1. 引言
作为现代空气压缩机的新主流，喷油螺杆空压机俨然已经得到了国民工业各个领域的青睐和应用 [1]。相对于活塞式压缩机(同等排气压力下)，喷油螺杆空压机拥有更加优越而且可靠的性能，其具备振动噪音小、利用效率高、无易损件、操作维护方便、动力平衡性好等优点 [2] [3]。随着螺杆空压机在轨道交通车辆上的发展应用，对其使用安全性提出了很高的要求。在螺杆式空气压缩机的运行过程中，温度是衡量其稳定性和安全性的重要参数。当空压机处于高温下运行时，其经常会出现温度高故障报警，会造成机头螺杆结焦 [4]、冷却器堵塞、散热不良，甚至导致电动机烧损等现象。这些都不利于压缩空气用户的使用，降低了使用可靠性与工作寿命。
螺杆空压机如图1所示，主要由空气压缩机(含驱动系统、散热系统、油气分离系统)、空气后处理(含过滤器、双塔干燥器)和电气控制模块等部件组成 [5] [6] [7]。本文以某型号螺杆空压机为例，分析不同吸气温度、吸气压力及空压机运转率下空压机机头排气温度的变化规律，为后期空压机的设计提供参考。
2. 试验测试
2.1. 试验设备
本试验主要通过在环境箱内开展地面试验，通过控制环境箱内吸气温度、吸气压力及空压机运转率等参数，从而模拟现车实际运行工况要求。如图2所示，试验设备主要包括：高低温环境箱、温度传感器、压力传感器、油温开关等。其相应的尺寸参数、功能如下所示：
1) 高低温环境箱，尺寸(长 × 宽 × 高)：3.5 m × 3.5 m × 2.8 m；
2) 温度传感器：采集测试过程环境温度、吸气温度、压缩机冷却器出口温度；
3) 压力传感器：采集测试过程吸气压力；
4) 油温开关(自带)：采集润滑油油温。
2.2. 试验工况
本文主要通过控制吸气压力、吸气温度及空压机运转率的变化分析螺杆空压机机头排气温度的变化规律。根据现车实际运行的温度及所处海拔的要求，拟采用如下工况设置。
1) 吸气压力
吸气压力随海拔的变化如表1所示。
Table 1. Inspiratory pressure changes with altitude
表1. 吸气压力随海拔变化
2) 运转率
统计2条正式运营地铁线路空压机工作情况，如表2，故本试验运转率选取10%、20%、30%三种，打风时间165 s。
Table 2. Air compressor operating rate
表2. 空压机运转率
3) 吸气温度
本试验吸气温度选取−25℃、20℃、50℃三种。
本试验测试参照标准GB/T 2423.2-2008进行，采集的电信号、压力信号、温度信号用以记录供风装置性能参数，并且监控供风装置运行情况。其中，主要分析螺杆空压机机头排气温度的变化规律。
3. 结果分析
3.1. 吸气压力对机头排气温度的影响
由于不同海拔对现车运行吸气压力的影响，试验条件如表3所示。
Table 3. Different suction pressure conditions
表3. 不同吸气压力工况
通过温度传感器检测机头排气温度、油分芯下方油温、电机表面温度、空滤吸气口温度及机头喷油温度的变化，得到各温度参数与吸气压力的关系如图3~5所示。
Figure 3. Variation of exhaust temperature of machine head with suction pressure in continuous operation at 20˚C
图3. 20℃，连续运转机头排气温度随吸气压力变化规律
Figure 4. Variation of exhaust temperature of machine head with suction pressure at 20˚C, 10% operation rate
图4. 20℃，10%运转率机头排气温度随吸气压力变化规律
Figure 5. Variation of exhaust temperature of machine head with suction pressure at 50˚C, continuous operation
图5. 50℃，连续运转机头排气温度随吸气压力变化规律
对比图3、图4、图5表明，在不同温度、不同运转率条件下，吸气压力对温度的影响均不敏感。其中，不同工况下的机头排气温度均不超过90℃ [8]，满足标准要求。故取消部分低气压的试验工况，在常压吸气工况下分析温度数据。
3.2. 运转率对机头排气温度的影响
