金 寧

（蘭州市軌道交通有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，甘肅 蘭州 730000）

1 研制背景

列車清洗機(jī)是用于地鐵電動(dòng)客車的車體側(cè)面、前后端面，側(cè)頂弧面等外表面的清洗設(shè)備。其由洗刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、藥液系統(tǒng)、熱風(fēng)幕系統(tǒng)以及水處理系統(tǒng)等組成。水處理系統(tǒng)包括集水池、提升泵、反應(yīng)池、光催化設(shè)備等[1]。洗車廢水經(jīng)過排水槽進(jìn)入集水池，然后通過提升泵的提升進(jìn)入反應(yīng)池，通過物理沉淀作用除去較大的顆粒性物質(zhì)，最后進(jìn)入光催化設(shè)備完成化學(xué)除菌除臭。水處理系統(tǒng)對(duì)洗車廢水經(jīng)過上述的物理沉淀作用以及化學(xué)除菌除臭反應(yīng)后，可以重新用于電動(dòng)客車車體外表面的清洗，其回收利用率可以達(dá)75%，有效降低自來水的使用率。

水處理系統(tǒng)中，提升泵安裝在集水池和反應(yīng)池之間，其功能是將集水池中的洗車廢水提升于反應(yīng)池。提升泵的啟動(dòng)和停止采用PLC自動(dòng)控制模式，在集水池內(nèi)設(shè)置有高低點(diǎn)位浮球液位開關(guān)，分別用于監(jiān)測(cè)集水池內(nèi)洗車廢水的高水位和低水位。當(dāng)集水池的水位到達(dá)高水位時(shí)，浮球液位開關(guān)將高水位信號(hào)傳送至PLC程序，經(jīng)過邏輯關(guān)系判斷后，PLC程序控制提升泵開始工作；當(dāng)集水池的水位降低至低水位時(shí)，浮球液位開關(guān)將低水位信號(hào)傳送到PLC程序，經(jīng)過邏輯關(guān)系判斷后，PLC程序控制提升泵停止工作。在洗車作業(yè)中，提升泵的啟停動(dòng)作無需人工操作，抽水效率高，水泵震動(dòng)小，噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

2 研制目的

水處理系統(tǒng)的提升泵采用自吸式離心泵[2]。啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)前需要保證提升泵泵體內(nèi)部有足夠的自來水，提升泵葉輪旋轉(zhuǎn)，利用離心力原理，將泵體內(nèi)自來水甩入出水管，泵體內(nèi)變?yōu)檎婵諣顟B(tài)，使得集水池和提升泵之間產(chǎn)生壓力差。集水池內(nèi)的洗車廢水在大氣壓強(qiáng)的作用下，壓入水泵泵體，葉輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)繼續(xù)工作。因洗車廢水中含有較多的顆粒物質(zhì)以及油污，會(huì)造成提升泵進(jìn)水管單向閥密封不良，導(dǎo)致提升泵內(nèi)自來水通過進(jìn)水管滲漏至集水池，最終引起提升泵泵體內(nèi)缺少自來水，提升泵因沒有空轉(zhuǎn)保護(hù)[3]，機(jī)械密封和電機(jī)轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)過程中兩者之間缺少自來水的潤(rùn)滑降溫，進(jìn)而造成機(jī)械密封出現(xiàn)干磨現(xiàn)象而損壞[4]。這不僅增加了設(shè)備維修工作量和生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低了提升泵的使用率，間接增加自來水的使用量，降低了洗車廢水回收利用率。

圖1是目前提升泵的原理圖。圖2是PLC程序原理圖。

圖1 提升泵原理圖

圖2 PLC程序原理圖

圖1說明：WP1是提升泵，F(xiàn)Q1是集水池浮球液位開關(guān)，C點(diǎn)和D點(diǎn)是浮球液位開關(guān)在集水池內(nèi)的高水位點(diǎn)和低水位點(diǎn)。當(dāng)集水池內(nèi)的水位在高水位C點(diǎn)以上時(shí)，WP1提升泵開始工作，將集水池內(nèi)的水提升于反應(yīng)池。在高水位C點(diǎn)和低水位D點(diǎn)之間時(shí)，WP1提升泵不工作。集水池的浮球液位開關(guān)只能檢測(cè)集水池中的水位，控制提升泵運(yùn)行，但是不能檢測(cè)提升泵泵體內(nèi)是否有自來水，不能充分保護(hù)提升泵。

