基于機(jī)車輔助壓縮機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)應(yīng)宗,胡建功,田得良,趙國(guó)慶

蘭州局集團(tuán)公司蘭州西機(jī)務(wù)段,甘肅 蘭州 730000

0 引言

在韶山型、和諧型及復(fù)興號(hào)電力機(jī)車高級(jí)修過(guò)程中,按照規(guī)程、工藝對(duì)升弓輔助壓縮機(jī)組完成檢修后,只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的空載試驗(yàn),缺乏對(duì)機(jī)組泵風(fēng)時(shí)間、泵風(fēng)速度、漏泄檢測(cè)等項(xiàng)目的試驗(yàn)檢查,無(wú)法保證檢修后輔助壓縮機(jī)組的整體性能達(dá)到機(jī)車的運(yùn)用的要求,只能依靠裝車后與機(jī)車同步進(jìn)行調(diào)試。不符合要求的輔助壓縮機(jī)需要拆解下車進(jìn)行二次維修,從而影響機(jī)車交驗(yàn)效率。因此,研制一種能夠在裝車前對(duì)機(jī)車輔助壓縮機(jī)組進(jìn)行全面試驗(yàn)的設(shè)備非常有必要。本文設(shè)計(jì)了一種專門用于輔助壓縮機(jī)組多種性能測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái),可以滿足機(jī)組的泵風(fēng)速率、排氣壓力、噪聲、振動(dòng)等性能進(jìn)行測(cè)試,確保維修后的壓縮機(jī)組符合裝車要求。

1 輔助壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

輔助壓縮機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)主要由2部分組成(見圖1):電路控制部分和風(fēng)路作用部分。試驗(yàn)臺(tái)整體為可移動(dòng)柜體,側(cè)面裝有手推桿,底部安裝2個(gè)萬(wàn)向活動(dòng)輪和2個(gè)定向活動(dòng)輪,方便移動(dòng)。

圖1 輔助壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)整體框圖

試驗(yàn)臺(tái)采用分層設(shè)計(jì),上層和下層有多種型號(hào)的壓縮機(jī)組安裝底座,可分別安裝3臺(tái)不同型號(hào)的輔助壓縮機(jī),可以滿足多種型號(hào)的輔助壓縮機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)。中層安裝有儲(chǔ)風(fēng)缸、排風(fēng)電磁閥、開關(guān)電源以及電路控制裝置,柜體上部斜面為操作面板,裝有電壓表、電流表、壓力表、聯(lián)動(dòng)計(jì)時(shí)器、緊急按鈕、電機(jī)1、電機(jī)2及排風(fēng)按鈕。柜體內(nèi)部還包括電源插座、連接導(dǎo)線和風(fēng)路所需風(fēng)管、接頭、單向閥、消音器等器件。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—柜體;2—操作面板;3—電壓表;4—壓縮機(jī)1;5—電流表;6—風(fēng)壓表;7—聯(lián)動(dòng)計(jì)時(shí)器;8—單向閥;9—緊急按鈕;10—消音帽;11—壓縮機(jī)2按鈕;12—壓縮機(jī)1按鈕;13—排風(fēng)按鈕;14—排風(fēng)電磁閥;15—儲(chǔ)風(fēng)缸;16—萬(wàn)向輪;17—輔助壓縮機(jī);18—第2單向閥;19—電源及控制電路。圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 氣路設(shè)計(jì)與工作過(guò)程

