采用压力传感器、压力开关以及硬线等方式对空压机的启停进行控制，其中压力传感器、压力开关方式是设定好压力阈值，从而控制空压机启停，硬线方式则是不管当前的压力值大小，直接手动控制空压机启停。

1.1 压力传感器方式

在总风管路上安装压力传感器，负责采集当前的管路压力并传送给中央控制单元(CCU)或制动控制单元(BCU)，由CCU或BCU根据当前的管路压力判定是否启动空压机。一般来说，1列编组列车上的多台空压机，会由CCU或BCU从逻辑上区分出主从空压机。在列车正常工作耗风时，会优先启动主空压机，在列车耗风较大时，会控制主从空压机同时启动，保证车辆的用风。

1.2 压力开关方式

1.3 硬线方式

在司机室内设置1个按钮，并串联到空压机启动的控制电路。当人工按下该按钮时，会启动全列的空压机，直至人工复位该按钮后，全列的空压机停止运行。采用硬线方式控制时，不需要考虑当前总风管路的压力值大小，完全由人工通过观察司机室内的总风压力表来控制全列的空压机启停。

2 空压机油乳化的原因

空压机在工作过程中通过一系列动作使气缸内产生一定的负压，从而使外界空气通过吸气口及空气过滤器而被吸入空压机内部气缸，再通过一定的运动使空气进行压缩。在空气压缩的过程中，除了空气密度增加而使压力上升外，空气的温度也会相应上升，此时空气中所含总水量已经远大于当时压缩空气所对应的饱和湿空气含水量，也就是有一部分水以液态水形式存在压缩空气中，以图1活塞式空压机为例进行说明。

活塞式空压机的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[1]。

如果活塞与气缸间的密封环受损，或者润滑油的密封效果相对较差，则气缸内的液态水将在压缩空气作用下部分渗漏进入空压机曲轴箱。在曲轴箱内的少量液态水可以在空压机工作过程中被蒸发掉，其前提是少量的液态水及一定的润滑油温。如果空压机负荷率较低，则油温不能持续上升，将形成较多的水积聚在曲轴箱中，则会形成油乳化现象。

图1 活塞式空压机内部示意图

3 改善空压机油乳化的建议措施

空压机油乳化产生的主要原因是润滑油中含水量过高，而水分未能及时排出，一段时间后导致油品发生乳化。解决油乳化的关键是提高空压机的工作率，使空压机长时间工作，提高润滑油的油温，从而使液态水蒸发成气体，并通过排气孔排泄出去。通常来说，空压机的工作率大于30%可避免空压机的油乳化[2-3]。本文介绍的以下几种方式可以有效提高空压机的工作率，从而避免油乳化现象。

3.1 再生孔调节

一般来说空压机会配置干燥器用于对压缩空气进行干燥处理，进一步降低压缩空气中的水含量。采用的干燥器均为再生方式，即空压机产生的压缩空气中的一小部分经再生孔对干燥器进行再生处理(将干燥器中干燥剂所吸附的水分子用压缩空气吹出)，而这一小部分压缩空气可以通过再生孔的孔径来控制流量大小。以图2的双塔干燥器为例进行说明。

通过扩大再生孔的孔径，增大再生压缩空气的流量，该方案产生的直接影响是空压机的净排量减小，使空压机的工作时间变长，从而可以提高润滑油的温度，有利于液态水蒸发[4]。

在线路开通运营初期，车辆耗风较少时，可以采用该方案避免油乳化现象。但是对于再生孔孔径的调节，需要经过实际车辆运营验证才能确定方案是否合理。在后期正常运营时，则需要再次调整再生孔孔径，保证车辆的正常用风。

目前，PLC技术早已经被普遍使用在了电气工程及其自动化当中，其在很大程度上改变了常规的生产方式。为了能够更好的达到电气工程发展过程当中所提出的相关要求，企业通过应用PLC技术，对生产的整个过程进行科学、合理的调整，能够更快实现电气工程及其自动化的控制。而在具体的使用过程当中，基于PLC技术的软继电器还能够完全替代相应的实物元件，这样便可以让电气系统具备更高的安全性和可靠性。所以说，PLC技术不仅在现阶段起到了极大的作用，同时在今后也有着极大的发展空间。

