郑许线空压机控制原理介绍及润滑油乳化研究

邓腾飞 李丰恩 刘博

摘 要：【目的】由于目前处于地铁调试及运营初期阶段，车辆用风量较小，造成空压机运转率低，空压机润滑油内的水分无法及时排出，导致润滑油出现乳化现象，影响空压机的正常使用及寿命。空压机作为车辆制动系统的风源，润滑油乳化对车辆的制动性能造成安全隐患，因此需要对其加以研究。【方法】通过阐述郑许线空压机工作原理，分析空压机润滑油乳化原因，研究空压机工作率调节装置对预防空压机润滑油乳化的效果。【结果】研究结果表明：通过在车辆上设置空压机工作率调节装置，可有效提升空压机的运转率，及时排出润滑油内的水分，改善空压机润滑油乳化的情况，保证了车辆的用风可靠性。【结论】研究结果可为后续新造车辆或已运营车辆的供风系统改造提供参考。

关键词：空压机油；乳化；预防措施；运转率

中图分类号：U279     文献标志码：A      文章编号：1003-5168（2024）05-0019-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.004

Introduction of Control Principle of Air Compressor in Zhengxu Line and Research on Lubricating Oil Emulsification

DENG Tengfei LI Fengen LIU Bo（Zhengzhou Metro Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] Due to the small amount of air used by vehicles in the initial stage of subway commissioning and operation， the operation rate of air compressor is low， and the water in the lubricating oil of air compressor cannot be discharged in time， which is easy to lead to the emulsification of lubricating oil， thus affecting the normal use and life of air compressor. As air compressor is the air source of vehicle braking system， lubricating oil emulsification also causes security risks to vehicle braking performance.[Methods] This paper expounds the working principle of Zheng Xu line air compressor， analyzes the reasons for emulsification of air compressor oil， and studies the effect of air compressor operating rate adjustment device on preventing oil emulsification of air compressor.[Findings] The research results show that： by setting the air compressor working rate adjustment device on the vehicle， the operation rate of the air compressor can be effectively improved， the water in the lubricating oil is discharged in time， the emulsification of the air compressor lubricating oil is improved， and the reliability of the vehicle is guaranteed.[Conclusions] The research results can provide a reference for the subsequent reconstruction of the air supply system of newly built vehicles or existing vehicles.

Keywords：air compressor oil； emulsification； precautionary measures； operating rate

0 引言

目前地鐵车辆的供风设备大部分为油润滑的空压机，以郑州地铁郑许线为例，车辆采用螺杆式空压机。在调试及试运行阶段，空压机润滑油时常出现轻微乳化的现象，影响车辆的运行安全，并且对车辆检修造成较大隐患。正常情况下，空压机运行时，润滑油参与其中，起到润滑、密封、散热、防锈、降噪等重要作用。在空压机运转率较低且空气湿度较大的情况下，空压机的油气筒中会凝结出大量的水。空压机运转时，在压缩机体的排气弯管喷出的高速气体作用下，油气筒内的水分子和油分子充分相溶（搅拌作用），从而形成乳浊液，此现象称为油乳化。通常情况下新线路出现油乳化概率较高，由于新线路客流量低，车辆用风量小，且空压机的启、停均根据总风压力值进行设定，达不到启动压力时空压机将不工作，导致空压机运转率较低，从而产生该现象。

本研究以郑许线车辆螺杆式空压机为研究对象，通过阐述空压机的工作原理、启停控制方式，分析润滑油乳化产生的原因及危害，提出预防空压机润滑油乳化的措施及优化策略，從而提高空压机的工作稳定性，保证车辆制动系统的用风需求，提高车辆的运行安全性。

1 空压机工作原理

郑许线车辆应用的螺杆式空压机型号为TSA-0.9ARLI，包含气路系统和油路系统。

1.1 气路系统原理

空气通过位于空气压缩机体吸气端的过滤器和进气阀进入压缩机体，经过压缩后，通过安装在压缩机体的出气口压入油气筒。如果压缩机在油气筒内为空载时启动，压力维持阀将保持闭合状态，使油气筒快速建立起压力，为油路系统中润滑油的循环提供动力。当油气筒内压力约 600 kPa 时，压力维持阀开启，空气经过空气净化处理单元综合处理后，进入车辆用风设备。当总风系统压力达到停机压力后，空压机组停止运转，压力维持阀闭合，油气筒压力通过卸荷阀卸放，确保下次的正常启动。

