地鐵列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)的問題分析與改進(jìn)

蘇博智 陳伊濤 陳國(guó)亮 陳國(guó)棟

摘? 要：地鐵列車外皮清洗機(jī)是地鐵車輛段主要設(shè)備之一，其空氣控制系統(tǒng)隨著使用年限增長(zhǎng)，加上空氣控制元件長(zhǎng)期工作在潮濕環(huán)境，對(duì)空氣管路元件造成了腐蝕，增加了漏氣點(diǎn)，空氣壓縮機(jī)部分會(huì)頻繁啟停，嚴(yán)重影響設(shè)備正常使用。鑒于此，對(duì)列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查與分析，確認(rèn)了原有空氣控制系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)布局不合理，進(jìn)而造成空氣控制系統(tǒng)元件加速腐蝕的問題。針對(duì)該問題，對(duì)列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，并對(duì)改造后的空氣控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬洗車試驗(yàn)，確認(rèn)了通過對(duì)列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)的改造解決了存在的問題。

關(guān)鍵詞：地鐵;列車外皮清洗機(jī);空氣控制系統(tǒng);腐蝕;改造

1? ? 研究背景

當(dāng)前，我國(guó)城市交通擁堵問題是市民非常關(guān)注的話題，而修建地鐵可以很大程度上緩解城市交通壓力，所以城市軌道交通在我國(guó)有很大的發(fā)展前景。

目前，國(guó)內(nèi)各大城市都在加速修建地鐵，城市地鐵線路不斷增多，已逐步形成網(wǎng)格化。地鐵由于其干凈的外表、舒適的內(nèi)部環(huán)境，加上快速準(zhǔn)點(diǎn)以及安全運(yùn)行的特點(diǎn)，正在潛移默化地改變著市民的出行方式，同時(shí)地鐵也悄悄地成為了一個(gè)城市的新名片。

地鐵干凈的外表、舒適的內(nèi)部環(huán)境，當(dāng)然離不開清潔工的辛勤勞動(dòng)。但隨著城市地鐵線路不斷增長(zhǎng)，地鐵列車數(shù)量也在不斷增加，單靠人工清洗列車外表面已無法滿足實(shí)際需求。因此，地鐵列車外皮清洗機(jī)（簡(jiǎn)稱“洗車機(jī)”）應(yīng)運(yùn)而生，它是為地鐵列車外表面提供清洗服務(wù)的專用設(shè)備。洗車機(jī)的出現(xiàn)，在很大程度上提高了地鐵列車外表面清洗效率和清潔度，而且還節(jié)約了洗車用水及人力成本。

北方地區(qū)的洗車機(jī)一般會(huì)單獨(dú)設(shè)置在一個(gè)洗車庫內(nèi)，洗車庫兩端裝有庫大門，在洗車時(shí)需人工打開兩端庫大門，洗車結(jié)束后再人工關(guān)閉兩端庫大門。這樣洗車機(jī)的洗車區(qū)域就會(huì)形成一個(gè)封閉空間，每次洗完車的水不能及時(shí)蒸發(fā)掉，就會(huì)造成洗車庫內(nèi)常年潮濕。洗車機(jī)原氣路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是分布式的，氣動(dòng)元件安裝在洗車區(qū)域每個(gè)立柱內(nèi)，隨著洗車機(jī)使用年限延長(zhǎng)，氣動(dòng)控制元件很容易腐蝕損壞。這種設(shè)計(jì)在洗車機(jī)這樣的運(yùn)行環(huán)境下是非常不合理的，目前氣路控制系統(tǒng)的氣管路及氣動(dòng)執(zhí)行元件已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕，在洗車過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障，從而影響地鐵列車清洗，進(jìn)而影響城市名片的展示效果。可見，洗車機(jī)作為地鐵車輛段的重要設(shè)備之一，其穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)幾大洗車機(jī)生產(chǎn)廠家的調(diào)研，其氣路控制系統(tǒng)都是分布式控制設(shè)計(jì)，所以也都存在氣管路及氣路執(zhí)行元件腐蝕問題，而且沒有很好的解決方案。就目前洗車機(jī)的使用情況分析，其60%的故障都是氣路故障。因此，設(shè)計(jì)改造人員開拓思路，多方咨詢，精心畫圖設(shè)計(jì)，并多次討論，大膽實(shí)施，最終“一種新型地鐵車輛段列車外皮清洗機(jī)空氣集中控制裝置”成功問世，并替換了使用十年之久的列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)，改進(jìn)后洗車機(jī)運(yùn)行很穩(wěn)定，保證了地鐵列車外表面清洗，再也不用擔(dān)心地鐵列車外表清洗不干凈，會(huì)影響城市名片展示效果的問題。