輔助壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣,經(jīng)出風(fēng)口連接的單向閥1或單向閥2,通過(guò)連接管路,到達(dá)儲(chǔ)風(fēng)缸,儲(chǔ)風(fēng)缸上連接風(fēng)壓表和排風(fēng)電磁閥(試驗(yàn)臺(tái)氣路圖見圖3)。操作面板上設(shè)置2個(gè)輔助壓縮機(jī)組啟停開關(guān),開關(guān)1和開關(guān)2分別控制上下層輔助壓縮機(jī)的啟停,操作面板上的聯(lián)動(dòng)計(jì)時(shí)器,在輔助壓縮機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)聯(lián)動(dòng)開始計(jì)時(shí),輔助壓縮機(jī)停止工作時(shí)自動(dòng)停止計(jì)時(shí)。風(fēng)壓表顯示儲(chǔ)風(fēng)缸風(fēng)壓實(shí)時(shí)值,電流表、電壓表顯示輔助壓縮機(jī)工作電壓、電流實(shí)時(shí)值。排風(fēng)按鈕開關(guān)控制排風(fēng)電磁閥的得失電,排風(fēng)電磁閥得電排風(fēng)通路關(guān)閉,排風(fēng)電磁閥失電排風(fēng)通路打開,排出儲(chǔ)風(fēng)缸壓力空氣。急停按鈕按下時(shí)切斷電機(jī)供電電源,運(yùn)行中的輔助壓縮機(jī)立即停機(jī),排風(fēng)電磁閥延時(shí)排出儲(chǔ)風(fēng)缸壓力空氣。

圖3 輔助壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)氣路圖

安裝好待試驗(yàn)的輔助壓縮機(jī)和相應(yīng)電纜風(fēng)管,連接好設(shè)備電源線,合上空氣開關(guān),電壓表顯示輔助壓縮機(jī)輸入電壓值110 V,設(shè)備即進(jìn)入準(zhǔn)工作狀態(tài),按下開關(guān)1或開關(guān)2,對(duì)應(yīng)待試驗(yàn)輔助壓縮機(jī)開始啟動(dòng),電流表數(shù)值為輔助壓縮機(jī)額定電流,風(fēng)壓表數(shù)值緩慢上升,聯(lián)動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí),待風(fēng)壓表數(shù)值上升至該試驗(yàn)輔助壓縮機(jī)要求風(fēng)壓值時(shí),按下開關(guān)1或開關(guān)2,輔助壓縮機(jī)停機(jī),計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí),此時(shí)對(duì)照各機(jī)組打風(fēng)時(shí)間表,判斷該輔助壓縮機(jī)打風(fēng)時(shí)間是否符合要求。

1.2 電源與控制電路設(shè)計(jì)

供電電源采用的MZMW S-5000-110開關(guān)電源,輸入AC 220 V,輸出DC 110 V,最大輸出電流45 A,為輔助壓縮機(jī)組電機(jī)供電,電源主要驅(qū)動(dòng)的是2臺(tái)直流電機(jī),M1是TZK1-50輔助壓縮機(jī)組電機(jī),M2是CA-10B/ZTP-22輔助壓縮機(jī)組電機(jī),通過(guò)對(duì)2臺(tái)電機(jī)繞組實(shí)際測(cè)量,得知2臺(tái)電機(jī)電樞回路電阻值,電機(jī)銘牌上其他參數(shù)如表1所示。

表1 輔助壓縮機(jī)機(jī)組電機(jī)參數(shù)

1.2.1 電機(jī)啟動(dòng)電流的計(jì)算

根據(jù)直流電機(jī)的啟動(dòng)電流計(jì)算公式,計(jì)算出M1和M2的啟動(dòng)電流。

Its1=(Un-Ea)/Ra=(110-0)/2.91≈37.8 A

Its2=(Un-Ea)/Ra=(110-0)/1.704≈64.5 A

式中:Its為啟動(dòng)電流;Un為額定電壓;Ea為反電動(dòng)勢(shì);Ra為電樞回路電阻。M2電機(jī)的啟動(dòng)電流達(dá)到64.5A,不能直接啟動(dòng),因此必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗茊?dòng)電流,在這里采用限流電阻分級(jí)啟動(dòng)的方法。

1.2.2 限流電阻的計(jì)算

為了在啟動(dòng)過(guò)程中始終保持足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,一般將啟動(dòng)器設(shè)計(jì)為多級(jí),隨著轉(zhuǎn)速n的增大,串在電樞回路的啟動(dòng)電阻Rst逐級(jí)切除,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后全部切除[1]。同時(shí)在切換起動(dòng)電阻時(shí),又要有一定的加速轉(zhuǎn)矩,這就要確定最小切換電流Iast[2],本文取額定電流le的1.5倍。

