地鐵列車外皮清洗機空氣控制系統的問題分析與改進

蘇博智 陳伊濤 陳國亮 陳國棟

摘? 要：地鐵列車外皮清洗機是地鐵車輛段主要設備之一，其空氣控制系統隨著使用年限增長，加上空氣控制元件長期工作在潮濕環境，對空氣管路元件造成了腐蝕，增加了漏氣點，空氣壓縮機部分會頻繁啟停，嚴重影響設備正常使用。鑒于此，對列車外皮清洗機空氣控制系統進行檢查與分析，確認了原有空氣控制系統存在設計布局不合理，進而造成空氣控制系統元件加速腐蝕的問題。針對該問題，對列車外皮清洗機空氣控制系統進行了改造，并對改造后的空氣控制系統進行模擬洗車試驗，確認了通過對列車外皮清洗機空氣控制系統的改造解決了存在的問題。

關鍵詞：地鐵;列車外皮清洗機;空氣控制系統;腐蝕;改造

1? ? 研究背景

當前，我國城市交通擁堵問題是市民非常關注的話題，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有很大的發展前景。

目前，國內各大城市都在加速修建地鐵，城市地鐵線路不斷增多，已逐步形成網格化。地鐵由于其干凈的外表、舒適的內部環境，加上快速準點以及安全運行的特點，正在潛移默化地改變著市民的出行方式，同時地鐵也悄悄地成為了一個城市的新名片。

地鐵干凈的外表、舒適的內部環境，當然離不開清潔工的辛勤勞動。但隨著城市地鐵線路不斷增長，地鐵列車數量也在不斷增加，單靠人工清洗列車外表面已無法滿足實際需求。因此，地鐵列車外皮清洗機（簡稱“洗車機”）應運而生，它是為地鐵列車外表面提供清洗服務的專用設備。洗車機的出現，在很大程度上提高了地鐵列車外表面清洗效率和清潔度，而且還節約了洗車用水及人力成本。

北方地區的洗車機一般會單獨設置在一個洗車庫內，洗車庫兩端裝有庫大門，在洗車時需人工打開兩端庫大門，洗車結束后再人工關閉兩端庫大門。這樣洗車機的洗車區域就會形成一個封閉空間，每次洗完車的水不能及時蒸發掉，就會造成洗車庫內常年潮濕。洗車機原氣路控制系統設計是分布式的，氣動元件安裝在洗車區域每個立柱內，隨著洗車機使用年限延長，氣動控制元件很容易腐蝕損壞。這種設計在洗車機這樣的運行環境下是非常不合理的，目前氣路控制系統的氣管路及氣動執行元件已經嚴重腐蝕，在洗車過程中經常出現故障，從而影響地鐵列車清洗，進而影響城市名片的展示效果。可見，洗車機作為地鐵車輛段的重要設備之一，其穩定運行至關重要。

根據對國內幾大洗車機生產廠家的調研，其氣路控制系統都是分布式控制設計，所以也都存在氣管路及氣路執行元件腐蝕問題，而且沒有很好的解決方案。就目前洗車機的使用情況分析，其60%的故障都是氣路故障。因此，設計改造人員開拓思路，多方咨詢，精心畫圖設計，并多次討論，大膽實施，最終“一種新型地鐵車輛段列車外皮清洗機空氣集中控制裝置”成功問世，并替換了使用十年之久的列車外皮清洗機空氣控制系統，改進后洗車機運行很穩定，保證了地鐵列車外表面清洗，再也不用擔心地鐵列車外表清洗不干凈，會影響城市名片展示效果的問題。

2? ? 地鐵列車外皮清洗機空氣控制系統問題分析

2.1? ? 原因分析

地鐵列車外皮清洗機工作方式有兩種，一種是自動有端洗模式，另一種是自動無端洗模式。列車外皮清洗機設計有5對立刷、2對側弧刷和1對端刷，共計8對刷組，每對刷組的擺出與退回是通過安裝在刷組上部的氣動馬達（型號為BM-160）驅動刷軸來控制，而氣動馬達是靠空氣壓縮機產出的高壓空氣經過空氣控制系統來動作。空氣控制系統是通過操作室上位控制系統控制，它采用德國西門子S7系列可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），中央處理器為CPU315[1-4]?？諝饪刂葡到y包含空氣壓縮機、氣動三聯件、儲氣罐、氣管路、兩位五通氣動電磁換向閥等元件，其中氣管路、氣動三聯件（含氣壓顯示表）及兩位五通氣動電磁換向閥分別布置在列車外皮清洗區的每對刷組方柱內。列車外皮清洗機在洗車時需要經常噴水，導致該區域空氣濕度較大，可達60%～80%，再加上洗車時用的中性清洗劑有一定腐蝕性，于是該區域的空氣控制系統元件長期工作在潮濕環境，很容易腐蝕，這樣不但會增加空氣管道的漏氣點，而且維修也非常不便，有時只能通過更換氣路控制元件來臨時解決漏氣故障。漏氣點增多不但會造成空氣壓縮機供氣損失，浪費資源，而且還會使空氣壓縮機啟停頻繁，縮短空氣壓縮機使用壽命，從而影響列車外皮清洗機正常使用。

