列車清洗機水處理系統(tǒng)提升泵保護裝置的研制及其意義

金 寧

（蘭州市軌道交通有限公司運營分公司，甘肅 蘭州 730000）

1 研制背景

列車清洗機是用于地鐵電動客車的車體側(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)、空壓機系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、藥液系統(tǒng)、熱風幕系統(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)過排水槽進入集水池，然后通過提升泵的提升進入反應(yīng)池，通過物理沉淀作用除去較大的顆粒性物質(zhì)，最后進入光催化設(shè)備完成化學除菌除臭。水處理系統(tǒng)對洗車廢水經(jīng)過上述的物理沉淀作用以及化學除菌除臭反應(yīng)后，可以重新用于電動客車車體外表面的清洗，其回收利用率可以達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。提升泵的啟動和停止采用PLC自動控制模式，在集水池內(nèi)設(shè)置有高低點位浮球液位開關(guān)，分別用于監(jiān)測集水池內(nèi)洗車廢水的高水位和低水位。當集水池的水位到達高水位時，浮球液位開關(guān)將高水位信號傳送至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；當集水池的水位降低至低水位時，浮球液位開關(guān)將低水位信號傳送到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，提升泵的啟停動作無需人工操作，抽水效率高，水泵震動小，噪音低，運轉(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]。啟動運轉(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，會造成提升泵進水管單向閥密封不良，導(dǎo)致提升泵內(nèi)自來水通過進水管滲漏至集水池，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[3]，機械密封和電機轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)過程中兩者之間缺少自來水的潤滑降溫，進而造成機械密封出現(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點和D點是浮球液位開關(guān)在集水池內(nèi)的高水位點和低水位點。當集水池內(nèi)的水位在高水位C點以上時，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點和低水位D點之間時，WP1提升泵不工作。集水池的浮球液位開關(guān)只能檢測集水池中的水位，控制提升泵運行，但是不能檢測提升泵泵體內(nèi)是否有自來水，不能充分保護提升泵。

圖2說明：PLC原理圖中，H_011點是集水池高水位點（常開點），H_010點是集水池低水位點（常閉點），H_019是反應(yīng)池高水位點（常閉點），M_Mannul是洗車手動選擇旋鈕（常閉點），以上點位均為PLC中輸入點位。Q_Bump_Collect點是PLC程序中控制提升泵啟停的輸出點。當集水池內(nèi)水位在高水位點之上時，H_011集水池高水位常開點變?yōu)殚]合，其余點位均為常閉點，PLC程序中提升泵點位有輸出信號，提升泵開始啟動運轉(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，啟動前先在提升泵泵體內(nèi)灌滿自來水[5]。啟動后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時泵體內(nèi)形成真空，使進水逆止閥門打開，吸入管內(nèi)的空氣進入泵體內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達外緣。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，使進水管中的自來水進入泵體內(nèi)，完成自吸過程。機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，也不會讓外面的空氣進入到泵體內(nèi)部，保證提升泵可以正常啟動運轉(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]。其采用磁力運作，無機械連接件，運作簡單可靠。當自來水水位發(fā)生變化時，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，浮球內(nèi)部的磁鐵觸發(fā)高水位磁簧開關(guān)的常開觸點變?yōu)殚]合狀態(tài)，PLC程序自動控制提升泵的啟動運轉(zhuǎn)；浮球下降到低水位時，浮球內(nèi)部的磁鐵觸發(fā)低水位磁簧開關(guān)的常閉觸點變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，PLC程序自動控制提升泵的停止。

根據(jù)提升泵和浮球液位開關(guān)的結(jié)構(gòu)、原理及特點，現(xiàn)考慮在集水池出水管至提升泵之間增加一保護裝置，保護裝置包括補水裝置及浮球液位開關(guān)。在補水裝置上方開2個孔，其中一個孔是手動注水口，用于給提升泵加注自來水，另一個孔是浮球液位開關(guān)的安裝孔。補水裝置與提升泵之間采用法蘭盤連接。補水裝置內(nèi)設(shè)一常開型浮球液位開關(guān)，其只有一個水位監(jiān)測點。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)的常開觸點寫入洗車機PLC程序。當浮球液位開關(guān)的浮球不在高水位時，浮球沒有觸發(fā)磁簧開關(guān)，此時浮球液位開關(guān)的高水位磁簧開關(guān)為常開狀態(tài)，PLC程序中的常開觸點沒有閉合，提升泵不能運轉(zhuǎn)；當浮球液位開關(guān)的浮球在高水位時，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程序中的常開觸點變?yōu)殚]合，控制提升泵啟動運行。

圖3是增加保護裝置的提升泵原理圖，圖4是增加保護裝置后的PLC程序原理圖。

圖3 增加保護裝置的提升泵原理圖

圖4 增加保護裝置的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點和D點是浮球液位開關(guān)在集水池內(nèi)的高水位點和低水位點，HP是提升泵的補水裝置，F(xiàn)Q2是補水裝置內(nèi)浮球液位開關(guān)。a點是補水裝置浮球液位開關(guān)的高水位點（與提升泵最高水位點持平或略高。此浮球液位開關(guān)只有一個磁簧開關(guān)，其為常開型，即高水位a點為常開觸點。將a點常開觸點寫入PLC程序原理圖，當提升泵泵體內(nèi)的水位低于a點時，浮球內(nèi)的磁鐵不會觸發(fā)磁簧開關(guān)，磁簧開關(guān)始終為常開狀態(tài)，PLC程序中的常開觸點沒有閉合，提升泵不會運轉(zhuǎn)；當提升泵泵體內(nèi)的水位等于或高于a點時，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程序中的常開觸點變?yōu)殚]合，自動控制提升泵啟動運轉(zhuǎn)。