Rst=(Un/1.5le)-Ra=110/(1.5×13)-1.704≈3.93 Ω

式中:Rst為電樞回路的啟動(dòng)電阻;Un為額定電壓;le為額定電流;Ra為電樞回路電阻。通過(guò)計(jì)算得出,串在電樞回路的啟動(dòng)電阻應(yīng)為3.93 Ω,取4 Ω分2級(jí)啟動(dòng),每級(jí)電阻2 Ω。

1.2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西門子S7-200是在工業(yè)生產(chǎn)中較為常用的PLC控制器,由西門子公司開發(fā)。其能夠滿足較為復(fù)雜的控制要求,操作方便,簡(jiǎn)單易用,指令集豐富[3],本項(xiàng)目選用CPU型號(hào)222作為系統(tǒng)控制器。采用西門子S7-200PLC專用編程軟件STEP7-Micro/WIN- SP9進(jìn)行程序編程,系統(tǒng)的輸入、輸出地址分配表如表2所示。

表2 系統(tǒng)I/O分配表

2 控制電路的工作過(guò)程

控制電路主要由西門子s7-200PLC CPU222可編程邏輯控制器、4臺(tái)ABB AF09-30-10-13接觸器、西門子3RH2122-2KF40接觸器式繼電器、200 W 2 Ω黃金鋁殼電阻(控制電路部件圖見圖4)、按鈕開關(guān)、計(jì)時(shí)器、電壓表,電流表以及端子排組成。圖5為控制電路原理圖。

圖4 控制電路部件

圖5 控制電路原理圖

2.1 M1電機(jī)啟動(dòng)與停止

當(dāng)按下自鎖按鈕SB1時(shí),PLC的I0.0輸入24 V,Q0.0輸出高電位(110 V),KM1接觸器線圈得電,KM1接觸器吸合主觸點(diǎn)KM1-1、KM1-2接通,M1電機(jī)工作,壓縮機(jī)進(jìn)行打風(fēng)試驗(yàn),同時(shí)聯(lián)動(dòng)計(jì)時(shí)器H開始計(jì)時(shí)。再次按下SB1時(shí)I0.0輸入斷開,Q0.0輸出低電位,KM1線圈失電,主觸點(diǎn)斷開,M1電機(jī)停轉(zhuǎn),計(jì)時(shí)停止。

2.2 M2電機(jī)啟動(dòng)與停止

當(dāng)按下自鎖按鈕SB2時(shí),I0.1輸入24 V,Q0.1輸出高電位,KM2接觸器線圈得電,KM2接觸器吸合主觸點(diǎn)KM2-1、KM2-2接通,110 V電源一路供給M2電機(jī)的勵(lì)磁繞組E1-E2;另一路通過(guò)啟動(dòng)電阻R1、R2進(jìn)入電樞繞組回路D1-B1,M2電機(jī)限流啟動(dòng),同時(shí)聯(lián)動(dòng)計(jì)時(shí)H器開始計(jì)時(shí),2 s后PLC的Q0.2輸出高電位,KM3接觸器線圈得電主觸點(diǎn)KM3-1吸合,R1電阻被短接,5 s后PLC的Q0.3輸出高電位,KM4接觸器線圈得電主觸點(diǎn)KM4-1吸合,R2電阻被短接,限流電阻被切除,電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行。再次按下SB2時(shí)I0.1輸入斷開,Q0.1輸出低電位,KM2線圈失電,主觸點(diǎn)斷開,M1電機(jī)停轉(zhuǎn),聯(lián)動(dòng)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí),同時(shí)PLC的Q0.2、Q0.3輸出低電位,使KM3、KM4線圈失電,主觸點(diǎn)釋放,限流電阻加入電路,為下一次啟動(dòng)做準(zhǔn)備。

