SDA4型交流機(jī)車空氣壓縮機(jī)機(jī)油乳化現(xiàn)象的分析和處理

楊曾虹 徐曉沁 胡云川 宋文斌

(中車資陽機(jī)車有限公司維保及售后服務(wù)部 四川 資陽 641301)

中車資陽機(jī)車有限公司(以下簡稱“資機(jī)公司”)根據(jù)東南亞某客戶需求，為其設(shè)計(jì)制造了SDA4型的干線客貨運(yùn)、交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。首批機(jī)車于2015年5月運(yùn)抵用戶所在地，完成調(diào)試并經(jīng)該國國家鐵路局驗(yàn)收后，2016年2月機(jī)車正式批準(zhǔn)投入運(yùn)用。截至2019年10月，平均運(yùn)行里程55萬km，機(jī)車平均可利用率94.36%。機(jī)車可靠良好的運(yùn)行數(shù)據(jù)，深得用戶歡迎。

由于客戶地處東南亞沿海，氣候特點(diǎn)為多雨、高溫、鹽霧腐蝕性，其空氣濕度極大，從而導(dǎo)致機(jī)車在進(jìn)入雨季后，出現(xiàn)空氣壓縮機(jī)機(jī)油乳化現(xiàn)象。機(jī)油乳化后，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的潤滑效果急劇降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成空氣壓縮機(jī)機(jī)組報(bào)廢，空氣壓縮機(jī)是制動(dòng)系統(tǒng)的核心零部件，對(duì)機(jī)車行車安全有至關(guān)重要的作用，必須快速徹底解決機(jī)油乳化問題。

1 乳化現(xiàn)象介紹

2016年資機(jī)公司現(xiàn)場服務(wù)組匯報(bào)，機(jī)車在正線運(yùn)行回段趟檢過程中發(fā)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)機(jī)油乳化現(xiàn)象，并且從空氣壓縮機(jī)排油口放出大量水，打開觀察孔蓋對(duì)照機(jī)油顏色確認(rèn)機(jī)油已重度乳化(即已經(jīng)水化)，乳化圖片如圖1所示。立即對(duì)其他機(jī)車進(jìn)行普查，每臺(tái)機(jī)車都出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。

圖1 空氣壓縮機(jī)機(jī)油乳化圖

2 系統(tǒng)工作原理簡介

2.1 機(jī)車空氣系統(tǒng)工作原理

SDA4型機(jī)車為雙司機(jī)室內(nèi)走廊、車體車架整體承載式結(jié)構(gòu)，采用交-直-交電傳動(dòng)方式，裝用CAT型柴油機(jī)、滿足UIC標(biāo)準(zhǔn)的WABTEC-26LA型制動(dòng)機(jī)[1]。其空氣系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、空氣干燥器、總風(fēng)缸、壓力控制器、高壓保安閥等組成，以保證為機(jī)車提供清潔、干燥的壓縮空氣。

空氣壓縮機(jī)是機(jī)車空氣系統(tǒng)中最核心的部件，SDA4型機(jī)車根據(jù)實(shí)際牽引要求，通過計(jì)算采用2臺(tái)BT3.0型螺桿空氣壓縮機(jī)滿足運(yùn)用要求。

2.2 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)工作原理

BT3.0型螺桿空氣壓縮機(jī)是一種雙軸回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)增速齒輪來驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子為2個(gè)互相嚙合的螺桿，具有非對(duì)稱嚙合齒面，并在一個(gè)鑄鐵殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其工作原理如圖2所示。

圖2 螺桿空氣壓縮機(jī)工作原理示意圖

3 乳化現(xiàn)象原因分析

乳化現(xiàn)象是由于兩種不相溶的液體經(jīng)過強(qiáng)烈攪拌后形成乳狀液的過程，其中強(qiáng)烈地?cái)嚢枋菫榱俗尪叱浞值鼗旌?，乳化的程度與溫度、攪拌的速度有直接關(guān)系。機(jī)油乳化就是機(jī)油變成了乳狀液體[2]，呈現(xiàn)乳白色或乳黃色，看起來像是用水?dāng)嚢璧拿婧矣信菖?，此時(shí)機(jī)油已經(jīng)失效，各項(xiàng)功能均已下降。

