陳 磊，王東星，楊萬坤，劉中華，梁建全，張海鵬

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081；3.北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100081)

由于空氣具有取之不盡、干凈、可壓縮性好、傳輸方便等特性，空壓機(jī)采用空氣作為壓縮介質(zhì)，再經(jīng)過后續(xù)的濾塵、除水、去油等多級過濾，生成潔凈干燥的壓縮空氣，供給車輛制動系統(tǒng)及其他耗風(fēng)設(shè)備用風(fēng)。目前國內(nèi)軌道車輛使用的空壓機(jī)一般分為油潤滑空壓機(jī)和無油空壓機(jī)，無油空壓機(jī)由于制造成本高等原因，在軌道車輛上使用范圍較少，因此油潤滑空壓機(jī)在軌道車輛上占據(jù)大部分市場，但隨之而來的就是油潤滑空壓機(jī)的油乳化問題。

空壓機(jī)油乳化現(xiàn)象一般在新開通的線路上出現(xiàn)的幾率比較大，新開通的線路由于客流量較少或者用戶出于遠(yuǎn)期擴(kuò)編考慮，在新造車輛上配置大流量的空壓機(jī)，導(dǎo)致整車的用風(fēng)量較少，空壓機(jī)工作時間短，從而產(chǎn)生油乳化現(xiàn)象。如果不及時處理油乳化現(xiàn)象，將導(dǎo)致潤滑油品質(zhì)下降，影響對空壓機(jī)的潤滑效果，最終影響到空壓機(jī)的使用。

1 空壓機(jī)的工作控制方式

一般來說，在1列編組列車上會配置2臺空壓機(jī)，對于長編組列車可能會配置4臺空壓機(jī)，其目的一是保證冗余備份作用，保證部分空壓機(jī)即使因故障不能工作，整車用風(fēng)仍然不受影響；二是在極限工況下能夠快速提供壓縮空氣，使列車盡快恢復(fù)運(yùn)營。目前國內(nèi)軌道車輛一般采用壓力傳感器、壓力開關(guān)以及硬線等方式對空壓機(jī)的啟停進(jìn)行控制，其中壓力傳感器、壓力開關(guān)方式是設(shè)定好壓力閾值，從而控制空壓機(jī)啟停，硬線方式則是不管當(dāng)前的壓力值大小，直接手動控制空壓機(jī)啟停。

1.1 壓力傳感器方式

在總風(fēng)管路上安裝壓力傳感器，負(fù)責(zé)采集當(dāng)前的管路壓力并傳送給中央控制單元(CCU)或制動控制單元(BCU)，由CCU或BCU根據(jù)當(dāng)前的管路壓力判定是否啟動空壓機(jī)。一般來說，1列編組列車上的多臺空壓機(jī)，會由CCU或BCU從邏輯上區(qū)分出主從空壓機(jī)。在列車正常工作耗風(fēng)時，會優(yōu)先啟動主空壓機(jī)，在列車耗風(fēng)較大時，會控制主從空壓機(jī)同時啟動，保證車輛的用風(fēng)。

1.2 壓力開關(guān)方式

1.3 硬線方式

在司機(jī)室內(nèi)設(shè)置1個按鈕，并串聯(lián)到空壓機(jī)啟動的控制電路。當(dāng)人工按下該按鈕時，會啟動全列的空壓機(jī)，直至人工復(fù)位該按鈕后，全列的空壓機(jī)停止運(yùn)行。采用硬線方式控制時，不需要考慮當(dāng)前總風(fēng)管路的壓力值大小，完全由人工通過觀察司機(jī)室內(nèi)的總風(fēng)壓力表來控制全列的空壓機(jī)啟停。

2 空壓機(jī)油乳化的原因

空壓機(jī)在工作過程中通過一系列動作使氣缸內(nèi)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，從而使外界空氣通過吸氣口及空氣過濾器而被吸入空壓機(jī)內(nèi)部氣缸，再通過一定的運(yùn)動使空氣進(jìn)行壓縮。在空氣壓縮的過程中，除了空氣密度增加而使壓力上升外，空氣的溫度也會相應(yīng)上升，此時空氣中所含總水量已經(jīng)遠(yuǎn)大于當(dāng)時壓縮空氣所對應(yīng)的飽和濕空氣含水量，也就是有一部分水以液態(tài)水形式存在壓縮空氣中，以圖1活塞式空壓機(jī)為例進(jìn)行說明。

活塞式空壓機(jī)的潤滑系統(tǒng)采用飛濺式潤滑。飛濺式潤滑是在連桿大頭下端裝設(shè)撥桿，利用運(yùn)動零件的機(jī)械作用，將潤滑油送至活塞與氣缸的間隙和軸端的摩擦表面，增強(qiáng)密封作用，同時降低壓縮機(jī)的摩擦功、摩擦熱和零件的磨損，提高空氣壓縮機(jī)的機(jī)械效率[1]。