理论上，运转率和吸气温度对温度都有直接的影响，故设置试验条件如表4所示。
Table 4. Working conditions of different operating rates
表4. 不同运转率工况
得到与运转率机头排气温度的关系如图6所示。
Figure 6. The variation law of the exhaust temperature of the machine head with the operation rate
图6. 机头排气温度随运转率变化规律
图6表明，在低运转率(≤30%)下，机头排气温度增加显著。特别是在低温下，运转率由10%增加至30%的过程中，机头排气温度增加明显，且低温环境下，低运转率对机头排气温度的影响比常温及高温更为显著。
当空压机运转率 ≥ 30%，机头排气温度趋于稳定。
在高温(50℃)、100%运转率条件下，排气极限温度88℃，满足现车使用要求。
3.3. 吸气温度对机头排气温度的影响
常压下开展不同吸气温度对机头排气温度影响的试验测试，得到吸气温度与机头排气温度的关系如图7所示。
由图7表明，在相同运转率下，机头排气温度均随吸气温度的增加而增加。在相同吸气温度下，机头排气温度均运转率的增加而增加。
Figure 7. The variation law of the exhaust temperature of the machine head with the suction temperature
图7. 机头排气温度随吸气温度变化规律
由图7表明，在相同运转率下，机头排气温度均随吸气温度的增加而增加。在相同吸气温度下，机头排气温度均运转率的增加而增加。
3.4. 极限耐温试验
为验证该型号螺杆式压缩机极限耐温能力，进一步开展耐高温测试、封堵冷却器(模拟冷却器脏污覆盖)试验。试验测试现场图如图8、图9所示，得到温度曲线如图10、图11所示。
Figure 8. Extreme high temperature test temperature setting
图8. 极限高温测试温度设定
Figure 9. Cooler dirty block simulation test
图9. 冷却器脏堵模拟测试
图10表明，螺杆空压机在62℃环境温度下连续工作，油温稳定在110℃；在64℃环境温度连续工作时，润滑油温度稳定在113℃，处于温度开关动作临界点(动作值公差：小于量程2%)。冷却器出口温度–吸气温度 ≤ 15℃，符合冷却器设计指标要求。
(a) 
(b) 
(c)
Figure 10. (a) Extreme high temperature test; (b) Ambient temperature 62˚C, oil temperature 110˚C; (c) Ambient temperature 64˚C, oil temperature 113˚C
图10. (a) 极限高温测试；(b) 环境温度62℃，油温110℃；(c) 环境温度64℃，油温113℃
针对部分车辆将空压机设置在设备舱内，当发现舱内异常高温(环境温度60℃)，且空压机持续工作极限工况时，该型号空压机能够满足安全使用，保证供风要求。
图11表明，在环境温度为50℃、覆盖油冷1/2面积，润滑油温度稳定在101℃，远低于润滑油高温报警设定值(115℃)要求。冷却器出口温度 ≤ 65℃，符合轨道交通空压机行业标准要求。
针对部分车辆无设备舱安装条件，当空压机冷却器被杂物部分覆盖时，该型号空压机能够满足安全使用，保证供风要求。
(a)
(b)
Figure 11. (a) Simulation test of cooler dirty block; (b) Ambient temperature 50 C, oil temperature 101˚C
图11. (a) 冷却器脏堵模拟测试；(b) 环境温度50℃，油温101℃
4. 结论
本文对某型号螺杆空压机吸气压力、吸气温度及运转率等因素进行了试验研究，获得了空压机机头排气温度的变化规律。同时该型号空压机极限耐高温能力达到62℃，且能够满足1/2油冷面积被覆盖极限使用工况。
试验结果表明该型号螺杆空压机能够较好地适应轨道交通高低温、频繁启停等运转工况，且能够保证在夏季设备舱温度较高的运行环境可靠应用。
另外，文中对于空压机在不同运转率工况下机头排气温度试验研究，能够为后续解决轨道交通用螺杆空压机频繁启停工况下润滑油乳化故障提供数据支撑。