广州地铁工程车SCR10T型螺杆式空压机的应用和改造

范金贵，梁 义

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510000）

1 问题的提出

广州地铁目前运营线路共长236公里，工程车是这些线路维护的重要工具。广州地铁目前有近30台工程车安装了SCR10T型螺杆式空压机，其作用是向制动系统提供源源不断的压缩空气，保证机车制动有效、运行安全。螺杆式空压机作为活塞式空压机的替代产品，具有噪音低、效率高、结构简单、排气压力稳定且维护成本低等优点[1]，但在地铁工程车工况的特殊工作环境下，SCR10T型螺杆式空压机出现了进气阀频繁通断、安全阀喷油和润滑油乳化严重等问题。本文就SCR10T型螺杆式空压机在地铁工程车上应用所遇到的这些问题进行分析，提出相应的对策。

2 螺杆式空压机的工作原理和应用情况

SCR10T型螺杆式空压机是由机车柴油机提供动力，借助机壳内一对转子作回转运动，实现给机车制动系统提供压缩空气的容积式压缩设备。空压机安装在机车机器间柴油机旁，通过两条V型皮带与机车柴油机连接，机车柴油机起动后，空压机即开始转动。

2.1 技术参数

（1）功率：7.5 kW；

（2）额定流量：0.8 m3/min；

（3）转速：900～2 400 r/min；

（4）重量：90 kg；

（5）皮带张紧力：250～310 N；

（6）额定排气压力：0.8 MPa；

（7）最高排气温度：105℃（221℉）；

（8）安全阀开启压力：1.1 MPa；

（9）最小压力阀设定压力：0.4±0.034 MPa；

（10）冷却系统：风冷；

（11）润滑油量：8 L；

（12）要求环境温度：≤43℃。

2.2 压缩原理

工作循环可分为进气、压缩和排气三个过程。空压机的进气过程是阴、阳转子的齿沟空间在转至机顶进气口时，外界空气填充整个齿沟空间的过程。转子持续转动，啮合面与机壳构成1个封闭的空间，进入齿沟空间的空气在此封闭空间内不再外流，啮合面向排气端逐渐移动的同时，空间逐渐变小，齿沟内的气体被压缩，压力增高，温度也升高。在空气压缩过程中，润滑油因最小压力阀调节的气压差而变成雾状喷入压缩腔，达到降温、密封和润滑的作用。当齿沟空间转至与机壳排气口相通时，排气过程开始，直至啮合面移过排气口，阴阳转子的啮合面与机壳形成的封闭空间为0，排气过程完成。阴、阳转子不断转动，在啮合面与机壳形成的封闭空间为0的时刻，进气口附近的齿沟空间又出现了，齿沟空间由0开始膨胀过程中形成负压，促使外界空气在大气压下充入，下一个进气、压缩和排气的循环又开始进行。只要空压机的转子在转动，进气口有空气进来，就会被不断的压缩，从而持续向制动系统提供压缩空气[2]。

2.3 油、气工作循环过程

在螺杆式空压机工作过程中，空气因柴油机做功而在被压缩，压缩空气推动机车制动闸瓦或阀芯做功后回到大气中，如此往复循环。同时润滑油在机体内循环流动对空压机转子进行润滑、冷却。空气和润滑油循环中的具体流经路径如下：空气从空气滤清器进入系统后，经进气阀进入主机即开始被压缩，压缩过程中润滑油喷入与其混合，随后被压缩的空气和润滑油一起进入油气分离器，经油气分离器后压缩空气经空气冷却器和高效油水分离器处理之后提供给机车制动系统总风缸，润滑油经油冷却器和油过滤器，再次进入压缩机主机进行循环。

2.4 应用情况

通过对我司近30台机车空压机在使用过程中的故障进行统计，SCR10T型空压机运行性能较稳定，能够满足机车制动系统的用气需要。作为地铁工程车制动系统的供气设备，还主要存在以下三个问题：空压机进气口的控制单元——进气阀频繁通断，降低了自身的使用寿命，同时也增加了运行噪音；该型号空压机在机车上使用期间出现安全阀喷油的现象，对空压机周围的设备和环境造成了严重的污染，包括空压机自身和柴油机连接的皮带在内6条皮带受其污染，而不能继续使用，增加更换皮带等复杂工作，这给使用和维修都带来了严重影响；机壳内润滑油在工作数小数后就出现严重乳化的情况，至下次起机前机壳内均呈乳白色液体，润滑油乳化后影响空压机的正常运营，亟需改造。

