廣州地鐵工程車SCR10T型螺桿式空壓機的應(yīng)用和改造

范金貴，梁 義

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510000）

1 問題的提出

廣州地鐵目前運營線路共長236公里，工程車是這些線路維護的重要工具。廣州地鐵目前有近30臺工程車安裝了SCR10T型螺桿式空壓機，其作用是向制動系統(tǒng)提供源源不斷的壓縮空氣，保證機車制動有效、運行安全。螺桿式空壓機作為活塞式空壓機的替代產(chǎn)品，具有噪音低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、排氣壓力穩(wěn)定且維護成本低等優(yōu)點[1]，但在地鐵工程車工況的特殊工作環(huán)境下，SCR10T型螺桿式空壓機出現(xiàn)了進氣閥頻繁通斷、安全閥噴油和潤滑油乳化嚴(yán)重等問題。本文就SCR10T型螺桿式空壓機在地鐵工程車上應(yīng)用所遇到的這些問題進行分析，提出相應(yīng)的對策。

2 螺桿式空壓機的工作原理和應(yīng)用情況

SCR10T型螺桿式空壓機是由機車柴油機提供動力，借助機殼內(nèi)一對轉(zhuǎn)子作回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)給機車制動系統(tǒng)提供壓縮空氣的容積式壓縮設(shè)備。空壓機安裝在機車機器間柴油機旁，通過兩條V型皮帶與機車柴油機連接，機車柴油機起動后，空壓機即開始轉(zhuǎn)動。

2.1 技術(shù)參數(shù)

（1）功率：7.5 kW；

（2）額定流量：0.8 m3/min；

（3）轉(zhuǎn)速：900～2 400 r/min；

（4）重量：90 kg；

（5）皮帶張緊力：250～310 N；

（6）額定排氣壓力：0.8 MPa；

（7）最高排氣溫度：105℃（221℉）；

（8）安全閥開啟壓力：1.1 MPa；

（9）最小壓力閥設(shè)定壓力：0.4±0.034 MPa；

（10）冷卻系統(tǒng)：風(fēng)冷；

（11）潤滑油量：8 L；

（12）要求環(huán)境溫度：≤43℃。

2.2 壓縮原理

工作循環(huán)可分為進氣、壓縮和排氣三個過程?？諌簷C的進氣過程是陰、陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至機頂進氣口時，外界空氣填充整個齒溝空間的過程。轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動，嚙合面與機殼構(gòu)成1個封閉的空間，進入齒溝空間的空氣在此封閉空間內(nèi)不再外流，嚙合面向排氣端逐漸移動的同時，空間逐漸變小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮，壓力增高，溫度也升高。在空氣壓縮過程中，潤滑油因最小壓力閥調(diào)節(jié)的氣壓差而變成霧狀噴入壓縮腔，達到降溫、密封和潤滑的作用。當(dāng)齒溝空間轉(zhuǎn)至與機殼排氣口相通時，排氣過程開始，直至嚙合面移過排氣口，陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼形成的封閉空間為0，排氣過程完成。陰、陽轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，在嚙合面與機殼形成的封閉空間為0的時刻，進氣口附近的齒溝空間又出現(xiàn)了，齒溝空間由0開始膨脹過程中形成負壓，促使外界空氣在大氣壓下充入，下一個進氣、壓縮和排氣的循環(huán)又開始進行。只要空壓機的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動，進氣口有空氣進來，就會被不斷的壓縮，從而持續(xù)向制動系統(tǒng)提供壓縮空氣[2]。

2.3 油、氣工作循環(huán)過程

在螺桿式空壓機工作過程中，空氣因柴油機做功而在被壓縮，壓縮空氣推動機車制動閘瓦或閥芯做功后回到大氣中，如此往復(fù)循環(huán)。同時潤滑油在機體內(nèi)循環(huán)流動對空壓機轉(zhuǎn)子進行潤滑、冷卻。空氣和潤滑油循環(huán)中的具體流經(jīng)路徑如下：空氣從空氣濾清器進入系統(tǒng)后，經(jīng)進氣閥進入主機即開始被壓縮，壓縮過程中潤滑油噴入與其混合，隨后被壓縮的空氣和潤滑油一起進入油氣分離器，經(jīng)油氣分離器后壓縮空氣經(jīng)空氣冷卻器和高效油水分離器處理之后提供給機車制動系統(tǒng)總風(fēng)缸，潤滑油經(jīng)油冷卻器和油過濾器，再次進入壓縮機主機進行循環(huán)。