圖2說明：PLC原理圖中，H_011點(diǎn)是集水池高水位點(diǎn)（常開點(diǎn)），H_010點(diǎn)是集水池低水位點(diǎn)（常閉點(diǎn)），H_019是反應(yīng)池高水位點(diǎn)（常閉點(diǎn)），M_Mannul是洗車手動(dòng)選擇旋鈕（常閉點(diǎn)），以上點(diǎn)位均為PLC中輸入點(diǎn)位。Q_Bump_Collect點(diǎn)是PLC程序中控制提升泵啟停的輸出點(diǎn)。當(dāng)集水池內(nèi)水位在高水位點(diǎn)之上時(shí)，H_011集水池高水位常開點(diǎn)變?yōu)殚]合，其余點(diǎn)位均為常閉點(diǎn)，PLC程序中提升泵點(diǎn)位有輸出信號(hào)，提升泵開始啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 研制方案內(nèi)容

提升泵的工作原理:提升泵采用自吸式離心泵，啟動(dòng)前先在提升泵泵體內(nèi)灌滿自來水[5]。啟動(dòng)后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時(shí)泵體內(nèi)形成真空，使進(jìn)水逆止閥門打開，吸入管內(nèi)的空氣進(jìn)入泵體內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達(dá)外緣。通過反復(fù)循環(huán)，逐漸將吸入管路中的空氣排盡。在壓力差的作用下，使進(jìn)水管中的自來水進(jìn)入泵體內(nèi)，完成自吸過程。機(jī)械密封的作用就是為了封閉泵體與泵軸之間的空隙，不讓泵體內(nèi)的水滲漏到泵體外部，也不會(huì)讓外面的空氣進(jìn)入到泵體內(nèi)部，保證提升泵可以正常啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。

浮球液位開關(guān)的工作原理：浮球液位開關(guān)由直桿、浮球、高低水位的磁簧開關(guān)組成[7]。其采用磁力運(yùn)作，無機(jī)械連接件，運(yùn)作簡(jiǎn)單可靠。當(dāng)自來水水位發(fā)生變化時(shí)，浮球液位開關(guān)的浮球在浮力的作用下，隨水位的上升而跟隨上升，或者隨水位的下降而跟隨下降。浮球上升到高水位時(shí)，浮球內(nèi)部的磁鐵觸發(fā)高水位磁簧開關(guān)的常開觸點(diǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，PLC程序自動(dòng)控制提升泵的啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；浮球下降到低水位時(shí)，浮球內(nèi)部的磁鐵觸發(fā)低水位磁簧開關(guān)的常閉觸點(diǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，PLC程序自動(dòng)控制提升泵的停止。

根據(jù)提升泵和浮球液位開關(guān)的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)，現(xiàn)考慮在集水池出水管至提升泵之間增加一保護(hù)裝置，保護(hù)裝置包括補(bǔ)水裝置及浮球液位開關(guān)。在補(bǔ)水裝置上方開2個(gè)孔，其中一個(gè)孔是手動(dòng)注水口，用于給提升泵加注自來水，另一個(gè)孔是浮球液位開關(guān)的安裝孔。補(bǔ)水裝置與提升泵之間采用法蘭盤連接。補(bǔ)水裝置內(nèi)設(shè)一常開型浮球液位開關(guān)，其只有一個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)。設(shè)定浮球液位開關(guān)的高水位位置與提升泵的最高液面相持平，將浮球液位開關(guān)的常開觸點(diǎn)寫入洗車機(jī)PLC程序。當(dāng)浮球液位開關(guān)的浮球不在高水位時(shí)，浮球沒有觸發(fā)磁簧開關(guān)，此時(shí)浮球液位開關(guān)的高水位磁簧開關(guān)為常開狀態(tài)，PLC程序中的常開觸點(diǎn)沒有閉合，提升泵不能運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)浮球液位開關(guān)的浮球在高水位時(shí)，浮球觸發(fā)磁簧開關(guān)，浮球液位開關(guān)的高水位磁簧開關(guān)由常開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)，PLC程序中的常開觸點(diǎn)變?yōu)殚]合，控制提升泵啟動(dòng)運(yùn)行。

