地鐵電客車空壓機潤滑油乳化原因與改進措施

張曉雨，郭正海，吳 亮，章 寧，曾廣才

（杭州地鐵運營有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

杭州地鐵16 號線電客車制動系統采用S03T-N0.9A 螺桿式單級空壓機，每列電客車配置2 臺空壓機，分別安裝在MC 車上，每臺空壓機供風量為750 L/min。2020 年5 月份開始，檢修人員日檢時發現空壓機潤滑油乳化現象較為嚴重。若空壓機潤滑油長期處于乳化狀態，潤滑油分子表面張力將會減小，潤滑、降噪效果下降，液態水抬升油氣筒內油位浸沒油分芯，油氣分離效果變差，進而增加電機轉子的磨損，縮短轉子壽命[1-2]。乳化嚴重時，引起空壓機負荷增大，空壓機斷路器斷開，若2 臺空壓機同時故障時，則需正線緊急救援，給地鐵安全運營帶來極大的風險[3]。

空壓機潤滑油乳化現象在國內其他城市地鐵線路時有發生，因空壓機潤滑油乳化是相當復雜的過程，不是簡單空壓機質量問題，目前已成為地鐵運營行業亟需解決的熱點問題[4]。本文以杭州地鐵16 號線空壓機潤滑油乳化問題為導向，分析空壓機工作環境和運營故障數據，得出空壓機潤滑油乳化的根本原因，并通過增大雙塔干燥器中節流栓孔徑的技術手段，很大程度上緩解了潤滑油乳化情況，提高供風裝置的運轉率，具有較高的經濟效益。

1 潤滑油乳化原因分析

1.1 供風裝置工作原理

供風裝置工作流程如圖1 所示，外界空氣通過空氣過濾器過濾后進入螺桿式壓縮機，壓縮過程與潤滑油混合，壓縮完成后以油氣混合物形式進入油氣分離罐，通過碰撞、離心旋流及重力作用實現油的粗濾，后由油氣筒濾芯（油分芯）的攔截、凝聚等作用實現精密細濾，濾出的油在壓力的作用下，通過二次回油管返回螺桿機頭[5]。

圖1 供風裝置工作原理

分離后的壓縮空氣仍含有一定量的潤滑油，其經冷卻器散熱后依次進入氣水分離器和凝聚式過濾器，將壓縮空氣中的冷凝水、潤滑油及固體顆粒分離出來，通過排污電磁閥定時排出，最后進入雙塔干燥器及后置過濾器對壓縮空氣進行干燥及進一步過濾，進而保證供風裝置出口空氣質量等級滿足要求。

1.2 氣候條件

根據氣體熱力學理論，一定溫度和濕度的空氣經過壓縮后，水蒸氣密度增加，溫度上升，當壓縮空氣溫度低于相對濕度100%對應溫度時，便有液態水從壓縮空氣中析出，該溫度即為壓力露點。壓力露點與壓縮的空氣壓縮比、吸氣濕度直接相關，通過理論計算，壓力露點與吸氣相對濕度關系如圖2 所示，供風裝置吸氣相對濕度越大對應壓力露點越高，壓縮空氣需在更高的溫度下才能夠析出液態水。

圖2 壓力露點與吸氣相對濕度關系

杭州地鐵16 號線多為高架線路，車輛運行工況受當地天氣影響較大。每年6 月初，杭州臨安區已進入梅雨季節，陰雨天氣居多，空氣濕度較大。長時間的持續雨天，會導致濕度很高的空氣進入空壓機。為模擬16 號線供風裝置實際運轉率，將供風裝置在實驗室條件下運行，并對油溫進行采集，觀察發現運行3 h 后，油氣筒內部最高油溫穩定在60 ℃（圖3）。