1.2 油路系统原理

油路系统由温控阀、油冷却器、油细分离器、油过滤器和油气筒组成，包含主油路与辅助油路。

主油路。空气压缩机启动时，在压力维持阀作用下，优先建立润滑油循环所需的压力。当油温较低时，温控阀低温通路打开，高温通路关闭，润滑油在压缩机体吸气端负压的作用下，直接从油气筒内经过油过滤器、温控阀，通过压缩机体吸气端的喷油口进入机体内，不经过冷却器冷却， 此方式可帮助润滑油的温度快速上升至工作区间温度。当油温达到 87 ℃时，温控阀高温通路开启，润滑油经过油过滤器进入温控阀，经过冷却器冷却后通过压缩机体吸气端的喷油口进入机体内，然后随压缩空气排到油气室进行粗分，分出的润滑油流回油气筒。

辅助油路。含油的压缩空气经油气筒粗分后，进入油细分离器进行细分，聚集在其底部的少许润滑油经回油管、回油单向阀流回机体，经压缩机体排气端返回油气筒。为防止停机时压缩机体内压力回流至油气筒内部，回油管路上添加了回油单向阀。从压缩机体排气端喷出的油-气混合物的温度由位于油气筒一端的温度保护开关监控，当温度达到温度保护开关设定值时，温度保护开关断开从而使压缩机停机［1］。空压机示意如图1所示。

2 空压机启动控制方式

控制空压机的启动方式主要分为网络控制和硬线控制。网络控制方式为主要控制方式，采用压力传感器来实现。当网络控制方式出现故障时采用硬线控制方式。其中网络控制方式是提前设定好压力阈值来控制空压机启停；硬线控制方式则是手动直接控制空压机启停，无论当前的压力值大小［2］。

郑许线车辆根据制动系统用风量大小配置有两台空压机保障列车各系统的用风需求，其目的一方面为冗余设计，保证列车的供风安全；另一方面则在极限用风时可提高打风能力。

2.1 网络控制

列车制动系统控制阀内集成有压力传感器，对总风压力值进行采集，经过交换机传送给列车TMCS系统的中央控制单元。当TMCS系统正常时，获取总风压力值后根据单、双日判断主、从空压机，列车TMCS系统与制动系统接口如图2所示。当总风压力小于800 kPa时，TCMS控制主空压机启动，总风压力大于950 kPa时停止；当主风压力小于750 kPa时，TCMS控制两台空压机同时启动，主风压力大于950 kPa时停止工作。

2.2    硬线控制

当列车网络出现故障，通信中断时，空压机采用硬线控制方式，分为压力开关控制和强迫泵风［3］。

2.2.1    压力开关控制。在每套风源系统的输出口设置有1个压力开关，用来检测风管总风压力值。在网络发生故障的情况下，空压机在压力开关控制的模式下工作，空压机的启动和停止受压力开关的控制。当压力低于700 kPa时，两台空压机同时启动，当打风至950 kPa时，空压机自动停止工作。空压机压力开关控制气路原理如图3所示。

2.2.2    强迫泵风。空压机硬线控制电路中设置有三相电压检测继电器、空压机延时继电器和主空压机接触器作为控制电路的控制和检测点。此外司机室还设置了强迫泵风按钮，串联在控制电路中。当人工按下强迫泵风按钮后，电路中相应的继电器、接触器得电动作，触点闭合，电机得电启动，进行空气压缩，不受风管内总风压力值的影响，可持续打风，直至松开强迫泵风按钮为止。

3 润滑油乳化原因分析

润滑油乳化的最主要因素为空压机内部存在与润滑油完全不相容的液体——水，只要减少润滑油中的水分子含量则可极大程度降低润滑油乳化的几率。

马格纳斯公式为式（1）。

一方面，空压机工作时，大气中含有水分的空气经过灰尘过滤后从进气口吸入空压机油气筒内进行压缩。在空气压缩的过程中，空气密度增加使压力上升， 空气的温度也相应上升， 此时空气中所含总水量已经远大于当时压缩空气所对应的饱和湿空气含水量， 导致部分水分以液态水形式存在压缩空气中。由于车辆调试期和初期运营阶段，车辆用风量少，空压机运转率较低，导致该部分水无法及时排出，长时间存在于空压机内，与润滑油混合但不相容造成空压机油乳化现象。

另一方面，空压机组单次启动时间短、频率低，其排气温度未能达到压缩空气露点温度或无法长时间维持在压缩空气露点温度以上，使油气筒内部的压缩空气中所含的水蒸气凝结，析出液态水与润滑油混合，导致润滑油乳化现象发生。