2.4 應(yīng)用情況

通過對我司近30臺機車空壓機在使用過程中的故障進行統(tǒng)計，SCR10T型空壓機運行性能較穩(wěn)定，能夠滿足機車制動系統(tǒng)的用氣需要。作為地鐵工程車制動系統(tǒng)的供氣設(shè)備，還主要存在以下三個問題：空壓機進氣口的控制單元——進氣閥頻繁通斷，降低了自身的使用壽命，同時也增加了運行噪音；該型號空壓機在機車上使用期間出現(xiàn)安全閥噴油的現(xiàn)象，對空壓機周圍的設(shè)備和環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，包括空壓機自身和柴油機連接的皮帶在內(nèi)6條皮帶受其污染，而不能繼續(xù)使用，增加更換皮帶等復(fù)雜工作，這給使用和維修都帶來了嚴(yán)重影響；機殼內(nèi)潤滑油在工作數(shù)小數(shù)后就出現(xiàn)嚴(yán)重乳化的情況，至下次起機前機殼內(nèi)均呈乳白色液體，潤滑油乳化后影響空壓機的正常運營，亟需改造。

3 進氣閥頻繁通斷的原因分析及改造

SCR10T型螺桿式空壓機通過皮帶與機車柴油機相連接，由機車柴油機提供動力，當(dāng)柴油機起機后，空壓機的轉(zhuǎn)子一直處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)。進氣閥的作用是通過電磁線圈控制空壓機的空、重車運行，即運轉(zhuǎn)中的空壓機是否制造壓縮空氣。機車空壓機在總風(fēng)缸壓力低于0.68 MPa時開始壓縮空氣即重車運行；當(dāng)總風(fēng)缸壓力達到0.80 MPa時，進氣閥關(guān)閉，空壓機停止壓縮空氣，開始空車運行；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于0.68 MPa時，進氣閥打開空壓機進氣口重新向系統(tǒng)補充壓縮空氣?？諌簷C設(shè)計有壓力繼電器采集系統(tǒng)壓力并控制空壓機進氣閥的打開和關(guān)閉，壓力繼電器安裝在空壓機油氣分離器的安裝座上，即壓力繼電器受空壓機排氣管道的空氣壓力控制。

機車的制動系統(tǒng)總風(fēng)缸和空壓機之間有單向閥設(shè)置，其目的是防止總風(fēng)缸壓縮空氣向空壓機反充，同時也造成了單向閥前后壓力值不同，空壓機泄壓后，壓力繼電器采集到的壓力值小于總風(fēng)缸壓力值。在總風(fēng)缸壓力達到0.80 MPa時，空壓機進氣閥關(guān)閉，進行空車運行，壓縮機高、低壓側(cè)的壓力進行內(nèi)部平衡，壓力繼電器采集到的壓力值很快低于0.68 MPa，造成進氣閥重新打開，空壓機切換至重車運行；因總風(fēng)缸壓力還是0.80 MPa，即壓力繼電器采集壓力值很快達到0.80 MPa，空壓機在空、重車之間不斷頻繁切換?？諌簷C的進氣閥處于不斷開啟、關(guān)閉的無效循環(huán)，試驗測得循環(huán)周期約3 s，嚴(yán)重影響到進氣閥的使用壽命。

通過以上分析，將設(shè)計在空壓機側(cè)的壓力繼電器安裝到總風(fēng)缸上，即使用總風(fēng)缸的壓力控制空壓機進氣閥的開啟關(guān)閉。機車制動系統(tǒng)總風(fēng)缸容量為400 L，充足壓縮空氣后可供制動系統(tǒng)制動、緩解操作2次以上，根據(jù)機車使用情況分析，2次制動、緩解通?？梢詽M足機車運行20分鐘至50分鐘。改造后壓力繼電器采集到的壓力為用氣系統(tǒng)的壓力，空壓機進氣閥開啟、關(guān)閉的周期延長，其切換頻率降低至原來的1/400至1/1000，大大延長了空壓機進氣閥的使用壽命，同時也進一步降低了螺桿式空壓機的運行噪音。