圖3 模擬實際運轉率試驗

此時，油氣筒內部壓力約為9.5 bar（950 kPa），壓比為10.5，壓縮空氣相對濕度為100%，該條件下壓力露點約為68 ℃，而16 號線電客車供風裝置油溫最高值僅能達到60 ℃。因此，在該運轉率下油氣筒內部會有較多液態水析出。

2 解決措施

空壓機潤滑油乳化現象根本原因，在于空壓機工作時潤滑油與液態水混合進入空壓機，當空壓機停止工作時，未蒸發排出的液態水與潤滑油形成上下分層，形成潤滑油乳化現象。油液分層現象為潤滑油乳化前期表征，一般可通過靜置、排水后連續運行供風裝置自行恢復，但地鐵運營企業需投入更多的人力與物力，僅可作為臨時處理措施。

2.1 優化方案

研究發現，增大雙塔干燥器中節流栓的孔徑，可以增大干燥塔的耗氣量，從而延長單次打風時間，進而提高油氣分離筒內油溫，蒸發油氣筒內的液態水。供風裝置配置的雙塔干燥器，一個塔進行壓縮空氣的干燥，另一塔進行反吹再生，2 個塔切換周期為100 s，再生塔通過節流栓選取一定量的壓縮空氣對干燥塔進行反吹（圖4）。再生塔的再生耗氣流量可用節流栓進行調節，增大節流栓孔徑可增大再生塔耗風量，減少列車供風量，從而增加壓縮機單次打風工作時間，達到提升潤滑油油溫的效果。

圖4 雙塔干燥器氣路原理

表1 為不同節流栓對應的風源出口排量，分析數據可以看出，節流栓孔徑增大對風源出口排量影響明顯。因此，結合實際運轉工況選取合適的節流栓孔徑，可增大干燥器耗氣量，提高供風裝置運轉率。同時，干燥器反吹氣量增大也有利于干燥器分子篩再生完全，更利于風源出口空氣的干燥。

表1 不同節流栓孔徑下干燥器耗氣量對比

2.2 試驗驗證

從16 號線電客車編組中，對4 列車供風裝置進行現車改造（每列1 臺），進行庫內試驗驗證（表2）。

表2 節流栓庫內試驗記錄

根據相關技術要求，空壓機初充風時間需小于等于15 min，技術人員對4 臺供風裝置運行狀態進行為期不低于1 個月的狀態跟蹤。對當日上線的供風裝置平均運轉率、啟停次數、單次打風時間（750～900 kPa）、輔助空壓機啟停次數進行匯總與分析，結合電客車能耗與運轉率等情況，確定了將干燥器節流栓孔徑調節至2.5 mm 的最優方案。當干燥器孔徑調整至2.5 mm 時，運轉率達到30%，單次打風時間及當日運轉率較整改前顯著提升。供風裝置為連續工作制設計，當日運行時間不超過3 h，跟蹤期間輔助空壓機從未啟動，供風量充足。另外，對空壓機潤滑油油品狀態跟蹤分析，結果表明采用提升供風裝置運轉率方案，潤滑油乳化問題顯著緩解（圖5）。

圖5 油品狀態跟蹤

通過對空壓機雙塔干燥器節流栓孔徑進行參數優化，空壓機潤滑油油品質量有了明顯改善，杭州地鐵16 號線每年可節省人工耗時1050 h，節約由于乳化引起的潤滑油、易損易耗件更換約33 萬元左右，為企業帶來了良好的經濟效益，具有一定的技術參考價值。

3 結論

杭州地鐵16 號線運營初期，空壓機潤滑油乳化的問題給電客車的安全運行帶來了極大隱患。本文從供風裝置的工作原理、杭州臨安地區特殊的氣候條件，分析空壓機潤滑油乳化的原因，提出優化空壓機雙塔干燥器節流栓孔徑的優化方案。庫內試驗表明，當干燥器孔徑調整至2.5 mm 時，運轉率達到30%，單次打風時間及當日運轉率較整改前顯著提升，油品質量有了明顯改善。