城轨车辆预防空压机润滑油乳化问题智能化控制方案

田树坤，郭 涛，付建鹏，袁世琳

(中车大连机车车辆有限公司 城轨技术开发部，辽宁 大连 116022)

随着我国城轨车辆的高速发展，车辆的维护与保养工作越来越受重视。针对常见的问题每个用户都摸索出一套自己的解决处理方案。在车辆制动系统中供风用有油空气压缩机常出现润滑油乳化问题[1]，针对该问题，本文从智能化控制方面提出空压机工作率可调控制方案，从控制空压机工作率角度来预防油乳化问题的发生。

1 空气消耗量计算及空压机选型方案

每个项目在设计阶段都会根据线路条件、车辆典型运行图、载客情况、车辆基础制动单元、储风缸容积、车辆其他耗风设备(如汽笛、撒砂设备)等进行空气消耗量计算。分析计算结果后会选择一个适当排风量的空气压缩机，从而可以计算出空压机的工作率。合理的工作率可以最大条件避免空压机润滑油乳化现象的发生。

2 空压机控制方案及空压机工作率

通常情况下，每列车配置2台空压机。2台空压机根据车辆的管理系统日期按单双日定义为主空压机与辅空压机轮换工作。以总风工作压力为1 000 kPa的系统为例，被定义为当日主空压机的总风压力低于850 kPa时开始工作，当总风压力升至1 000 kPa时停止工作；而被定义为辅空压机的工作压力控制范围在800～1 000 kPa，次日则2台空压机主辅关系轮换[2]。

正常情况下，主空压机可以独自完成整个工作日的供风工作，辅空压机不需要工作。所以空压机的工作率计算主要是针对主空压机工作率进行的。从车辆每日启动开始，到每日工作结束断电，在这个工作期间内空压机累计的运行时间与整个工作日时间的占比被定义为空压机工作率。空压机工作率计算公式如下：

tCYCLE=tON+tOFF

(1)

DCCOMP=tON/tCYCLE

(2)

式中：tON——空压机运行时间；

tOFF——空压机休息时间；

tCYCLE——空压机工作周期；

DCCOMP——空压机工作率。

空压机工作率计算还有一种简便算法，即计算耗风量与充风量(空压机净排气量)的比。

DCCOMP=Q耗风量/Q充风量

(3)

3 润滑油乳化原因分析

空压机润滑油在与空气接触时会吸收空气中的水分，如果润滑油含水量超过一定比例会呈现乳白色或乳黄色，严重时会有气泡混在润滑油中，此时润滑油各项性能均下降，丧失其润滑功能导致摩擦部件磨损，润滑油变质需立即更换。

避免润滑油发生乳化现象最有效的办法就是让油温升高，使夹杂在润滑油中的水汽蒸发掉，减少水汽进入量可以极大避免油乳化现象的发生，而通常空压机在工作效率高于30 %的情况下，油温可以维持在一个较高的温度，基本可以避免油乳化现象的发生。

造成城轨地铁车辆空压机润滑油乳化的主要原因就是空压机实际工作率长时间处于低于30 %的工况。常见于新线路开通初期，因客流量不足，车辆载荷变动很小，空气弹簧作为主要耗风量设备工作量小，进而使整车空气消耗量降低，空压机工作率不足30%，甚至更低。这种情况下势必造成空压机润滑油乳化现象的发生。

4 预防润滑油乳化问题智能化控制方案

有效预防润滑油乳化问题的办法就是控制空压机工作率在高于30 %的工况。在空压机净排风量不变的条件下，增加空气消耗量是增加空压机功率的一个有效办法。如果可以通过列车管理系统对空气消耗量进行调节，那么也就是实现了对空压机工作率的调节。

4.1 机械部分设计方案

在总风管路上配置2套排风装置，该装置由截断塞门(A51)、电磁阀(A52)、溢流阀(A53)、节流缩堵(可调口径)(A54)、消音器(A55)组成。以1 000 kPa工作压力系统为例，图1为自动排风装置原理图。

如图1所示，列车管理系统控制电磁阀得电，电磁阀得电后会使总风管路与大气相通，实现排总风动作。溢流阀的作用是当总风压力低于850 kPa时自动关闭排风通路，在耗风量突增的工况下防止系统压力继续降低而触发辅空压机工作。节流缩堵(可调口径)实现空气消耗量控制，不同口径的节流缩堵可以提供不同的空气消耗量值。截断塞门可根据需求选择排风装置的使用数量。消音器有降噪环保功能。

图1 自动排风装置原理图

4.2 控制方案设计

当空压机电机接触器闭合时，一个定义为“空压机运行”的硬线信号会发送给列车管理系统，系统会将主空压机运行的时间进行累计，同时也记录了主空压机休息时间，这样系统会通过计算得出当前空压机的工作率。当列车管理系统统计空压机工作率低于30%时，控制电磁阀得电，总风通过节流缩堵缓缓排入大气，增加车辆的空气消耗速度，使空压机工作率升高，如果1套排风装置仍不足以将空压机工作率提高到30 %，那么就同时开启2套排风装置，使空压机工作率大幅度提高。随着客运量不断增多，可视情况选择关闭1套排风装置。为了排除短时间内空气消耗量不稳定因素干扰，空压机工作率统计计算采用整时间段进行计算，例如：每1 h或者每2 h或者每4 h统计计算一次。列车管理系统根据每次统计计算结果判定是否需要开启排风装置。