3 进气阀频繁通断的原因分析及改造

SCR10T型螺杆式空压机通过皮带与机车柴油机相连接，由机车柴油机提供动力，当柴油机起机后，空压机的转子一直处于转动状态。进气阀的作用是通过电磁线圈控制空压机的空、重车运行，即运转中的空压机是否制造压缩空气。机车空压机在总风缸压力低于0.68 MPa时开始压缩空气即重车运行；当总风缸压力达到0.80 MPa时，进气阀关闭，空压机停止压缩空气，开始空车运行；当系统压力低于0.68 MPa时，进气阀打开空压机进气口重新向系统补充压缩空气。空压机设计有压力继电器采集系统压力并控制空压机进气阀的打开和关闭，压力继电器安装在空压机油气分离器的安装座上，即压力继电器受空压机排气管道的空气压力控制。

机车的制动系统总风缸和空压机之间有单向阀设置，其目的是防止总风缸压缩空气向空压机反充，同时也造成了单向阀前后压力值不同，空压机泄压后，压力继电器采集到的压力值小于总风缸压力值。在总风缸压力达到0.80 MPa时，空压机进气阀关闭，进行空车运行，压缩机高、低压侧的压力进行内部平衡，压力继电器采集到的压力值很快低于0.68 MPa，造成进气阀重新打开，空压机切换至重车运行；因总风缸压力还是0.80 MPa，即压力继电器采集压力值很快达到0.80 MPa，空压机在空、重车之间不断频繁切换。空压机的进气阀处于不断开启、关闭的无效循环，试验测得循环周期约3 s，严重影响到进气阀的使用寿命。

通过以上分析，将设计在空压机侧的压力继电器安装到总风缸上，即使用总风缸的压力控制空压机进气阀的开启关闭。机车制动系统总风缸容量为400 L，充足压缩空气后可供制动系统制动、缓解操作2次以上，根据机车使用情况分析，2次制动、缓解通常可以满足机车运行20分钟至50分钟。改造后压力继电器采集到的压力为用气系统的压力，空压机进气阀开启、关闭的周期延长，其切换频率降低至原来的1/400至1/1000，大大延长了空压机进气阀的使用寿命，同时也进一步降低了螺杆式空压机的运行噪音。

4 安全阀喷油的分析及改造

有部分工程车的空压机在使用过程中出现了安全阀喷油的现象，对空压机周围的设备和环境造成了严重的污染，影响了工程车的正常使用。安全阀打开的原因，一般情况下原因有两个：安全阀故障；空压机内的压力上升，超过了油气分离器安全阀的压力上限值[3]。工程车供风系统主要包括空压机、干燥塔、总风缸等，相互联接关系见图1。当喷油发生时，现场对空压机各部件检查，未发现有某零部件故障，使用新空压机对喷油空压机整体更换后，安全阀喷油的问题依然存在，即表明喷油现象不是空压机机头内部零部件损坏引起的。经长时间跟踪观察，喷油现象常发生在空压机开始启动瞬间。对比喷油瞬间空压机至总风缸之间各处压力变化，喷油时，空压机腔体内压力（表1）泄压至0 MPa，干燥塔与维持阀之间的压力（表2）为1.3 MPa，总风缸压力为0.6 MPa，这表明起机瞬间空压机喷油时，干燥塔内部的压缩空气通路未及时打开，空压机中的压缩空气不能顺利流至总风缸而从空压机安全阀爆发。通过长时间的跟踪调查确认，喷油现象的发生均在柴油机停机以后下次启动时，未在正常运转以后的时间出现，使用旁通阀隔离干燥塔后，喷油现象即不再出现，再次证明了安全阀喷油的发生原因在于干燥塔内部通路未及时打开。

为了发挥干燥塔对压缩空气的干燥作用，只靠旁通干燥塔解决安全阀喷油问题是不可取的，必须采取更优方案。考虑到机车起机钥匙“起机位”同时控制着柴油机和干燥塔的起动，柴油机起动同时通过皮带带动空压机开始压缩空气，即空压机和干燥塔是在同一时刻起机。为了消除空压机的喷油现象，采取了改变干燥塔起动时间的方案，使用起机钥匙的“运转位”控制干燥塔的起动。机车起动操作中，起机钥匙“运转位”早于“起机位”约4秒，改造后干燥塔起动时间点提前于空压机（与柴油机同步）起动约4秒，有效地保证了空压机起动时压缩空气能够顺利流通至总风缸，改造后一年多时间来空压机喷油的故障现象未再次出现。