2.2? ? 工作原理

列車外皮清洗機空氣控制系統原理圖如圖1所示[5-7]。列車外皮清洗機刷軸的擺出與收回，采用圓形擺動氣缸驅動方式實現，而擺動氣缸所需的高壓氣體是通過單螺桿空氣壓縮機生產出來的。單螺桿空氣壓縮機生產出來的高壓氣體首先輸送至高壓空氣儲氣罐進行儲存，接著經過手動截止閥、氣動三聯件及DN15鐵管，分別輸送到8對刷組方柱旁及各水泵噴出水管處（其目的是冬季洗車時將各水泵出水管里水吹干），然后通過？準8高壓塑料氣管連接手動滑閥和DN15鐵管。生產出來的高壓氣體通過方柱內氣動三聯件及二位五通電磁閥，最后到達擺動氣缸兩個氣口。其工作原理是單螺桿空氣壓縮機生產出來的高壓氣體，經氣動元件和輸氣管路輸送至二位五通電磁換向閥處，這時如果PLC將工作指令發送給現場控制刷組動作的二位五通電磁閥，則二位五通電磁閥的閥芯會在閥體內左右移動從而改變高壓氣體流向，進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空氣控制系統屬于分散布局，而這種布局對工作于潮濕環境的列車外皮清洗機非常不合理，因為大部分氣動元件長期工作在相對潮濕的洗車區域，這樣不但會加速氣動元件腐蝕，還會造成漏氣點增多，而且故障維修及保養也非常不便，如圖2所示。所以，需要對列車外皮清洗機空氣控制系統現場布局進行優化改造。

2.3? ? 電氣控制原理

地鐵列車外皮清洗機空氣控制系統電氣控制原理如圖3所示。操作人員先選擇列車外皮清洗機洗車模式，是自動帶端洗模式還是自動無端洗模式。洗車模式選好后，根據洗車模式對列車外皮清洗機端刷手動執行“解鎖”或“鎖住”操作。選好洗車模式后，操作人員將下達洗車準備命令，這時上位控制系統——西門子S7-300 PLC的CPU接到洗車命令，內部程序開始循環工作。如圖3所示，以1號立刷組為例，刷組的推出過程如下：首先，PLC內部中間繼電器M46.4（正向洗車刷組推出條件）得電吸合;接著，每對刷組通過PLC內部時間繼電器T96（正向刷推出延時）控制，依次延時2 s推出;然后，PLC輸出點Q8.1得電置位輸出，這時接在點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常開觸點閉合，使二位五通電磁閥DT3得電動作，從而控制刷組擺出。刷組的退回：當列車完成清洗后，PLC內部中間繼電器M45.1得電，Q8.1復位失電，這時接在點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上的常開觸點復位，使二位五通電磁閥DT3失電，從而控制刷組退回。

綜上所述，列車外皮清洗機空氣控制系統電氣控制原理存在設計上的不合理，主要是列車在正向清洗完成后，刷組旋轉和水管噴水同時停止工作，這樣就會使殘留在刷組刷毛上的洗車用水流到設備上，進而腐蝕設備。

3? ? 改造優化

針對上述列車外皮清洗機在實際使用中存在的問題，一是空氣控制系統原理中分析到的氣動元件長期工作在洗車區域潮濕易腐蝕環境的問題，可將列車外皮清洗機洗車區域內的氣動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，同時將原有的輸氣管道由鐵管改造成？準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同時停止工作，使刷毛殘留洗車用水順著刷毛流到設備上進而腐蝕設備的問題，可將列車外皮清洗機電氣控制系統中控制刷組停止旋轉的PLC程序M45.1（列車正向自動洗車結束）加1 min延時，如圖4所示，在列車清洗完成后，水管停水，刷組刷毛旋轉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? ? 實際應用

自從列車外皮清洗機氣路控制系統改造優化并成功投入實際生產應用后，不但徹底解決了列車外皮清洗機洗車區域內氣動元件腐蝕問題，而且還解決了每次洗完列車后刷組刷毛殘留洗車用水順刷毛流到設備本體，造成設備本體腐蝕的問題，這就延長了設備使用期限，降低了設備故障發生率，保證了設備穩定運行。

5? ? 結語

本文對列車外皮清洗機空氣系統在使用過程中發現的問題從兩方面進行了分析，可以看出，原有氣路系統布局及電氣控制原理不合理，這也加快了空氣系統元件及設備本體的腐蝕速度，導致列車外皮清洗機使用時故障較多，設備運行不穩定，而且不方便設備維修人員對設備進行維修保養及故障排查。

通過列車外皮清洗機氣路系統整體改造，實現了點對點控制，其中對空氣控制系統氣動元件進行集中布置，這樣不但提升了故障處理效率，而且還省去了南北兩側主氣路鐵管的使用（鐵管極易受潮腐蝕），用？準8高壓防腐塑料氣管替代，這樣既延緩了擺動馬達動作速度，使擺動氣缸工作較為平緩，又減輕了擺動馬達對機械止檔的瞬間沖擊力，能防止機械止檔意外損壞。氣路系統成功投入實際生產應用，不但減少了氣路節點，降低了漏氣點的檢查次數，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工作的穩定性和洗車效率。

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收稿日期：2020-07-01

作者簡介：蘇博智（1986—），男，甘肅平涼人，工程師，主要從事地鐵相關設備技術管理工作。