5 案例分析

以某项目实际应用情况为例，详细说明空压机工作率的智能控制情况。

该项目车辆基本参数见表1。

表1 车辆基本参数

该项目TCMS系统管理控制逻辑为每4 h进行一次空压机工作率统计，如计算结果低于30 %，那么接下来的4 h内排风装置一直处于开启状态，直到得出下一次统计计算结果后再进行判断，如果计算结果仍小于30 %，那么排风装置继续保持开启状态，如果高于30 %则关闭排风装置。

按车辆每天工作16 h计算，TCMS从每天空压机第一次运行开始计时，每4 h计算一次，分别在4 h、8 h、12 h统计计算一次，每天统计计算总共3次。

在项目开通初期，因客流量比较低，加之车辆从清晨启动到正式上线运营，在车辆段待机时间比较长，因此在车辆运营的首个4 h内空压机工作率实际仅有10%左右。由此可以估算当前情况下车辆的实际平均耗气量Qnet_veh_10%：

Qnet_veh_10%=Qcomp-AD×10% = 68.2 L/min

(2)

(1) 当车辆运行4 h时，TCMS系统开始进行第一次空压机工作率计算。空压机工作率小于30%的计算结果满足开启排风电磁阀的条件，TCMS控制排风电磁阀得电，同时打开2个排风口。此时车辆增加了2个185 L/min稳定的耗风量，对应682 L/min净排气量的空压机，一套1.4 mm口径的排风装置可以提高约27.1%的工作率，2套装置相当于提升了54.3%的工作率。此时车辆的实际耗风量为：

Qnet_veh_4=Qnet_veh_10%+Qleak_A54×2=438.2 L/min

2套排风装置同时开启的条件下空压机工作率为：

DCCOMP_4h=Qnet_veh_4/Qcomp-AD= 64.3%

那么，接下来的4 h内，空压机工作率将维持在64.3%，随着客流量增大，耗风量增加，该数值还有增加的趋势。

(2) 当车辆运行8 h时，TCMS系统将进行第二次空压机工作率计算，假定第二个4 h内耗风量无明显变化，空压机工作率稳定在64.3%。

那么，空压机在车辆运营8 h内的平均工作率为:

DCCOMP_8h= (10% + 64.3%)/2 = 36.75%

空压机工作率大于30%的计算结果满足关闭排风电磁阀的条件，TCMS控制排风电磁阀失电，同时关闭2个排风口。此时车辆耗风量又回到最初的68.2 L/min。那么接下来的4 h内，空压机又将以10% 的工作率运行。

(3) 当车辆运行12 h时，TCMS系统将进行第三次空压机工作率计算，假定第三个4 h内耗风量无明显变化，空压机工作率稳定在10%。

那么，空压机在车辆运营12 h内的平均工作率为:

DCCOMP_12h= (10% + 64.3% + 10%)/3 = 28.1%

空压机工作率小于30%的计算结果满足开启排风电磁阀的条件，TCMS控制排风电磁阀得电，同时打开2个排风口。那么接下来的4 h内，空压机又将以64.3% 的工作率运行。

以下分3种情况进行总结计算：

(1) 首个4 h内空压机工作率为10%的情况。

当一天16 h的运营时间结束时，如果使用2套排风装置，空压机在车辆运营的16 h内的平均工作率为:

DCCOMP_16h=(10% + 64.3% + 10% + 64.3%)/4

=36.7%

在同样条件下，如果使用1套排风装置，空压机在车辆运营的16 h内的平均工作率为:

DCCOMP_16h=(10% + 37.1% + 37.1% + 37.1%)/4

=30.3%

(2) 极限情况1(首个4 h内空压机工作率为29.9%)。

如果使用1套排风装置，空压机在车辆运营的16 h内的平均工作率为:

DCCOMP_16h=(29.9% + 57% + 29.9% + 29.9%)/4

=36.7%

如果使用2套排风装置，空压机在车辆运营的16 h内的平均工作率为:

DCCOMP_16h=(29.9% + 84.2% + 29.9% + 29.9%)/4

=43.5%

(3) 极限情况2(首个4 h内空压机工作率为16.4%)。

如果使用1套排风装置，空压机在车辆运营的16 h内的平均工作率为:

DCCOMP_16h=(16.4% + 43.5% + 16.4% + 43.5%)/4

=29.9%

如果使用2套排风装置，空压机在车辆运营的16 h内的平均工作率为:

DCCOMP_16h=(16.4% + 70.7% + 16.4% + 16.4%)/4

=29.9%

根据项目实际运营情况，可以选择不同数量的排风装置，从而控制空压机工作率在一个理想范围内。

6 结束语

综上分析，列车管理系统根据车辆空压机工作率实际情况进行智能化调节，以保证空压机工作率维持在一个较高的工况。该控制方案适用于所有城轨车辆，根据不同项目实际情况可以通过调整排气口径大小以及空压机工作率统计采集时间来进行优化调节。该控制方案还能够有效地预防空压机润滑油乳化问题的发生。