圖3是增加保護(hù)裝置的提升泵原理圖，圖4是增加保護(hù)裝置后的PLC程序原理圖。

圖3 增加保護(hù)裝置的提升泵原理圖

圖4 增加保護(hù)裝置的PLC程序原理圖

圖3說明：WP1是提升泵，F(xiàn)Q1是集水池的浮球液位開關(guān)，C點(diǎn)和D點(diǎn)是浮球液位開關(guān)在集水池內(nèi)的高水位點(diǎn)和低水位點(diǎn)，HP是提升泵的補(bǔ)水裝置，F(xiàn)Q2是補(bǔ)水裝置內(nèi)浮球液位開關(guān)。a點(diǎn)是補(bǔ)水裝置浮球液位開關(guān)的高水位點(diǎn)（與提升泵最高水位點(diǎn)持平或略高。此浮球液位開關(guān)只有一個(gè)磁簧開關(guān)，其為常開型，即高水位a點(diǎn)為常開觸點(diǎn)。將a點(diǎn)常開觸點(diǎn)寫入PLC程序原理圖，當(dāng)提升泵泵體內(nèi)的水位低于a點(diǎn)時(shí)，浮球內(nèi)的磁鐵不會(huì)觸發(fā)磁簧開關(guān)，磁簧開關(guān)始終為常開狀態(tài)，PLC程序中的常開觸點(diǎn)沒有閉合，提升泵不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)提升泵泵體內(nèi)的水位等于或高于a點(diǎn)時(shí)，浮球內(nèi)的磁鐵觸發(fā)磁簧開關(guān)，磁簧開關(guān)由常開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)，PLC程序中的常開觸點(diǎn)變?yōu)殚]合，自動(dòng)控制提升泵啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4說明：PLC程序原理圖中，其他點(diǎn)位（常開常閉點(diǎn)）與增加保護(hù)裝置前的程序相同（圖2），增加H_055提升泵補(bǔ)水裝置浮球液位開關(guān)高水位常開點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖3中補(bǔ)水裝置浮球液位開關(guān)的高水位（a點(diǎn)）常開觸點(diǎn)。PLC程序原理圖中，提升泵點(diǎn)位有輸出的必要條件，不僅要滿足集水池高水位點(diǎn)位由常開變?yōu)殚]合，其他常閉點(diǎn)均為閉合狀態(tài)，且還要滿足提升泵浮球液位開關(guān)常開點(diǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，即補(bǔ)水裝置浮球液位開關(guān)的浮球必須在高水位（a點(diǎn)）以上。

增加補(bǔ)水裝置和浮球液位開關(guān)，同時(shí)在PLC梯形圖程序中增加補(bǔ)水裝置內(nèi)的浮球液位開關(guān)常開觸點(diǎn)，通過浮球液位開關(guān)監(jiān)測(cè)提升泵補(bǔ)水裝置內(nèi)的水位，PLC程序自動(dòng)控制提升泵的啟停動(dòng)作，充分保護(hù)提升泵在啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵體內(nèi)有足夠的自來水給機(jī)械密封潤(rùn)滑降溫，進(jìn)而保護(hù)機(jī)械密封不會(huì)出現(xiàn)干磨現(xiàn)象而損壞。