4 安全閥噴油的分析及改造

有部分工程車的空壓機在使用過程中出現(xiàn)了安全閥噴油的現(xiàn)象，對空壓機周圍的設(shè)備和環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，影響了工程車的正常使用。安全閥打開的原因，一般情況下原因有兩個：安全閥故障；空壓機內(nèi)的壓力上升，超過了油氣分離器安全閥的壓力上限值[3]。工程車供風(fēng)系統(tǒng)主要包括空壓機、干燥塔、總風(fēng)缸等，相互聯(lián)接關(guān)系見圖1。當(dāng)噴油發(fā)生時，現(xiàn)場對空壓機各部件檢查，未發(fā)現(xiàn)有某零部件故障，使用新空壓機對噴油空壓機整體更換后，安全閥噴油的問題依然存在，即表明噴油現(xiàn)象不是空壓機機頭內(nèi)部零部件損壞引起的。經(jīng)長時間跟蹤觀察，噴油現(xiàn)象常發(fā)生在空壓機開始啟動瞬間。對比噴油瞬間空壓機至總風(fēng)缸之間各處壓力變化，噴油時，空壓機腔體內(nèi)壓力（表1）泄壓至0 MPa，干燥塔與維持閥之間的壓力（表2）為1.3 MPa，總風(fēng)缸壓力為0.6 MPa，這表明起機瞬間空壓機噴油時，干燥塔內(nèi)部的壓縮空氣通路未及時打開，空壓機中的壓縮空氣不能順利流至總風(fēng)缸而從空壓機安全閥爆發(fā)。通過長時間的跟蹤調(diào)查確認，噴油現(xiàn)象的發(fā)生均在柴油機停機以后下次啟動時，未在正常運轉(zhuǎn)以后的時間出現(xiàn)，使用旁通閥隔離干燥塔后，噴油現(xiàn)象即不再出現(xiàn)，再次證明了安全閥噴油的發(fā)生原因在于干燥塔內(nèi)部通路未及時打開。

為了發(fā)揮干燥塔對壓縮空氣的干燥作用，只靠旁通干燥塔解決安全閥噴油問題是不可取的，必須采取更優(yōu)方案?？紤]到機車起機鑰匙“起機位”同時控制著柴油機和干燥塔的起動，柴油機起動同時通過皮帶帶動空壓機開始壓縮空氣，即空壓機和干燥塔是在同一時刻起機。為了消除空壓機的噴油現(xiàn)象，采取了改變干燥塔起動時間的方案，使用起機鑰匙的“運轉(zhuǎn)位”控制干燥塔的起動。機車起動操作中，起機鑰匙“運轉(zhuǎn)位”早于“起機位”約4秒，改造后干燥塔起動時間點提前于空壓機（與柴油機同步）起動約4秒，有效地保證了空壓機起動時壓縮空氣能夠順利流通至總風(fēng)缸，改造后一年多時間來空壓機噴油的故障現(xiàn)象未再次出現(xiàn)。

圖1 空壓機與供風(fēng)系統(tǒng)其它部件聯(lián)接關(guān)系圖

5 潤滑油乳化嚴(yán)重的原因分析及改造

5.1 乳化現(xiàn)象及其危害

空壓機潤滑油灌注在空壓機機頭內(nèi)，在兩摩擦副之間形成一層保護油膜，避免金屬與金屬之間直接接觸，起到潤滑和緩沖的作用，減少機械磨損，同時空壓機潤滑油還能起動冷卻、防銹、清潔和密封的作用，使空壓機正常運轉(zhuǎn)。然而，在日常使用中發(fā)現(xiàn)SCR10T型螺桿式空壓機潤滑油乳化極為迅速，更新潤滑油后運行不到1小時，潤滑油即嚴(yán)重乳化變成乳白色的油水混合物。

