变频螺杆空压机内机油乳化原因分析与改进

□ 何明洋 □ 姜 葛 □ 张 斌

中车资阳机车有限公司 四川资阳 641301

1 存在的问题

目前,大部分轨道机车采用螺杆空压机作为制动风源。螺杆空压机可以为轨道机车的制动系统提供符合要求的干燥、洁净压缩空气。变频螺杆空压机具有低能耗、低磨损、长使用寿命等特点,在轨道机车中逐渐被应用。但是,许多轨道机车应用的变频螺杆空压机在高温、高湿度环境中相比常规空压机更容易出现机油乳化现象。机油乳化会造成空压机转子等部件腐蚀、磨损,直至使空压机报废。另一方面,腐蚀物会随压缩空气进入制动系统的阀类部件中,造成阀类部件因堵塞、卡滞而失效。因此,为更好地使用变频螺杆空压机,需要查找变频螺杆空压机机油乳化的原因,并制订相应对策,解决机油乳化问题,保证轨道机车的正常状态,提高轨道机车运行的安全性。

2 原因分析

在高温、高湿度环境中,空压机在吸气时就已经吸入相当多的水分,经过压缩,如果排气温度低于露点温度,就会有水析出。根据标准TB/T 2710.2—2015《机车、动车组用空气压缩机组技术条件 第2部分:螺杆空气压缩机组》附录A压缩空气露点温度曲线图,在吸气温度为35 ℃,相对湿度为100%,吸气压力为100 kPa,排气压力为1 000 kPa时,露点温度为85 ℃。如果空压机内的机油温度高于85 ℃,那么油气筒内的压缩空气就不会有水析出,否则会有水析出。

轨道机车应用变频螺杆空压机时,在不同挡位工况下,变频螺杆空压机电机转速不同。在不同转速下,笔者对变频螺杆空压机进行连续运转试验,并记录机油温度,结果见表1。试验时,环境温度为20 ℃,相对湿度为72%。转速为1 040 r/min时,连续运转35 min后,机油温度上升至56 ℃。转速为1 560 r/min时,连续运转35 min后,机油温度上升至79 ℃。转速为2 600 r/min时,只需要1.5 min,机油温度就上升至87 ℃。可见,变频螺杆空压机内的机油温度上升速度与转速成正比,转速越低,机油温度上升速度越慢。

表1 连续运转试验机油温度

以泰国SDA4型轨道机车为例,对变频螺杆空压机工作情况进行统计,发现变频螺杆空压机80%的时间是工作在转速1 560 r/min及以下。而实际工作中,变频螺杆空压机一直处于时启时停的状态,因此变频螺杆空压机内的机油温度升不起来。在实际运用中,用点温计测量变频螺杆空压机的油气筒温度,为65 ℃左右。变频螺杆空压机停止运行后,冷空气猛烈吹扫,油气筒的温度很快降为55 ℃。油气筒内压缩空气的实际温度低于露点温度,进而使油气筒内的压缩空气有水析出,进入变频螺杆空压机内的机油中,使机油发生乳化。

由此可见,变频螺杆空压机发生机油乳化的主要原因是变频螺杆空压机电机转速随轨道机车挡位变化,电机工作频率低,转速低,机油温度上升速度慢,无法达到高温、高湿度环境下的露点温度。

3 改进措施

在对变频螺杆空压机内机油乳化原因分析的基础上,笔者提出三项改进措施。

3.1 提高温控阀温度

变频螺杆空压机温控阀动作值为83℃±5 K。当机油温度达到78 ℃时,温控阀开始打开,将机油送入冷却器进行冷却。因变频螺杆空压机处于低转速下工作,变频螺杆空压机内的机油升温速度较慢,所以机油温度很难提升到83 ℃以上。假设极端环境下的露点温度为85 ℃,那么可以考虑将温控阀动作值提高到90 ℃±5 K。机油温度高于85 ℃时,温控阀才打开,而在机油温度低于85 ℃时,机油不会进入冷却器进行冷却。由此可以使机油温度快速升高到85 ℃,避免油气筒内的压缩空气有水析出,造成变频螺杆空压机内机油乳化。

3.2 设置空载运转模式

在变频螺杆空压机进气阀处增加空载电磁阀,当排气压力增大到设定值时,空载电磁阀动作,关闭变频螺杆空压机进气通道,内部处于自循环状态,此时变频螺杆空压机不排出压力空气,变频螺杆空压机空载运转。在不同转速下对变频螺杆空压机进行空载运转试验,试验结果见表2。通过试验数据对比,变频螺杆空压机空载运转可以保持变频螺杆空压机机油温度不降低,并使机油温度缓慢上升,变频螺杆空压机转速越快,机油温度上升得越快。

3.3 油路改进

变频螺杆空压机温控阀内部结构如图1所示。当阀芯温度超过动作值时,阀芯带动活塞下移,打开机油冷却通路。由于活塞为运动件,活塞与阀体之间存在间隙,因此在机油温度未达到温控阀动作值时,仍然有少量机油通过间隙进入散热器,进而减缓机油温度的上升速度。由表1可以看出,在1 040 r/min转速下,变频螺杆空压机连续运转70 min,也只能使机油温度上升到57 ℃。为此,笔者对变频螺杆空压机油路进行改进,在温控阀和散热器之间的油路上增加单向阀,只有当温控阀动作后才能依靠油压打开单向阀,使机油进入散热器,在机油温度未达到温控阀动作温度时,机油不会进入冷却器内进行冷却,从而可以快速提高机油温度。

表2 空载运转试验机油温度

图1 温控阀结构

油路改进后,进行不同转速下的连续运转试验,并记录机油温度,见表3。通过表3与表1对比,可以看出机油温度提升效果非常明显。

表3 油路改进后连续运转试验机油温度

4 综合改进

为达到更好的改进效果,在变频螺杆空压机上同时进行温控阀及油路改进,综合改进后进行连续运转试验,每隔3 min测试变频螺杆空压机内的机油温度,结果见表4。

表4 综合改进后连续运转试验机油温度

通过数据对比,同时进行温控阀和油路改进,变频螺杆空压机内的机油温度最高,效果最好,可以更好地防止变频螺杆空压机内机油乳化。目前在泰国SDA4型轨道机车上实施综合改进后,已经成功解决了机油乳化问题。

5 结束语

在轨道机车空压机的选型和设计中,需要充分考虑环境条件、实际运行工况及空压机的运转率等因素,选择适合的空压机,并有针对性地进行相关改进,以提高空压机内的机油抗乳化能力,尽可能避免机油乳化的情况发生,进而提高空压机的使用性能。