4 研制方案的比較

針對(duì)水處理系統(tǒng)提升泵機(jī)械密封的磨損，可以考慮2種方案的實(shí)施。

第一種方案：鑒于機(jī)械密封磨損的可能性，可以設(shè)置一種可檢測(cè)磨損量的裝置[8]。機(jī)械密封由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成，動(dòng)環(huán)套設(shè)于轉(zhuǎn)軸，動(dòng)環(huán)隨著轉(zhuǎn)軸進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。靜環(huán)與動(dòng)環(huán)相鄰設(shè)置，靜環(huán)和動(dòng)環(huán)上具有測(cè)量端面，測(cè)量端面開設(shè)測(cè)量凹槽，測(cè)量凹槽的開設(shè)位置靠近靜環(huán)或者動(dòng)環(huán)的周緣，測(cè)量凹槽的回轉(zhuǎn)截面所對(duì)應(yīng)的中心角在相異深度處不完全相同。檢測(cè)器設(shè)置于靜環(huán)或者動(dòng)環(huán)，用于檢測(cè)靜環(huán)與動(dòng)環(huán)形成的摩擦副產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，當(dāng)動(dòng)環(huán)或者靜環(huán)由于傾斜發(fā)生摩擦?xí)r產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的聲波發(fā)至接收器，即可檢測(cè)機(jī)械密封磨損情況。此種方案可以監(jiān)測(cè)機(jī)械密封的磨損情況，但是不能預(yù)防保護(hù)機(jī)械密封的磨損，并且列車清洗機(jī)提升泵的空間狹小且運(yùn)行時(shí)有振動(dòng)，不適宜安裝監(jiān)測(cè)器。

第二種方案：水處理系統(tǒng)提升泵為自吸式離心泵，根據(jù)自吸式離心泵的工作原理，可以在提升泵處增加補(bǔ)水裝置及浮球液位開關(guān)，在PLC程序原理圖中增加補(bǔ)水裝置浮球液位開關(guān)高水位常開輸入點(diǎn)位，保證補(bǔ)水裝置浮球液位開關(guān)的浮球在高水位以下時(shí)，提升泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)；浮球液位開關(guān)在高水位時(shí)，PLC程序自動(dòng)控制提升泵啟動(dòng)運(yùn)行。消除提升泵空轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)機(jī)械密封不會(huì)因缺少自來水的潤(rùn)滑降溫，造成異常磨損而損壞。此種方案可以預(yù)防并保護(hù)機(jī)械密封的磨損，易于安裝，后期檢修維護(hù)方便。研制成本僅包括補(bǔ)水裝置、浮球液位開關(guān)、部分PVC管路、法蘭盤等部件，可以用小成本實(shí)現(xiàn)大效益。間接提高水處理利用率，性價(jià)比極高。

5 研制方案的選擇

通過上述2種方案的比較，方案一安裝機(jī)械密封監(jiān)測(cè)器，以監(jiān)測(cè)機(jī)械密封的磨損為主，不能消除機(jī)械密封的磨損，實(shí)用性不強(qiáng)，并且提升泵空間較小，不宜安裝監(jiān)測(cè)器；方案二安裝提升泵保護(hù)裝置，以預(yù)防和保護(hù)機(jī)械密封的磨損為主，易于安裝，方便檢修人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)，并且研制成本較低，方案的可實(shí)施性強(qiáng)，性價(jià)比高，用最小的成本換取最大的效益。

綜上所述，可以選擇方案二，以此來監(jiān)測(cè)提升泵補(bǔ)水裝置的水位，預(yù)防和保護(hù)機(jī)械密封的異常磨損，保證水處理系統(tǒng)的正常使用。

6 研制方案的意義

列車清洗機(jī)水處理系統(tǒng)提升泵通過加裝補(bǔ)水裝置及浮球液位開關(guān)保護(hù)裝置，能夠有效預(yù)防和保護(hù)提升泵機(jī)械密封的異常磨損，降低水處理系統(tǒng)的故障率，從而提高洗車回用水的利用率。能夠從生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及設(shè)備安全等各方面起到積極的作用。

（1）提高設(shè)備的使用可靠性和維護(hù)的便捷性。列車清洗機(jī)水處理系統(tǒng)提升泵加裝補(bǔ)水裝置及浮球液位開關(guān)保護(hù)裝置后，可保證提升泵不會(huì)因空轉(zhuǎn)而對(duì)機(jī)械密封造成干磨損壞。日常維護(hù)僅需要對(duì)浮球液位開關(guān)進(jìn)行定期檢查，即使浮球液位開關(guān)出現(xiàn)故障，PLC程序也會(huì)通過梯形圖邏輯關(guān)系判斷補(bǔ)水裝置水位位置，使設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備耐用性、可靠性及延長(zhǎng)使用壽命。

