變頻螺桿空壓機內機油乳化原因分析與改進

□ 何明洋 □ 姜 葛 □ 張 斌

中車資陽機車有限公司 四川資陽 641301

1 存在的問題

目前,大部分軌道機車采用螺桿空壓機作為制動風源。螺桿空壓機可以為軌道機車的制動系統提供符合要求的干燥、潔凈壓縮空氣。變頻螺桿空壓機具有低能耗、低磨損、長使用壽命等特點,在軌道機車中逐漸被應用。但是,許多軌道機車應用的變頻螺桿空壓機在高溫、高濕度環境中相比常規空壓機更容易出現機油乳化現象。機油乳化會造成空壓機轉子等部件腐蝕、磨損,直至使空壓機報廢。另一方面,腐蝕物會隨壓縮空氣進入制動系統的閥類部件中,造成閥類部件因堵塞、卡滯而失效。因此,為更好地使用變頻螺桿空壓機,需要查找變頻螺桿空壓機機油乳化的原因,并制訂相應對策,解決機油乳化問題,保證軌道機車的正常狀態,提高軌道機車運行的安全性。

2 原因分析

在高溫、高濕度環境中,空壓機在吸氣時就已經吸入相當多的水分,經過壓縮,如果排氣溫度低于露點溫度,就會有水析出。根據標準TB/T 2710.2—2015《機車、動車組用空氣壓縮機組技術條件 第2部分:螺桿空氣壓縮機組》附錄A壓縮空氣露點溫度曲線圖,在吸氣溫度為35 ℃,相對濕度為100%,吸氣壓力為100 kPa,排氣壓力為1 000 kPa時,露點溫度為85 ℃。如果空壓機內的機油溫度高于85 ℃,那么油氣筒內的壓縮空氣就不會有水析出,否則會有水析出。

軌道機車應用變頻螺桿空壓機時,在不同擋位工況下,變頻螺桿空壓機電機轉速不同。在不同轉速下,筆者對變頻螺桿空壓機進行連續運轉試驗,并記錄機油溫度,結果見表1。試驗時,環境溫度為20 ℃,相對濕度為72%。轉速為1 040 r/min時,連續運轉35 min后,機油溫度上升至56 ℃。轉速為1 560 r/min時,連續運轉35 min后,機油溫度上升至79 ℃。轉速為2 600 r/min時,只需要1.5 min,機油溫度就上升至87 ℃。可見,變頻螺桿空壓機內的機油溫度上升速度與轉速成正比,轉速越低,機油溫度上升速度越慢。

表1 連續運轉試驗機油溫度

以泰國SDA4型軌道機車為例,對變頻螺桿空壓機工作情況進行統計,發現變頻螺桿空壓機80%的時間是工作在轉速1 560 r/min及以下。而實際工作中,變頻螺桿空壓機一直處于時啟時停的狀態,因此變頻螺桿空壓機內的機油溫度升不起來。在實際運用中,用點溫計測量變頻螺桿空壓機的油氣筒溫度,為65 ℃左右。變頻螺桿空壓機停止運行后,冷空氣猛烈吹掃,油氣筒的溫度很快降為55 ℃。油氣筒內壓縮空氣的實際溫度低于露點溫度,進而使油氣筒內的壓縮空氣有水析出,進入變頻螺桿空壓機內的機油中,使機油發生乳化。

由此可見,變頻螺桿空壓機發生機油乳化的主要原因是變頻螺桿空壓機電機轉速隨軌道機車擋位變化,電機工作頻率低,轉速低,機油溫度上升速度慢,無法達到高溫、高濕度環境下的露點溫度。

3 改進措施

在對變頻螺桿空壓機內機油乳化原因分析的基礎上,筆者提出三項改進措施。

3.1 提高溫控閥溫度

變頻螺桿空壓機溫控閥動作值為83℃±5 K。當機油溫度達到78 ℃時,溫控閥開始打開,將機油送入冷卻器進行冷卻。因變頻螺桿空壓機處于低轉速下工作,變頻螺桿空壓機內的機油升溫速度較慢,所以機油溫度很難提升到83 ℃以上。假設極端環境下的露點溫度為85 ℃,那么可以考慮將溫控閥動作值提高到90 ℃±5 K。機油溫度高于85 ℃時,溫控閥才打開,而在機油溫度低于85 ℃時,機油不會進入冷卻器進行冷卻。由此可以使機油溫度快速升高到85 ℃,避免油氣筒內的壓縮空氣有水析出,造成變頻螺桿空壓機內機油乳化。

3.2 設置空載運轉模式

在變頻螺桿空壓機進氣閥處增加空載電磁閥,當排氣壓力增大到設定值時,空載電磁閥動作,關閉變頻螺桿空壓機進氣通道,內部處于自循環狀態,此時變頻螺桿空壓機不排出壓力空氣,變頻螺桿空壓機空載運轉。在不同轉速下對變頻螺桿空壓機進行空載運轉試驗,試驗結果見表2。通過試驗數據對比,變頻螺桿空壓機空載運轉可以保持變頻螺桿空壓機機油溫度不降低,并使機油溫度緩慢上升,變頻螺桿空壓機轉速越快,機油溫度上升得越快。

3.3 油路改進

變頻螺桿空壓機溫控閥內部結構如圖1所示。當閥芯溫度超過動作值時,閥芯帶動活塞下移,打開機油冷卻通路。由于活塞為運動件,活塞與閥體之間存在間隙,因此在機油溫度未達到溫控閥動作值時,仍然有少量機油通過間隙進入散熱器,進而減緩機油溫度的上升速度。由表1可以看出,在1 040 r/min轉速下,變頻螺桿空壓機連續運轉70 min,也只能使機油溫度上升到57 ℃。為此,筆者對變頻螺桿空壓機油路進行改進,在溫控閥和散熱器之間的油路上增加單向閥,只有當溫控閥動作后才能依靠油壓打開單向閥,使機油進入散熱器,在機油溫度未達到溫控閥動作溫度時,機油不會進入冷卻器內進行冷卻,從而可以快速提高機油溫度。

表2 空載運轉試驗機油溫度

圖1 溫控閥結構

油路改進后,進行不同轉速下的連續運轉試驗,并記錄機油溫度,見表3。通過表3與表1對比,可以看出機油溫度提升效果非常明顯。

表3 油路改進后連續運轉試驗機油溫度

4 綜合改進

為達到更好的改進效果,在變頻螺桿空壓機上同時進行溫控閥及油路改進,綜合改進后進行連續運轉試驗,每隔3 min測試變頻螺桿空壓機內的機油溫度,結果見表4。

表4 綜合改進后連續運轉試驗機油溫度

通過數據對比,同時進行溫控閥和油路改進,變頻螺桿空壓機內的機油溫度最高,效果最好,可以更好地防止變頻螺桿空壓機內機油乳化。目前在泰國SDA4型軌道機車上實施綜合改進后,已經成功解決了機油乳化問題。

5 結束語

在軌道機車空壓機的選型和設計中,需要充分考慮環境條件、實際運行工況及空壓機的運轉率等因素,選擇適合的空壓機,并有針對性地進行相關改進,以提高空壓機內的機油抗乳化能力,盡可能避免機油乳化的情況發生,進而提高空壓機的使用性能。