4 润滑油乳化的危害

润滑油乳化后，会造成油品老化，降低油品本身的抗水性和抗乳化性。润滑油发生乳化后可能产生的危害如下：①润滑油如果发生乳化现象，油水混合分子的黏度相对油分子的黏度较低，因此油水混合分子在穿过油细分离器滤材小孔时，其吸附性相对降低而流速相对提高，导致油水混合分子中存在的油不能被滤材充分拦截，最终造成空压机排气含油量超标。②润滑油如果发生乳化现象，油气筒内会慢慢积聚更多的水分，使螺杆机头转子、轴承等部件发生锈蚀，严重时会发生螺杆机头卡死，且大都不具有修复性，进而导致严重的经济损失。③润滑油如果发生乳化现象，空压机必然会产生排气含油增多问题，主供风单元内的过滤元件，如油细分离器、凝聚过滤器、颗粒过滤器、干燥剂及精密过滤器等都会受到不可逆的润滑油侵染，甚至主供风单元下游制动系统部件也会受到润滑油的侵染，进而导致严重的经济损失及安全隐患。

目前对于空压机润滑油乳化问题主要采取预防为主的策略。常用手段为检修人员通過视油镜目视观察润滑油的状态，发现乳化现象及时通过人工对空压机进行强制打风，提高空压机的工作效率。但该方法对人员的技能、润滑油的检查频率要求较高，且只是被动地发现、解决乳化现象，无法从根本上进行预防和改善。

5 应对策略

根据以上分析，郑许线车辆上设置有两套自主提高空压机工作效率的空压机工作率的调节装置，分别位于两个Mp车之间，与总风管连接。根据网络指令执行开启和关断动作，用于控制总风管压力的排风，将空压机运转率提高至30%，以达到预防空压机润滑油乳化的目的。

5.1 工作率调节装置的应用

5.1.1 工作原理。工作率调节装置由截断塞门、电磁阀、溢流阀、可调节流孔、消音器组成，可有效防止油乳化的发生。截断塞门用于故障或检修时隔离气路；溢流阀的设置是为了保证车辆总风管路的正常耗风，避免由于电磁阀故障而导致总风一直处于泄露状态。额定开启压力为（790±20）kPa，关闭压力不低于700 kPa，电磁阀受控于CCU，满足条件后即可打开气路［5］。工作率调节装置的工作原理如图4所示。

5.1.2 控制逻辑。列车通电上高压后第一次启动空压机的时间为T1，网络计算当前时间T4到T1之间的空压机运转率μ。若运转率低于30%，同时列车的总风压力≥780 kPa时，TCMS持续激活电磁阀，通过调节装置向空气中排气，将总风压力降至800 kPa以下，当日的主空压机启动打风；当总风压力低于780 kPa时或TCMS计算空压机的工作率不低于30%时，TCMS关闭电磁阀，进行下一个计算周期。

5.2 改善效果

工作率调节装置投入使用后润滑油乳化情况有明显改善，基本没有出现润滑油乳化的现象。

6 结语

目前国内大部分地铁线路在调试阶段或运营初期用风量较小，空压机运转率低于30%，空压机油乳化问题成为普遍现象，若未及时发现润滑油乳化问题则会增加空压机故障的概率，影响列车运营安全。空压机运转率调节装置通过车辆CCU控制开启，通过CCU和溢流阀控制关闭，不仅实现自主提高空压机工作效率达到预防润滑油乳化的目的，而且保证车辆的正常用风，确保了车辆运行安全。但导致润滑油乳化的因素较为复杂，后续还需持续跟进、观察，检修过程中还要重点关注空压机的状态，以便确保车辆安全运行。

参考文献：

［1］石家庄嘉祥精密机械有限公司.TSA-0.9ARLI螺杆式空压机使用维护说明［Z］.2021.

［2］陈磊，王东星，杨万坤，等.轨道车辆空压机油乳化分析［J］.铁通车辆，2022，60（5）：101-104.

［3］张姗，王硕.地铁车辆空压机组成及控制逻辑［J］.技术与市场，2021，28（1）：90-91.

［4］王勇权.东莞地铁2号线空压机油乳化问题研究［J］.铁道运营技术，2023，29（2）：40-42.

［5］中车青岛四方机车车辆股份有限公司.郑州机场至许昌市域铁路工程车辆制动技术规格书［Z］.2021.