2? ? 地鐵列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)問題分析

2.1? ? 原因分析

地鐵列車外皮清洗機(jī)工作方式有兩種，一種是自動(dòng)有端洗模式，另一種是自動(dòng)無端洗模式。列車外皮清洗機(jī)設(shè)計(jì)有5對(duì)立刷、2對(duì)側(cè)弧刷和1對(duì)端刷，共計(jì)8對(duì)刷組，每對(duì)刷組的擺出與退回是通過安裝在刷組上部的氣動(dòng)馬達(dá)（型號(hào)為BM-160）驅(qū)動(dòng)刷軸來控制，而氣動(dòng)馬達(dá)是靠空氣壓縮機(jī)產(chǎn)出的高壓空氣經(jīng)過空氣控制系統(tǒng)來動(dòng)作?？諝饪刂葡到y(tǒng)是通過操作室上位控制系統(tǒng)控制，它采用德國(guó)西門子S7系列可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），中央處理器為CPU315[1-4]。空氣控制系統(tǒng)包含空氣壓縮機(jī)、氣動(dòng)三聯(lián)件、儲(chǔ)氣罐、氣管路、兩位五通氣動(dòng)電磁換向閥等元件，其中氣管路、氣動(dòng)三聯(lián)件（含氣壓顯示表）及兩位五通氣動(dòng)電磁換向閥分別布置在列車外皮清洗區(qū)的每對(duì)刷組方柱內(nèi)。列車外皮清洗機(jī)在洗車時(shí)需要經(jīng)常噴水，導(dǎo)致該區(qū)域空氣濕度較大，可達(dá)60%～80%，再加上洗車時(shí)用的中性清洗劑有一定腐蝕性，于是該區(qū)域的空氣控制系統(tǒng)元件長(zhǎng)期工作在潮濕環(huán)境，很容易腐蝕，這樣不但會(huì)增加空氣管道的漏氣點(diǎn)，而且維修也非常不便，有時(shí)只能通過更換氣路控制元件來臨時(shí)解決漏氣故障。漏氣點(diǎn)增多不但會(huì)造成空氣壓縮機(jī)供氣損失，浪費(fèi)資源，而且還會(huì)使空氣壓縮機(jī)啟停頻繁，縮短空氣壓縮機(jī)使用壽命，從而影響列車外皮清洗機(jī)正常使用。

2.2? ? 工作原理

列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示[5-7]。列車外皮清洗機(jī)刷軸的擺出與收回，采用圓形擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，而擺動(dòng)氣缸所需的高壓氣體是通過單螺桿空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)出來的。單螺桿空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)出來的高壓氣體首先輸送至高壓空氣儲(chǔ)氣罐進(jìn)行儲(chǔ)存，接著經(jīng)過手動(dòng)截止閥、氣動(dòng)三聯(lián)件及DN15鐵管，分別輸送到8對(duì)刷組方柱旁及各水泵噴出水管處（其目的是冬季洗車時(shí)將各水泵出水管里水吹干），然后通過？準(zhǔn)8高壓塑料氣管連接手動(dòng)滑閥和DN15鐵管。生產(chǎn)出來的高壓氣體通過方柱內(nèi)氣動(dòng)三聯(lián)件及二位五通電磁閥，最后到達(dá)擺動(dòng)氣缸兩個(gè)氣口。其工作原理是單螺桿空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)出來的高壓氣體，經(jīng)氣動(dòng)元件和輸氣管路輸送至二位五通電磁換向閥處，這時(shí)如果PLC將工作指令發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制刷組動(dòng)作的二位五通電磁閥，則二位五通電磁閥的閥芯會(huì)在閥體內(nèi)左右移動(dòng)從而改變高壓氣體流向，進(jìn)而控制刷組擺出和收回。

由以上分析可知，地鐵列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)屬于分散布局，而這種布局對(duì)工作于潮濕環(huán)境的列車外皮清洗機(jī)非常不合理，因?yàn)榇蟛糠謿鈩?dòng)元件長(zhǎng)期工作在相對(duì)潮濕的洗車區(qū)域，這樣不但會(huì)加速氣動(dòng)元件腐蝕，還會(huì)造成漏氣點(diǎn)增多，而且故障維修及保養(yǎng)也非常不便，如圖2所示。所以，需要對(duì)列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布局進(jìn)行優(yōu)化改造。