图1 空压机与供风系统其它部件联接关系图

5 润滑油乳化严重的原因分析及改造

5.1 乳化现象及其危害

空压机润滑油灌注在空压机机头内，在两摩擦副之间形成一层保护油膜，避免金属与金属之间直接接触，起到润滑和缓冲的作用，减少机械磨损，同时空压机润滑油还能起动冷却、防锈、清洁和密封的作用，使空压机正常运转。然而，在日常使用中发现SCR10T型螺杆式空压机润滑油乳化极为迅速，更新润滑油后运行不到1小时，润滑油即严重乳化变成乳白色的油水混合物。

已经乳化的润滑油继续使用将对空压机将造成很大危害：黏度下降，直接减弱润滑油的润滑、冷却、密封作用，使空压机的机械磨损增大、泵风效率降低。若长期使用乳化空压机油可能将大大降低空压机的使用寿命，导致空压机提前报废。刚开始发现空压机油乳化时，采取立刻更换润滑油、油气分离器和油过滤器的做法，不仅造成了较大的经济损失，且收到的效果很不理想，未从根本上解决空压机润滑油乳化的问题。

5.2 乳化原因分析

空气中的气态水在一定温度和压力条件下，可以液态水形式析出[4]。为了从根本上解决空压机润滑油严重乳化的问题，还需从使用地的地理和气候着手开展分析。广州地区海拔低，大气压接近海平面大气压力，查询广州地区的气候资料，一年中温度常在10℃～35℃的范围，相对湿度常在65%～85%的范围。根据这些地理、气候资料，以温度、相对湿度范围，查找表1，得出该地区大气露点值的范围是3.7℃～32.1℃；SCR10T型螺杆式空压机的排气压力是0.8 MPa，查找图2得出压缩空气的压力露点[5]约是38℃～70℃。

表1 相对温湿度下露点查询表（大气压）

图2 压力下露点-大气压下露点对应图

根据对广州地铁工程车使用现状的长期跟踪调查，机车开机频繁且运行时间不长，这造成了空压机的开机频繁且每次运行的时间较短，空压机机体内温度常在25℃～37℃的区间。从以上的分析中不难得知：空压机的运行温度总低于压缩空气的压力露点。压缩空气的温度低于其压力露点时，压缩空气中有液态水析出。压缩空气中析出的这部分液态水微粒与油在高速旋转的转子间经混合、碾压、揉搓，油水分子链相互融合，即形成了空压机润滑油快速、严重乳化的结果。

5.3 改造方案

分析了SCR10T型螺杆式空压机油乳化的原因后，提高空压机运行温度是解决油乳化问题的最直接且最有效的手段。

在空压机至冷却风扇的油路上加装温控阀，此处选择HOERBIGER公司生产型号为TV1/2-70℃的温控阀，其开启温度为70℃，全开温度为85℃。此装置为一进两出的三通阀，内含温敏元件，温度变化时温敏元件通过机械的方式在两个出口之间进行切换。将温控阀安装在空压机油气分离器至冷却风扇之间管路后，空压机运转过程中，润滑油温度低于70℃时润滑油不经过冷却系统直接回机体内，没有冷却系统散热的润滑油快速升温至70℃，此时温控阀再将润滑油导至冷却系统，维持空压机运行温度介于85℃～105℃之间。

表2 改造前后润滑油样品化验结果

空压机经加装温控阀改造后，除了空压机刚起机的约1分钟时间外，其运行温度总能维持在压缩空气的露点以上，让压缩空气不析出液态水，润滑油质量得到明显提升，消除了SCR10T型螺杆式空压机润滑油极易乳化的使用困扰。

6 结束语

根据生产的现场实际需要，分析了SCR10T型螺杆式空压机的原理和结构，针对使用过程中发现的设备缺陷进行了研究，提出了合适的改造方案，在不影响工程车和空压机工作效能的前提下，解决了进气阀频繁通断、安全阀喷油和润滑油严重乳化等3个问题。经过这些改造，SCR10T型螺杆式空压机在广州地铁工程车上运行性能更加稳定，显著地提高了工程车的供车质量。

［1］曾祥福.L2.6/10螺杆式空压机的设计及改进［J］.装备制造技术，2013（05）：134-138.

［2］尚云莉.螺杆式空压机在西气东输压气站场的应用［J］.油气储运，2010（04）：294-298.

［3］蒋达豪.空压机安全阀打开事故的分析和处理［J］.水泥技术，2005（05）：93.

［4］晁宏洲.降低水露点抑制天然气水合物的生成［J］.石油工业技术监督，2007（04）：48-52.

［5］肖红.新的压缩空气露点温度换算图［J］.压缩机技术，2011（04）：22-23.