如果活塞與氣缸間的密封環(huán)受損，或者潤滑油的密封效果相對較差，則氣缸內(nèi)的液態(tài)水將在壓縮空氣作用下部分滲漏進(jìn)入空壓機(jī)曲軸箱。在曲軸箱內(nèi)的少量液態(tài)水可以在空壓機(jī)工作過程中被蒸發(fā)掉，其前提是少量的液態(tài)水及一定的潤滑油溫。如果空壓機(jī)負(fù)荷率較低，則油溫不能持續(xù)上升，將形成較多的水積聚在曲軸箱中，則會形成油乳化現(xiàn)象。

圖1 活塞式空壓機(jī)內(nèi)部示意圖

3 改善空壓機(jī)油乳化的建議措施

空壓機(jī)油乳化產(chǎn)生的主要原因是潤滑油中含水量過高，而水分未能及時排出，一段時間后導(dǎo)致油品發(fā)生乳化。解決油乳化的關(guān)鍵是提高空壓機(jī)的工作率，使空壓機(jī)長時間工作，提高潤滑油的油溫，從而使液態(tài)水蒸發(fā)成氣體，并通過排氣孔排泄出去。通常來說，空壓機(jī)的工作率大于30%可避免空壓機(jī)的油乳化[2-3]。本文介紹的以下幾種方式可以有效提高空壓機(jī)的工作率，從而避免油乳化現(xiàn)象。

3.1 再生孔調(diào)節(jié)

一般來說空壓機(jī)會配置干燥器用于對壓縮空氣進(jìn)行干燥處理，進(jìn)一步降低壓縮空氣中的水含量。采用的干燥器均為再生方式，即空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣中的一小部分經(jīng)再生孔對干燥器進(jìn)行再生處理(將干燥器中干燥劑所吸附的水分子用壓縮空氣吹出)，而這一小部分壓縮空氣可以通過再生孔的孔徑來控制流量大小。以圖2的雙塔干燥器為例進(jìn)行說明。

通過擴(kuò)大再生孔的孔徑，增大再生壓縮空氣的流量，該方案產(chǎn)生的直接影響是空壓機(jī)的凈排量減小，使空壓機(jī)的工作時間變長，從而可以提高潤滑油的溫度，有利于液態(tài)水蒸發(fā)[4]。

在線路開通運(yùn)營初期，車輛耗風(fēng)較少時，可以采用該方案避免油乳化現(xiàn)象。但是對于再生孔孔徑的調(diào)節(jié)，需要經(jīng)過實(shí)際車輛運(yùn)營驗(yàn)證才能確定方案是否合理。在后期正常運(yùn)營時，則需要再次調(diào)整再生孔孔徑，保證車輛的正常用風(fēng)。

目前，PLC技術(shù)早已經(jīng)被普遍使用在了電氣工程及其自動化當(dāng)中，其在很大程度上改變了常規(guī)的生產(chǎn)方式。為了能夠更好的達(dá)到電氣工程發(fā)展過程當(dāng)中所提出的相關(guān)要求，企業(yè)通過應(yīng)用PLC技術(shù)，對生產(chǎn)的整個過程進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)整，能夠更快實(shí)現(xiàn)電氣工程及其自動化的控制。而在具體的使用過程當(dāng)中，基于PLC技術(shù)的軟繼電器還能夠完全替代相應(yīng)的實(shí)物元件，這樣便可以讓電氣系統(tǒng)具備更高的安全性和可靠性。所以說，PLC技術(shù)不僅在現(xiàn)階段起到了極大的作用，同時在今后也有著極大的發(fā)展空間。

圖2 雙塔干燥器

3.2 排風(fēng)裝置方案

在車輛總風(fēng)管路中連接1個排風(fēng)裝置模塊，并設(shè)定相關(guān)控制邏輯，使排風(fēng)裝置進(jìn)行排風(fēng)，延長空壓機(jī)的工作時間。排風(fēng)裝置的原理如圖3所示。

A1、A2、A3.進(jìn)氣口、出氣口、排風(fēng)口。

排風(fēng)裝置中的截斷塞門可以用于故障或檢修時隔離氣路；溢流閥的設(shè)置是為了保證車輛總風(fēng)管路的正常耗風(fēng)，避免由于電磁閥故障導(dǎo)致總風(fēng)一直處于泄露狀態(tài)；調(diào)節(jié)閥可以調(diào)整孔徑，用以控制壓縮空氣的流量。電磁閥受控于CCU或者BCU，在滿足相應(yīng)的條件后即可打開氣路。

考慮到線路開通初期每輛車的運(yùn)營情況以及客流高峰時段，因此在正線運(yùn)營期間可分3個時間段對車輛總風(fēng)管路進(jìn)行排風(fēng)，具體的設(shè)定邏輯參考如下：

(1) 每天10～11點(diǎn)之間、15～16點(diǎn)之間、20～21點(diǎn)之間；

(2) 總風(fēng)壓力大于一定值；

(3) 空壓機(jī)處于工作狀態(tài)。

只有同時滿足上述3個條件，電磁閥才能得電并持續(xù)30 min，對總風(fēng)管路進(jìn)行排風(fēng)。在排風(fēng)裝置工作期間，空壓機(jī)的啟?？刂七壿嫴蛔儭?/p>