2.3? ? 電氣控制原理

地鐵列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)電氣控制原理如圖3所示。操作人員先選擇列車外皮清洗機(jī)洗車模式，是自動(dòng)帶端洗模式還是自動(dòng)無端洗模式。洗車模式選好后，根據(jù)洗車模式對(duì)列車外皮清洗機(jī)端刷手動(dòng)執(zhí)行“解鎖”或“鎖住”操作。選好洗車模式后，操作人員將下達(dá)洗車準(zhǔn)備命令，這時(shí)上位控制系統(tǒng)——西門子S7-300 PLC的CPU接到洗車命令，內(nèi)部程序開始循環(huán)工作。如圖3所示，以1號(hào)立刷組為例，刷組的推出過程如下：首先，PLC內(nèi)部中間繼電器M46.4（正向洗車刷組推出條件）得電吸合;接著，每對(duì)刷組通過PLC內(nèi)部時(shí)間繼電器T96（正向刷推出延時(shí)）控制，依次延時(shí)2 s推出;然后，PLC輸出點(diǎn)Q8.1得電置位輸出，這時(shí)接在點(diǎn)Q8.1上的外部中間繼電器KA66線圈得電吸合;最后，中間繼電器KA66常開觸點(diǎn)閉合，使二位五通電磁閥DT3得電動(dòng)作，從而控制刷組擺出。刷組的退回：當(dāng)列車完成清洗后，PLC內(nèi)部中間繼電器M45.1得電，Q8.1復(fù)位失電，這時(shí)接在點(diǎn)Q8.1上的外部中間繼電器KA66線圈失電斷開;而中間繼電器KA66上的常開觸點(diǎn)復(fù)位，使二位五通電磁閥DT3失電，從而控制刷組退回。

綜上所述，列車外皮清洗機(jī)空氣控制系統(tǒng)電氣控制原理存在設(shè)計(jì)上的不合理，主要是列車在正向清洗完成后，刷組旋轉(zhuǎn)和水管噴水同時(shí)停止工作，這樣就會(huì)使殘留在刷組刷毛上的洗車用水流到設(shè)備上，進(jìn)而腐蝕設(shè)備。

3? ? 改造優(yōu)化

針對(duì)上述列車外皮清洗機(jī)在實(shí)際使用中存在的問題，一是空氣控制系統(tǒng)原理中分析到的氣動(dòng)元件長(zhǎng)期工作在洗車區(qū)域潮濕易腐蝕環(huán)境的問題，可將列車外皮清洗機(jī)洗車區(qū)域內(nèi)的氣動(dòng)元件原有分散布置改造成采用防潮、防腐蝕的不銹鋼柜子集中布置，同時(shí)將原有的輸氣管道由鐵管改造成？準(zhǔn)8高壓防腐塑料氣管，如圖4所示;二是電氣控制原理中分析到的列車清洗完成后，水管噴水和刷組旋轉(zhuǎn)同時(shí)停止工作，使刷毛殘留洗車用水順著刷毛流到設(shè)備上進(jìn)而腐蝕設(shè)備的問題，可將列車外皮清洗機(jī)電氣控制系統(tǒng)中控制刷組停止旋轉(zhuǎn)的PLC程序M45.1（列車正向自動(dòng)洗車結(jié)束）加1 min延時(shí)，如圖4所示，在列車清洗完成后，水管停水，刷組刷毛旋轉(zhuǎn)1 min后停止，使刷組刷毛甩干，從而解決刷毛上存在殘留洗車用水的問題[8-10]。

4? ? 實(shí)際應(yīng)用

自從列車外皮清洗機(jī)氣路控制系統(tǒng)改造優(yōu)化并成功投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用后，不但徹底解決了列車外皮清洗機(jī)洗車區(qū)域內(nèi)氣動(dòng)元件腐蝕問題，而且還解決了每次洗完列車后刷組刷毛殘留洗車用水順?biāo)⒚鞯皆O(shè)備本體，造成設(shè)備本體腐蝕的問題，這就延長(zhǎng)了設(shè)備使用期限，降低了設(shè)備故障發(fā)生率，保證了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

5? ? 結(jié)語

本文對(duì)列車外皮清洗機(jī)空氣系統(tǒng)在使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題從兩方面進(jìn)行了分析，可以看出，原有氣路系統(tǒng)布局及電氣控制原理不合理，這也加快了空氣系統(tǒng)元件及設(shè)備本體的腐蝕速度，導(dǎo)致列車外皮清洗機(jī)使用時(shí)故障較多，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，而且不方便設(shè)備維修人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)及故障排查。

通過列車外皮清洗機(jī)氣路系統(tǒng)整體改造，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，其中對(duì)空氣控制系統(tǒng)氣動(dòng)元件進(jìn)行集中布置，這樣不但提升了故障處理效率，而且還省去了南北兩側(cè)主氣路鐵管的使用（鐵管極易受潮腐蝕），用？準(zhǔn)8高壓防腐塑料氣管替代，這樣既延緩了擺動(dòng)馬達(dá)動(dòng)作速度，使擺動(dòng)氣缸工作較為平緩，又減輕了擺動(dòng)馬達(dá)對(duì)機(jī)械止檔的瞬間沖擊力，能防止機(jī)械止檔意外損壞。氣路系統(tǒng)成功投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，不但減少了氣路節(jié)點(diǎn)，降低了漏氣點(diǎn)的檢查次數(shù)，而且還可以杜絕氣路元件的腐蝕，最終提升了列車外皮清洗機(jī)工作的穩(wěn)定性和洗車效率。

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收稿日期：2020-07-01

作者簡(jiǎn)介：蘇博智（1986—），男，甘肅平?jīng)鋈耍こ處?，主要從事地鐵相關(guān)設(shè)備技術(shù)管理工作。