2.3 排風(fēng)電磁閥的工作過(guò)程

當(dāng)控制系統(tǒng)上電時(shí),PLC內(nèi)部直接將Q0.4置位為高電位,繼電器J線圈得電吸合,常開觸點(diǎn)J1閉合,排風(fēng)電磁閥得電,關(guān)閉儲(chǔ)風(fēng)缸排風(fēng)口。當(dāng)試驗(yàn)完畢需要排風(fēng)時(shí),按下自復(fù)位按鈕SB4,I0.4輸入24 V,PLC內(nèi)部的SR觸發(fā)器將Q0.4置位為低電位,繼電器線圈失電,J1觸點(diǎn)斷開,排風(fēng)電磁閥Y斷電釋放,儲(chǔ)風(fēng)缸壓力空氣排空。

2.4 急停按鈕的作用

當(dāng)按下急停按鈕SB3時(shí),Q0.1或Q0.2輸出低電位,KM1或KM2接觸器線圈失電,主觸點(diǎn)釋放,M1或M2電機(jī)供電斷開電機(jī)停轉(zhuǎn),同時(shí)PLC內(nèi)部的SR觸發(fā)器將Q0.4置位為低電平,繼電器線圈失電,J1觸點(diǎn)斷開,排風(fēng)電磁閥Y斷電釋放,儲(chǔ)風(fēng)缸壓力空氣排空。

3 輔助壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程

輔助壓縮機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)的安裝支架可以安裝CA-10B型、TZK1-50型、DURRD100型等多種型號(hào)的輔助壓縮機(jī)組(見圖6),通過(guò)對(duì)電機(jī)接線的轉(zhuǎn)換可以試驗(yàn)不同的壓縮機(jī)組,這樣1個(gè)試驗(yàn)臺(tái)就滿足了多種型號(hào)輔助壓縮機(jī)功能試驗(yàn)。

圖6 輔助壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

需要說(shuō)明是,由于PLC的控制,2個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)按鈕是互鎖的,即每次只能試驗(yàn)1臺(tái)輔助壓縮機(jī)。輔助壓縮機(jī)組試驗(yàn)裝置外接AC 220 V電源,通過(guò)開關(guān)電源和控制裝置給需要試驗(yàn)的壓縮機(jī)組提供穩(wěn)定的DC 110 V電源,接好線纜和風(fēng)管,按下相應(yīng)試驗(yàn)開關(guān),壓縮機(jī)開始打風(fēng),觀察風(fēng)壓表達(dá)到要求壓力后,關(guān)閉試驗(yàn)按鈕停止計(jì)時(shí),即可測(cè)得機(jī)組泵風(fēng)時(shí)間及泵風(fēng)量,換算輔助壓縮機(jī)的泵風(fēng)速率,同時(shí)可以在壓縮機(jī)工作時(shí)判斷機(jī)組軸承、葉輪等部件有無(wú)異響,機(jī)組運(yùn)行時(shí)有無(wú)異常震動(dòng),各接合面有無(wú)壓縮空氣漏泄。記錄各項(xiàng)數(shù)值后,按下排風(fēng)按鈕,排空儲(chǔ)風(fēng)缸壓縮空氣,機(jī)組試驗(yàn)結(jié)束,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程方便快捷。如果試驗(yàn)中途發(fā)生任何緊急情況,可迅速按下急停按鈕,切斷電機(jī)試供電電源,同時(shí)儲(chǔ)風(fēng)缸壓力空氣排空。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車輔助壓縮機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)投入使用以來(lái),能夠確保輔助壓縮機(jī)裝車后的泵風(fēng)性能,避免不符合要求的輔助壓縮機(jī)組裝車后,造成機(jī)車檢修重復(fù)作業(yè),同時(shí)也提高了交車效率。該試驗(yàn)臺(tái)的研制,填補(bǔ)了蘭州西機(jī)務(wù)段一直以來(lái)沒有輔助壓縮機(jī)組單獨(dú)全面性能試驗(yàn)的空白,有效提升了機(jī)車檢修能力,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。