地鐵車(chē)輛高穩(wěn)定性高精度空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)研制

趙 華 劉志遠(yuǎn) 石 晶

（杭州中車(chē)車(chē)輛有限公司，330013，杭州∥第一作者，高級(jí)工程師）

0 前言

地鐵屬于大運(yùn)量的公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)，保障安全是地鐵運(yùn)營(yíng)的首要任務(wù)。隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，地鐵車(chē)輛檢修設(shè)備的需求量也在快速增長(zhǎng)。地鐵車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)是地鐵車(chē)輛的重要組成部分，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到地鐵列車(chē)的運(yùn)行安全及行車(chē)品質(zhì)?？諝鈮嚎s機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“空壓機(jī)”）是風(fēng)源系統(tǒng)主要設(shè)備，為地鐵車(chē)輛制動(dòng)提供壓縮空氣，其性能的檢測(cè)一直是行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員聚焦的熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著智能儀表、微機(jī)測(cè)控技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，空壓機(jī)性能檢測(cè)技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。這些新技術(shù)的發(fā)展使測(cè)量的穩(wěn)定性、精度以及測(cè)試的自動(dòng)化程度得到顯著的提高。

國(guó)外在這個(gè)領(lǐng)域的研究比較深入，而且也取得了一些成績(jī)。例如：丹麥B&K公司生產(chǎn)的空壓機(jī)性能監(jiān)控系統(tǒng)，在十字頭滑道的部位安裝了加速度傳感器［1］；美國(guó) Bently Nevada公司，針對(duì)往復(fù)活塞式空壓機(jī)的性能檢測(cè)設(shè)計(jì)出了一系列可用于實(shí)際操作的模塊化產(chǎn)品，為其檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了完美的方案。這標(biāo)志著關(guān)于往復(fù)活塞式空壓機(jī)性能檢測(cè)的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的水平［2］。另外，針對(duì)往復(fù)活塞式空壓機(jī)的性能檢測(cè)，Operator Companies和Kotter Consulting Engineers合作開(kāi)發(fā)的空壓機(jī)離線性能檢測(cè)系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的傳感器和普通的工控機(jī)，軟件系統(tǒng)采用的則是MSWindows-NT，這個(gè)系統(tǒng)比較容易建模而且功能也比較強(qiáng)大［3］。

國(guó)內(nèi)對(duì)空壓機(jī)性能檢測(cè)研究起步比較晚，但近年也有很多研究，例如：北京交通大學(xué)王立乾以PLC（可編程邏輯控制器）和觸摸屏為核心的空壓機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法［4］；西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所以PLC的模擬輸入模塊和多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為數(shù)據(jù)采集單元,以組態(tài)軟件為測(cè)控軟件平臺(tái)的測(cè)控模式,構(gòu)建了壓縮機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理的測(cè)控體系［5］；西安交通大學(xué)流體機(jī)械及壓縮機(jī)國(guó)家工程研究中心結(jié)合現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，使用VC軟件開(kāi)發(fā)了基于PC機(jī)的空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)［6］。經(jīng)專(zhuān)利檢索，中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（授權(quán)公告號(hào)：CN205349684U），其包括用于檢測(cè)空壓機(jī)的排氣溫度的溫度傳感器、多級(jí)顯示電路、溫度傳感器等。但實(shí)際運(yùn)行中存在部分參數(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確性較差等問(wèn)題［7］。

本空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)研制的主要目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)組裝較為復(fù)雜、裝配配件較為繁瑣、檢測(cè)參數(shù)的精確度較差、在風(fēng)源壓力較高時(shí)氣流泄露造成試驗(yàn)的參數(shù)不準(zhǔn)確、相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)結(jié)果不能自動(dòng)保存或有選擇性保存等技術(shù)問(wèn)題。

1 空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)理念。試驗(yàn)臺(tái)的組裝較為簡(jiǎn)單，采用電氣部件與測(cè)試管路分開(kāi)布局的方式，便于維修的同時(shí)盡量減小測(cè)試過(guò)程中的電磁干擾。在氣路管路的設(shè)計(jì)上，采用地鐵車(chē)輛常用的管路連接方式。在正常的測(cè)試壓力范圍內(nèi)，試驗(yàn)臺(tái)氣密性高，檢測(cè)的各個(gè)參數(shù)的精確性好；在設(shè)備上設(shè)置相關(guān)零部件標(biāo)識(shí)及警惕標(biāo)識(shí)，以便于維護(hù)和保養(yǎng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、安全可靠、操作直觀簡(jiǎn)便。