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

增加補水裝置和浮球液位開關(guān)，同時在PLC梯形圖程序中增加補水裝置內(nèi)的浮球液位開關(guān)常開觸點，通過浮球液位開關(guān)監(jiān)測提升泵補水裝置內(nèi)的水位，PLC程序自動控制提升泵的啟停動作，充分保護提升泵在啟動運轉(zhuǎn)時，泵體內(nèi)有足夠的自來水給機械密封潤滑降溫，進而保護機械密封不會出現(xiàn)干磨現(xiàn)象而損壞。

4 研制方案的比較

針對水處理系統(tǒng)提升泵機械密封的磨損，可以考慮2種方案的實施。

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

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水裝置及浮球液位開關(guān)，在PLC程序原理圖中增加補水裝置浮球液位開關(guān)高水位常開輸入點位，保證補水裝置浮球液位開關(guān)的浮球在高水位以下時，提升泵停止運轉(zhuǎn)；浮球液位開關(guān)在高水位時，PLC程序自動控制提升泵啟動運行。消除提升泵空轉(zhuǎn)的風險，保護機械密封不會因缺少自來水的潤滑降溫，造成異常磨損而損壞。此種方案可以預(yù)防并保護機械密封的磨損，易于安裝，后期檢修維護方便。研制成本僅包括補水裝置、浮球液位開關(guān)、部分PVC管路、法蘭盤等部件，可以用小成本實現(xiàn)大效益。間接提高水處理利用率，性價比極高。

5 研制方案的選擇

通過上述2種方案的比較，方案一安裝機械密封監(jiān)測器，以監(jiān)測機械密封的磨損為主，不能消除機械密封的磨損，實用性不強，并且提升泵空間較小，不宜安裝監(jiān)測器；方案二安裝提升泵保護裝置，以預(yù)防和保護機械密封的磨損為主，易于安裝，方便檢修人員對設(shè)備的維護，并且研制成本較低，方案的可實施性強，性價比高，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)測提升泵補水裝置的水位，預(yù)防和保護機械密封的異常磨損，保證水處理系統(tǒng)的正常使用。

6 研制方案的意義

列車清洗機水處理系統(tǒng)提升泵通過加裝補水裝置及浮球液位開關(guān)保護裝置，能夠有效預(yù)防和保護提升泵機械密封的異常磨損，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的便捷性。列車清洗機水處理系統(tǒng)提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關(guān)保護裝置后，可保證提升泵不會因空轉(zhuǎn)而對機械密封造成干磨損壞。日常維護僅需要對浮球液位開關(guān)進行定期檢查，即使浮球液位開關(guān)出現(xiàn)故障，PLC程序也會通過梯形圖邏輯關(guān)系判斷補水裝置水位位置，使設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運行，提高設(shè)備耐用性、可靠性及延長使用壽命。

（2）減少備件消耗，降低直接成本。設(shè)備狀態(tài)不穩(wěn)定會導(dǎo)致故障率的上升。水處理系統(tǒng)提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關(guān)保護裝置后，可有效保護提升泵不會因為缺水而空轉(zhuǎn)，機械密封不會因缺水而沒有潤滑降溫，造成干磨而損壞，可切實降低故障率。根據(jù)軌道交通行業(yè)列車清洗機的使用頻率及備件消耗，每臺提升泵每年需要消耗更換3個機械密封。車輛段和停車場各有1臺列車清洗機，每臺列車清洗機有2臺提升泵，則總計4臺提升泵，配套有4個機械密封，則每年因機械密封的磨損，提升泵共需要更換12個機械密封。根據(jù)機械密封的市場采購價，一個機械密封約300元。每年只是更換機械密封就要多花費300元×12個=3 600元。通過增加提升泵保護裝置，減少機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)提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關(guān)保護裝置后，不僅會降低直接成本，即備件自身的采購成本。也會降低間接成本，包括備件更換的時間成本及人力成本，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)列車清洗機的使用頻率，車輛段和停車場每天共清洗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）。假若因機械密封磨損故障，導(dǎo)致水處理系統(tǒng)不能使用，而機械密封采購未到位，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)濟效益及時間效益來說，都是意義重大。

7 結(jié)束語

列車清洗機水處理系統(tǒng)提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關(guān)保護裝置，采用PLC程序自動控制，監(jiān)測提升泵補水裝置內(nèi)部的水位，保證補水裝置內(nèi)水位處于高水位時，提升泵才可正常工作。當補水裝置的水位不在高水位時，提升泵會自動停止工作，保證提升泵內(nèi)機械密封不會因缺水而沒有潤滑降溫，造成干磨損壞。此保護裝置產(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，不僅減少機械密封備件更換的概率，縮減故障處理時間，降低機械密封備件更換的時間成本和采購成本，以及人力成本；間接成本方面，因具有提升泵水位監(jiān)測功能，切實降低提升泵機械密封的故障率，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。