3.3 溫度控制方案

在空壓機(jī)油箱中設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測潤滑油的溫度，從而根據(jù)油溫來控制空壓機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，最終提升油溫使水分蒸發(fā)出去。以某地區(qū)為例，夏季氣溫30 ℃，大氣相對濕度為75%，查閱表1，在氣溫30 ℃的情況下，飽和空氣水分含量為30.38 g/m3，那么大氣相對濕度75%情況的飽和空氣水分含量為30.38×0.75=22.785(g/m3)。

表1 大氣露點(diǎn)-水分含量關(guān)系表(飽和空氣)

根據(jù)表1，可以得出空氣水分含量在22.785 g/m3對應(yīng)的大氣露點(diǎn)溫度為25 ℃，同時假設(shè)空壓機(jī)排出的絕對壓力為1.0 MPa，再根據(jù)圖4(大氣露點(diǎn)-壓力露點(diǎn)對照圖)，根據(jù)露點(diǎn)溫度25 ℃得出1.0 MPa的壓力露點(diǎn)溫度為65 ℃左右[5]。

圖4 大氣露點(diǎn)-壓力露點(diǎn)對照圖

因此當(dāng)空壓機(jī)油箱內(nèi)的溫度低于65 ℃時，就會有冷凝水析出，混合到潤滑油中，造成油乳化現(xiàn)象。此時列車控制系統(tǒng)可以控制空壓機(jī)進(jìn)行空轉(zhuǎn)，即無壓縮空氣排出，提高潤滑油溫度高于65 ℃，從而使水分蒸發(fā)出去。

3.4 工作率控制方案

采用工作率的控制方案針對現(xiàn)車不用安裝額外的設(shè)備，基于現(xiàn)有的空壓機(jī)設(shè)備設(shè)定相關(guān)控制邏輯，可以有效避免油乳化現(xiàn)象。一般來說空壓機(jī)在給車輛進(jìn)行供風(fēng)時，都會在管路中設(shè)置壓力傳感器或壓力開關(guān)，用以控制空壓機(jī)的啟動，同時在管路中設(shè)置安全閥，避免管路中壓力過高，如圖5所示。

A01.空壓機(jī)；A02.軟管；A03/A11.安全閥；A04.雙塔干燥器；A05.過濾器。

在車輛開始運(yùn)營時，列車控制系統(tǒng)首先采集空壓機(jī)的數(shù)量，同時讓所有空壓機(jī)同時啟動，使總風(fēng)壓力迅速達(dá)到停機(jī)閾值，在此過程中，控制系統(tǒng)對所有空壓機(jī)的運(yùn)行時間進(jìn)行計時。隨著車輛運(yùn)營過程中總風(fēng)壓力降低到啟動第一閾值時，啟動主空壓機(jī)，同時對主空壓機(jī)進(jìn)行運(yùn)行計時，直至總風(fēng)壓力達(dá)到停機(jī)閾值。因此根據(jù)主空壓機(jī)的運(yùn)行時間以及停機(jī)時間，即可得出主空壓機(jī)當(dāng)前的工作率。在此過程中，對于主從空壓機(jī)的設(shè)定以及啟停均與常用設(shè)定一致，不需要額外進(jìn)行邏輯控制。

在車輛到達(dá)終點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會計算主從空壓機(jī)的工作率是否大于30%，如果低于30%，則控制該空壓機(jī)啟動，即使總風(fēng)壓力達(dá)到停止閾值，也不會讓空壓機(jī)停機(jī)。相應(yīng)地此時控制系統(tǒng)通過壓力傳感器監(jiān)控總風(fēng)壓力達(dá)到安全閥的開啟閾值時，總風(fēng)壓力是否會迅速下降，如果壓力未下降，則列車控制系統(tǒng)停止空壓機(jī)的運(yùn)行，同時向司機(jī)報出安全閥的故障；如果安全閥功能正常，那么在安全閥連續(xù)動作2或3次以后，無論該臺空壓機(jī)的工作率是否達(dá)到閾值，都將停止空壓機(jī)的運(yùn)行。在車輛下一次運(yùn)行時，同樣執(zhí)行上述動作，從而保證空壓機(jī)的工作率≥30%。

4 結(jié)論

空壓機(jī)油乳化現(xiàn)象在新開通的線路逐漸成為常見問題，部分輕微的油乳化現(xiàn)象可以通過強(qiáng)制空壓機(jī)工作等手段，使?jié)櫥突謴?fù)正常，而對于嚴(yán)重的油乳化現(xiàn)象，只能更換空壓機(jī)潤滑油，這樣的結(jié)果一是增加了維護(hù)成本，二是廢棄的潤滑油會對環(huán)境造成污染，因此在方案設(shè)計階段應(yīng)考慮到油乳化的問題，并提前做出相應(yīng)的解決對策。本文分析了空壓機(jī)工作的控制方式，油乳化產(chǎn)生的原因，并提出了相關(guān)的解決對策，可以為后續(xù)的空壓機(jī)方案設(shè)計提供一定的參考。