設(shè)備采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。試驗(yàn)時(shí)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)在電腦屏幕上顯示，試驗(yàn)結(jié)果可以自動(dòng)保存或有選擇性地保存，可自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告單，并進(jìn)行打??；有可靠的接地、漏電、過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)；有可靠的安全防護(hù)、報(bào)警、保險(xiǎn)措施，以防止誤操作或意外事故致使機(jī)器受損或人身傷亡；零件、儀表、面板指示、結(jié)果報(bào)告及全部圖紙資料的計(jì)量單位全部采用國(guó)際單位（SI）；所有儀表、零部件的設(shè)計(jì)、制造及所用材料符合ISO和IEC標(biāo)準(zhǔn)或其他同等標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行全面、精確的性能檢測(cè)。

2 空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)組成及功能

圖1 空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

如圖1所示，空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)采用分離式設(shè)計(jì)，由操作主臺(tái)和執(zhí)行工作輔臺(tái)組成。測(cè)控系統(tǒng)由氣路處理部分和計(jì)算機(jī)測(cè)控部分組成，氣路處理部分實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)輸出壓力調(diào)節(jié)，過(guò)程量（溫度、濕度、壓力、流量）等測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)；試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)控部分主要完成氣路控制、電源控制，同步完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)的操作主臺(tái)和執(zhí)行工作輔臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)主臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 試驗(yàn)臺(tái)輔臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 氣路部分

氣路部分（見(jiàn)圖4）包括風(fēng)缸、壓力、溫度傳感器等，分別用于穩(wěn)定排氣壓力、測(cè)量容積流量和檢測(cè)排氣壓力、溫度等。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)氣路部分示意圖

2.3 計(jì)算機(jī)測(cè)控

試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)使用工業(yè)計(jì)算機(jī)加測(cè)控PLC配合完成。計(jì)算機(jī)作為人機(jī)操作接口，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。工業(yè)計(jì)算機(jī)使用因特爾i5系列主頻2.8 GHz處理器，8 GB 內(nèi)存，500 GB 硬盤(pán)，48.26 cm（19 in）顯示器。工業(yè)計(jì)算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理及人機(jī)交互任務(wù)。

PLC完成邏輯動(dòng)作控制及數(shù)據(jù)檢測(cè)功能，主要功能如下：

（1）完成試驗(yàn)動(dòng)作邏輯控制：根據(jù)所選擇的試驗(yàn)項(xiàng)目，按照設(shè)定的邏輯順序自動(dòng)閉合試驗(yàn)線路中的不同開(kāi)關(guān)。

（2）壓力控制：按試驗(yàn)規(guī)程要求自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)壓力的大小，具有反饋調(diào)節(jié)功能。

（3）檢測(cè)功能：自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)期間壓力變化，按程序設(shè)置要求自動(dòng)采集所需壓力，并將采集數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

（4）邏輯聯(lián)鎖保護(hù)：根據(jù)不同的試驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)，防止誤操作引起設(shè)備損壞及人員觸電。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)依靠PLC完成邏輯動(dòng)作控制，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)完成時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)打印等操作。設(shè)計(jì)軟件采用圖形化軟件平臺(tái)進(jìn)行編程，軟件界面具備試驗(yàn)操作功能和數(shù)據(jù)顯示功能。軟件操作主界面如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)軟件操作界面

軟件設(shè)計(jì)有4個(gè)不同等級(jí)（系統(tǒng)管理員、賬戶(hù)管理員、工程師和操作者）的用戶(hù)權(quán)限，以不同的權(quán)限登錄，可執(zhí)行的操作不同。

（1）系統(tǒng)管理員：具有最高的權(quán)限，可修改所有的內(nèi)容，包括試驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)置，主要用于試驗(yàn)設(shè)備調(diào)試。

（2）賬戶(hù)管理員：具有賬戶(hù)管理和試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置權(quán)限，主要用于管理賬戶(hù)。