在空氣壓縮機(jī)行業(yè)，通常所說的機(jī)油乳化是指少量水分和潤滑油經(jīng)過攪拌而形成了穩(wěn)定乳狀液的現(xiàn)象。

3.1 外部因素影響

3.1.1安裝結(jié)構(gòu)的影響

乳化現(xiàn)象的形成是由于兩種不同的液體混合而導(dǎo)致，而結(jié)合機(jī)車的工作原理和實(shí)際運(yùn)用環(huán)境，首先查找是否有大量的水進(jìn)入到空氣壓縮機(jī)內(nèi)部，從空氣壓縮機(jī)布置的位置來看，不會(huì)有大量的雨水進(jìn)入到空氣壓縮機(jī)室，同時(shí)空氣壓縮機(jī)吸氣口朝下，不會(huì)存在水被吸入的問題；客戶方也提出是否水是從真空指示器進(jìn)入，但真空指示器為水平安裝，且安裝接口處為錐螺紋連接，具有良好的密封作用，水不會(huì)從此處進(jìn)入；與此同時(shí)，BT3.0型螺桿空氣壓縮機(jī)采用的是風(fēng)冷系統(tǒng)，沒有水系統(tǒng)的直接參與，故排除大量外部水直接進(jìn)入機(jī)油系統(tǒng)的可能。

3.1.2空氣濕度的影響

客戶所在國屬于熱帶季風(fēng)氣候，一年三季，分別是熱季(2月中旬至5月中旬)、雨季(5月下旬至10月中旬)和涼季(11月至次年2月中旬)，常年溫度不低于18 ℃，溫差在19 ℃～38 ℃ 之間，平均氣溫為28 ℃左右，平均年降水量約1 000 mm，濕度在66%～82.8% 之間。經(jīng)過對(duì)機(jī)車運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，乳化的程度隨季節(jié)的變化而改變，在熱季和涼季乳化程度較低，雨季乳化現(xiàn)象異常嚴(yán)重。BT3.0型空氣壓縮機(jī)安裝有一個(gè)空氣濾清器，空氣濾清器為干式紙質(zhì)過濾器，過濾紙細(xì)孔度約為10 μm。紙質(zhì)過濾器能過濾空氣中的雜質(zhì)和塵埃，但對(duì)過濾空氣中的水氣作用甚微。同時(shí)該型機(jī)車空氣壓縮機(jī)安裝于機(jī)車?yán)鋮s室內(nèi)，而冷卻室是機(jī)車主要的散熱系統(tǒng)，內(nèi)部裝有一臺(tái)大功率風(fēng)扇，當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)冷卻室將強(qiáng)行從外部吸入高濕空氣，高濕度空氣間接進(jìn)入空氣壓縮機(jī)內(nèi)部。故外部空氣濕度大是機(jī)油乳化現(xiàn)象形成的原因之一。

3.2 內(nèi)部因素影響

3.2.1空氣壓縮機(jī)自身油氣分離系統(tǒng)影響

BT3.0型空氣壓縮機(jī)機(jī)油系統(tǒng)由油氣分離器、溫控閥、溫控開關(guān)、機(jī)油過濾器、油冷卻器、油位指示器和回油管等組成。潤滑系統(tǒng)為主機(jī)提供潤滑和冷卻，機(jī)油是通過最小壓力維持閥建立的壓力與主機(jī)低壓端的壓力差自行循環(huán)工作的。當(dāng)油溫低于83 ℃時(shí)，來自分離油筒的機(jī)油通過溫控閥和機(jī)油過濾器，直接噴入主機(jī)；當(dāng)油溫高于83 ℃并小于110 ℃時(shí)，機(jī)油將經(jīng)過冷卻器冷卻后再噴入主機(jī)。

油氣分離器由濾芯、外殼、底座三部分組成，立裝在主機(jī)機(jī)身上，系免維修件。油氣分離器的濾芯是用多層超細(xì)纖維制成，含油氣體從下部進(jìn)入濾芯，通過其過濾和聚結(jié)，油顆?？煽刂圃?1 μm以下，空氣中的含油量可低于5 ppm[3]，經(jīng)過對(duì)油氣分離器換新等操作后，乳化現(xiàn)象未能解決，故排除油氣分離器本身的問題。

3.2.2空氣壓縮機(jī)工作效率和內(nèi)部溫度對(duì)油氣分離的影響

BT3.0型螺桿空氣壓縮機(jī)在低運(yùn)轉(zhuǎn)率的工作狀態(tài)時(shí)，也極易產(chǎn)生機(jī)油乳化。其原因是由于主機(jī)內(nèi)部工作油溫度長期處于低位，無法讓油水氣充分混合，油氣混合物無法在油氣分離器內(nèi)完成分離，從而將多余的水氣進(jìn)行分離排出壓縮機(jī)機(jī)油系統(tǒng)。經(jīng)過現(xiàn)場測試試驗(yàn)，將空氣壓縮機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制，使其主機(jī)內(nèi)部溫度得到提升，而原來輕微乳化的機(jī)油恢復(fù)正常，內(nèi)部水分分離排出系統(tǒng)之外。因而空氣壓縮機(jī)工作時(shí)間短，主機(jī)內(nèi)部溫度長期維持低位，油氣無法充分混合是機(jī)油乳化的主要成因[4-5]。