（2）減少備件消耗，降低直接成本。設(shè)備狀態(tài)不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致故障率的上升。水處理系統(tǒng)提升泵加裝補(bǔ)水裝置及浮球液位開關(guān)保護(hù)裝置后，可有效保護(hù)提升泵不會(huì)因?yàn)槿彼辙D(zhuǎn)，機(jī)械密封不會(huì)因缺水而沒有潤(rùn)滑降溫，造成干磨而損壞，可切實(shí)降低故障率。根據(jù)軌道交通行業(yè)列車清洗機(jī)的使用頻率及備件消耗，每臺(tái)提升泵每年需要消耗更換3個(gè)機(jī)械密封。車輛段和停車場(chǎng)各有1臺(tái)列車清洗機(jī)，每臺(tái)列車清洗機(jī)有2臺(tái)提升泵，則總計(jì)4臺(tái)提升泵，配套有4個(gè)機(jī)械密封，則每年因機(jī)械密封的磨損，提升泵共需要更換12個(gè)機(jī)械密封。根據(jù)機(jī)械密封的市場(chǎng)采購(gòu)價(jià)，一個(gè)機(jī)械密封約300元。每年只是更換機(jī)械密封就要多花費(fèi)300元×12個(gè)=3 600元。通過增加提升泵保護(hù)裝置，減少機(jī)械密封備件的更換率，降低備件更換的直接成本。

（3）保證設(shè)備性能，保證間接成本。水處理系統(tǒng)提升泵加裝補(bǔ)水裝置及浮球液位開關(guān)保護(hù)裝置后，不僅會(huì)降低直接成本，即備件自身的采購(gòu)成本。也會(huì)降低間接成本，包括備件更換的時(shí)間成本及人力成本，保證設(shè)備的良好性能，正常發(fā)揮設(shè)備功能。保證洗車回用水的利用率可達(dá)到75%，間接保證了自來水的使用成本。按照軌道交通行業(yè)列車清洗機(jī)的使用頻率，車輛段和停車場(chǎng)每天共清洗6列車，每列車用水2噸，每天洗車用水可節(jié)約2（t）×6（列車）×0.75=9（t）。假若因機(jī)械密封磨損故障，導(dǎo)致水處理系統(tǒng)不能使用，而機(jī)械密封采購(gòu)未到位，則只能使用城市自來水管網(wǎng)用水，一周的洗車用水增加9（t）×7（d)=63（t）。間接保證自來水的使用成本，從經(jīng)濟(jì)效益及時(shí)間效益來說，都是意義重大。

7 結(jié)束語(yǔ)

列車清洗機(jī)水處理系統(tǒng)提升泵加裝補(bǔ)水裝置及浮球液位開關(guān)保護(hù)裝置，采用PLC程序自動(dòng)控制，監(jiān)測(cè)提升泵補(bǔ)水裝置內(nèi)部的水位，保證補(bǔ)水裝置內(nèi)水位處于高水位時(shí)，提升泵才可正常工作。當(dāng)補(bǔ)水裝置的水位不在高水位時(shí)，提升泵會(huì)自動(dòng)停止工作，保證提升泵內(nèi)機(jī)械密封不會(huì)因缺水而沒有潤(rùn)滑降溫，造成干磨損壞。此保護(hù)裝置產(chǎn)生的效益重大，降本增效體現(xiàn)在直接成本和間接成本。直接成本方面，不僅減少機(jī)械密封備件更換的概率，縮減故障處理時(shí)間，降低機(jī)械密封備件更換的時(shí)間成本和采購(gòu)成本，以及人力成本；間接成本方面，因具有提升泵水位監(jiān)測(cè)功能，切實(shí)降低提升泵機(jī)械密封的故障率，很大程度提高水處理系統(tǒng)提升泵的利用率，增加洗車回用水的利用率，間接降低自來水的使用率，符合降本增效的要求。