（3）工程師：具有試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)定和試驗(yàn)操作權(quán)限，可修改試驗(yàn)工藝參數(shù)，但不能修改試驗(yàn)設(shè)備設(shè)定參數(shù)。

（4）操作員：只具有試驗(yàn)設(shè)備操作權(quán)限，必須按照設(shè)定的步驟及參數(shù)進(jìn)行操作，不允許進(jìn)行參數(shù)和硬件設(shè)置的修改。

試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)計(jì)算分析。試驗(yàn)報(bào)表可生成打印，可輸入被試品的編號(hào)、型號(hào)、參數(shù)等信息，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)可生成試驗(yàn)報(bào)表。另外，部分信息如時(shí)間信息等會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)時(shí)鐘自動(dòng)填入試驗(yàn)報(bào)表，同時(shí)可打印報(bào)表。考慮數(shù)據(jù)保存的安全性，報(bào)表可根據(jù)需求寫(xiě)入EXCEL文件。

試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行信息以及運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障可自動(dòng)在計(jì)算機(jī)中記錄，以方便設(shè)備維護(hù)和故障檢修。

本試驗(yàn)臺(tái)在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置聲光報(bào)警，試驗(yàn)時(shí)可警示操作人員注意安全。試驗(yàn)設(shè)備具有完善的邏輯動(dòng)作連鎖保護(hù)。試驗(yàn)臺(tái)有短路、過(guò)載等硬件保護(hù)功能，同時(shí)具有完善的軟硬件連鎖保護(hù)功能，可自動(dòng)完成因被試品缺陷而引起的過(guò)流、短路等故障保護(hù)。

3 總結(jié)

地鐵車(chē)輛的緊急故障排查響應(yīng)速度與中大型修程檢修質(zhì)量越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注。本文介紹的空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)具有高穩(wěn)定性、高精度兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠確保地鐵車(chē)輛空壓機(jī)系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而確保地鐵列車(chē)的行車(chē)安全，適用于地鐵車(chē)輛定期維護(hù)、緊急故障排查及中大型修程例行專(zhuān)項(xiàng)檢修等工作。該空壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

（1）在硬件系統(tǒng)方面，試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)GB/T 2611—2007《試驗(yàn)臺(tái)通用技術(shù)要求》，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化了試驗(yàn)臺(tái)的組裝原件和工序，實(shí)現(xiàn)了裝配的靈活性和可靠性。

（2）為試驗(yàn)系統(tǒng)增加了試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)計(jì)算分析，試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行信息以及運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障可自動(dòng)紀(jì)錄保存，方便設(shè)備維護(hù)和故障檢修。在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置了聲光報(bào)警，試驗(yàn)時(shí)可警示操作人員注意安全。

（3）試驗(yàn)臺(tái)根據(jù) GB 3853—1983《一般用容積式空氣壓縮機(jī)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，對(duì)空壓機(jī)電流、功率、總風(fēng)口溫度、排氣溫度、濕度、壓力、流量、空壓機(jī)模塊安全閥工作壓力、空壓機(jī)轉(zhuǎn)速等測(cè)控參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化提升。

（4）對(duì)空壓機(jī)的溫濕度、排氣量、排氣壓力、電機(jī)功率測(cè)驗(yàn)、泄露試驗(yàn)、電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量、氣密性、傳感器可靠性、功能測(cè)試界面、運(yùn)行噪聲、氣動(dòng)要求、軟件功能、外觀等測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行了第三方檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果符合要求。

本試驗(yàn)臺(tái)研制過(guò)程中充分調(diào)研了用戶(hù)需求及現(xiàn)有設(shè)備存在的問(wèn)題，采用模塊化設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)測(cè)控，在設(shè)備的安裝、維修的便利性，以及設(shè)備運(yùn)行的可靠性、檢測(cè)的準(zhǔn)確性、試驗(yàn)報(bào)告的輸出等方面均進(jìn)行了提升。本試驗(yàn)臺(tái)的研制很好地滿足了地鐵車(chē)輛空壓機(jī)性能等多維檢測(cè)的實(shí)際需要，為確保地鐵車(chē)輛空壓機(jī)品質(zhì)，保證行車(chē)安全提供了有力的保障。本試驗(yàn)臺(tái)已交付用戶(hù)使用并得到了認(rèn)可。

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