已經(jīng)乳化的潤滑油繼續(xù)使用將對空壓機將造成很大危害：黏度下降，直接減弱潤滑油的潤滑、冷卻、密封作用，使空壓機的機械磨損增大、泵風(fēng)效率降低。若長期使用乳化空壓機油可能將大大降低空壓機的使用壽命，導(dǎo)致空壓機提前報廢。剛開始發(fā)現(xiàn)空壓機油乳化時，采取立刻更換潤滑油、油氣分離器和油過濾器的做法，不僅造成了較大的經(jīng)濟損失，且收到的效果很不理想，未從根本上解決空壓機潤滑油乳化的問題。

5.2 乳化原因分析

空氣中的氣態(tài)水在一定溫度和壓力條件下，可以液態(tài)水形式析出[4]。為了從根本上解決空壓機潤滑油嚴(yán)重乳化的問題，還需從使用地的地理和氣候著手開展分析。廣州地區(qū)海拔低，大氣壓接近海平面大氣壓力，查詢廣州地區(qū)的氣候資料，一年中溫度常在10℃～35℃的范圍，相對濕度常在65%～85%的范圍。根據(jù)這些地理、氣候資料，以溫度、相對濕度范圍，查找表1，得出該地區(qū)大氣露點值的范圍是3.7℃～32.1℃；SCR10T型螺桿式空壓機的排氣壓力是0.8 MPa，查找圖2得出壓縮空氣的壓力露點[5]約是38℃～70℃。

表1 相對溫濕度下露點查詢表（大氣壓）

圖2 壓力下露點-大氣壓下露點對應(yīng)圖

根據(jù)對廣州地鐵工程車使用現(xiàn)狀的長期跟蹤調(diào)查，機車開機頻繁且運行時間不長，這造成了空壓機的開機頻繁且每次運行的時間較短，空壓機機體內(nèi)溫度常在25℃～37℃的區(qū)間。從以上的分析中不難得知：空壓機的運行溫度總低于壓縮空氣的壓力露點。壓縮空氣的溫度低于其壓力露點時，壓縮空氣中有液態(tài)水析出。壓縮空氣中析出的這部分液態(tài)水微粒與油在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子間經(jīng)混合、碾壓、揉搓，油水分子鏈相互融合，即形成了空壓機潤滑油快速、嚴(yán)重乳化的結(jié)果。

5.3 改造方案

分析了SCR10T型螺桿式空壓機油乳化的原因后，提高空壓機運行溫度是解決油乳化問題的最直接且最有效的手段。

在空壓機至冷卻風(fēng)扇的油路上加裝溫控閥，此處選擇HOERBIGER公司生產(chǎn)型號為TV1/2-70℃的溫控閥，其開啟溫度為70℃，全開溫度為85℃。此裝置為一進兩出的三通閥，內(nèi)含溫敏元件，溫度變化時溫敏元件通過機械的方式在兩個出口之間進行切換。將溫控閥安裝在空壓機油氣分離器至冷卻風(fēng)扇之間管路后，空壓機運轉(zhuǎn)過程中，潤滑油溫度低于70℃時潤滑油不經(jīng)過冷卻系統(tǒng)直接回機體內(nèi)，沒有冷卻系統(tǒng)散熱的潤滑油快速升溫至70℃，此時溫控閥再將潤滑油導(dǎo)至冷卻系統(tǒng)，維持空壓機運行溫度介于85℃～105℃之間。

表2 改造前后潤滑油樣品化驗結(jié)果

空壓機經(jīng)加裝溫控閥改造后，除了空壓機剛起機的約1分鐘時間外，其運行溫度總能維持在壓縮空氣的露點以上，讓壓縮空氣不析出液態(tài)水，潤滑油質(zhì)量得到明顯提升，消除了SCR10T型螺桿式空壓機潤滑油極易乳化的使用困擾。

6 結(jié)束語

根據(jù)生產(chǎn)的現(xiàn)場實際需要，分析了SCR10T型螺桿式空壓機的原理和結(jié)構(gòu)，針對使用過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷進行了研究，提出了合適的改造方案，在不影響工程車和空壓機工作效能的前提下，解決了進氣閥頻繁通斷、安全閥噴油和潤滑油嚴(yán)重乳化等3個問題。經(jīng)過這些改造，SCR10T型螺桿式空壓機在廣州地鐵工程車上運行性能更加穩(wěn)定，顯著地提高了工程車的供車質(zhì)量。

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