图2 双塔干燥器

3.2 排风装置方案

在车辆总风管路中连接1个排风装置模块，并设定相关控制逻辑，使排风装置进行排风，延长空压机的工作时间。排风装置的原理如图3所示。

A1、A2、A3.进气口、出气口、排风口。

排风装置中的截断塞门可以用于故障或检修时隔离气路；溢流阀的设置是为了保证车辆总风管路的正常耗风，避免由于电磁阀故障导致总风一直处于泄露状态；调节阀可以调整孔径，用以控制压缩空气的流量。电磁阀受控于CCU或者BCU，在满足相应的条件后即可打开气路。

考虑到线路开通初期每辆车的运营情况以及客流高峰时段，因此在正线运营期间可分3个时间段对车辆总风管路进行排风，具体的设定逻辑参考如下：

(1) 每天10～11点之间、15～16点之间、20～21点之间；

(2) 总风压力大于一定值；

(3) 空压机处于工作状态。

只有同时满足上述3个条件，电磁阀才能得电并持续30 min，对总风管路进行排风。在排风装置工作期间，空压机的启停控制逻辑不变。

3.3 温度控制方案

在空压机油箱中设置温度传感器，监测润滑油的温度，从而根据油温来控制空压机处于空转状态，最终提升油温使水分蒸发出去。以某地区为例，夏季气温30 ℃，大气相对湿度为75%，查阅表1，在气温30 ℃的情况下，饱和空气水分含量为30.38 g/m3，那么大气相对湿度75%情况的饱和空气水分含量为30.38×0.75=22.785(g/m3)。

表1 大气露点-水分含量关系表(饱和空气)

根据表1，可以得出空气水分含量在22.785 g/m3对应的大气露点温度为25 ℃，同时假设空压机排出的绝对压力为1.0 MPa，再根据图4(大气露点-压力露点对照图)，根据露点温度25 ℃得出1.0 MPa的压力露点温度为65 ℃左右[5]。

图4 大气露点-压力露点对照图

因此当空压机油箱内的温度低于65 ℃时，就会有冷凝水析出，混合到润滑油中，造成油乳化现象。此时列车控制系统可以控制空压机进行空转，即无压缩空气排出，提高润滑油温度高于65 ℃，从而使水分蒸发出去。

3.4 工作率控制方案

采用工作率的控制方案针对现车不用安装额外的设备，基于现有的空压机设备设定相关控制逻辑，可以有效避免油乳化现象。一般来说空压机在给车辆进行供风时，都会在管路中设置压力传感器或压力开关，用以控制空压机的启动，同时在管路中设置安全阀，避免管路中压力过高，如图5所示。

A01.空压机；A02.软管；A03/A11.安全阀；A04.双塔干燥器；A05.过滤器。

在车辆开始运营时，列车控制系统首先采集空压机的数量，同时让所有空压机同时启动，使总风压力迅速达到停机阈值，在此过程中，控制系统对所有空压机的运行时间进行计时。随着车辆运营过程中总风压力降低到启动第一阈值时，启动主空压机，同时对主空压机进行运行计时，直至总风压力达到停机阈值。因此根据主空压机的运行时间以及停机时间，即可得出主空压机当前的工作率。在此过程中，对于主从空压机的设定以及启停均与常用设定一致，不需要额外进行逻辑控制。

在车辆到达终点后，控制系统会计算主从空压机的工作率是否大于30%，如果低于30%，则控制该空压机启动，即使总风压力达到停止阈值，也不会让空压机停机。相应地此时控制系统通过压力传感器监控总风压力达到安全阀的开启阈值时，总风压力是否会迅速下降，如果压力未下降，则列车控制系统停止空压机的运行，同时向司机报出安全阀的故障；如果安全阀功能正常，那么在安全阀连续动作2或3次以后，无论该台空压机的工作率是否达到阈值，都将停止空压机的运行。在车辆下一次运行时，同样执行上述动作，从而保证空压机的工作率≥30%。

4 结论

空压机油乳化现象在新开通的线路逐渐成为常见问题，部分轻微的油乳化现象可以通过强制空压机工作等手段，使润滑油恢复正常，而对于严重的油乳化现象，只能更换空压机润滑油，这样的结果一是增加了维护成本，二是废弃的润滑油会对环境造成污染，因此在方案设计阶段应考虑到油乳化的问题，并提前做出相应的解决对策。本文分析了空压机工作的控制方式，油乳化产生的原因，并提出了相关的解决对策，可以为后续的空压机方案设计提供一定的参考。