4 處理措施

4.1 提高空氣壓縮機(jī)工作時(shí)間和效率

為避免空氣壓縮機(jī)工作時(shí)間相對(duì)不夠長，導(dǎo)致油溫較低使進(jìn)入油中的水分不能隨空氣帶出的問題。在最初的設(shè)計(jì)方案中，已考慮客戶使用環(huán)境的特殊性，將空氣壓縮機(jī)連續(xù)工作時(shí)間設(shè)定為120 s，但實(shí)際運(yùn)用情況表明，還不是最優(yōu)選擇，故經(jīng)過測算對(duì)控制策略做如下修訂。

(1)取消空氣壓縮機(jī)根據(jù)機(jī)車運(yùn)行方向和風(fēng)壓信號(hào)的單臺(tái)或2臺(tái)投入工作的控制模式。

(2)采用壓力傳感器1KP作為空氣壓縮機(jī)工作的控制信號(hào)，2KP備用。

(3)為保護(hù)空氣壓縮機(jī)，避免機(jī)車較長時(shí)間在高擋位工作時(shí)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間短的情況，初步將空氣壓縮機(jī)的連續(xù)工作時(shí)間由原先的120 s提高至300 s。

(4)微機(jī)控制策略，在變頻器正常情況下，2臺(tái)空氣壓縮機(jī)電機(jī)由變頻模塊供電。當(dāng)輔變微機(jī)接收到風(fēng)壓信號(hào)1KP(2KP備用)(風(fēng)壓低于750 kPa)時(shí)，空氣壓縮機(jī)電機(jī)1和電機(jī)2變頻啟動(dòng)，并根據(jù)輸入電壓恒壓頻比輸出電源驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)電機(jī)1和電機(jī)2一直工作，直到該控制信號(hào)消失，在空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，方向信號(hào)不參與控制。當(dāng)總風(fēng)壓力不小于900 kPa時(shí)，1KP(2KP備用)斷開，若空氣壓縮機(jī)工作時(shí)間小于300 s，給空氣壓縮機(jī)輸出空載信號(hào)，至空氣壓縮機(jī)總工作時(shí)間達(dá)到300 s時(shí),空氣壓縮機(jī)停止工作；若空氣壓縮機(jī)工作時(shí)間大于300 s，空氣壓縮機(jī)停止工作。

4.2 改變空氣壓縮機(jī)進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)

機(jī)車在運(yùn)用中，由于冷卻風(fēng)扇的吸風(fēng)，可能導(dǎo)致雨水從車體側(cè)墻進(jìn)入空氣壓縮機(jī)吸風(fēng)口處，因此將空氣壓縮機(jī)進(jìn)風(fēng)口的位置進(jìn)行了改動(dòng)，使其遠(yuǎn)離雨水可能達(dá)到的范圍。具體改造如圖3所示。

圖3 吸風(fēng)口位置改造示意圖

4.3 更換空氣壓縮機(jī)內(nèi)部溫控閥

為提高空氣壓縮機(jī)工作效率，提升空氣壓縮機(jī)主機(jī)內(nèi)部油溫，將原來空氣壓縮機(jī)溫控閥由原來的83 ℃溫控閥芯改為90 ℃。

5 改造效果

3臺(tái)機(jī)車經(jīng)過上述改造后，全負(fù)荷正線運(yùn)用考核3個(gè)月，6臺(tái)空氣壓縮機(jī)平均累計(jì)運(yùn)行時(shí)間700 h，完成空氣壓縮機(jī)機(jī)油采樣31次，其采樣結(jié)果均滿足指標(biāo)要求，機(jī)油乳化現(xiàn)象消除。改進(jìn)前后對(duì)照如圖4所示。

(a) 改進(jìn)前 (b) 改進(jìn)后圖4 改進(jìn)前后狀態(tài)對(duì)比

6 結(jié)束語

SDA4型交流機(jī)車空氣壓縮機(jī)機(jī)油乳化形成的原因是多方面的，既有內(nèi)部因素也有外部因素。通過對(duì)成因的分析和研究，有針對(duì)性地進(jìn)行控制策略的優(yōu)化、吸風(fēng)口位置的變化、溫控閥溫度值的調(diào)整，其乳化現(xiàn)象得到快速有效解決。受到了客戶的高度贊揚(yáng)，為資機(jī)公司贏得市場奠定了基礎(chǔ)。