地鐵車輛高穩(wěn)定性高精度空氣壓縮機試驗臺研制

趙 華 劉志遠(yuǎn) 石 晶

（杭州中車車輛有限公司，330013，杭州∥第一作者，高級工程師）

0 前言

地鐵屬于大運量的公共交通運輸系統(tǒng)，保障安全是地鐵運營的首要任務(wù)。隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，地鐵車輛檢修設(shè)備的需求量也在快速增長。地鐵車輛制動系統(tǒng)是地鐵車輛的重要組成部分，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到地鐵列車的運行安全及行車品質(zhì)。空氣壓縮機（以下簡稱“空壓機”）是風(fēng)源系統(tǒng)主要設(shè)備，為地鐵車輛制動提供壓縮空氣，其性能的檢測一直是行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員聚焦的熱點。近年來，隨著智能儀表、微機測控技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，空壓機性能檢測技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。這些新技術(shù)的發(fā)展使測量的穩(wěn)定性、精度以及測試的自動化程度得到顯著的提高。

國外在這個領(lǐng)域的研究比較深入，而且也取得了一些成績。例如：丹麥B&K公司生產(chǎn)的空壓機性能監(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 Bently Nevada公司，針對往復(fù)活塞式空壓機的性能檢測設(shè)計出了一系列可用于實際操作的模塊化產(chǎn)品，為其檢測系統(tǒng)的構(gòu)建提供了完美的方案。這標(biāo)志著關(guān)于往復(fù)活塞式空壓機性能檢測的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到了一個新的水平［2］。另外，針對往復(fù)活塞式空壓機的性能檢測，Operator Companies和Kotter Consulting Engineers合作開發(fā)的空壓機離線性能檢測系統(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，軟件系統(tǒng)采用的則是MSWindows-NT，這個系統(tǒng)比較容易建模而且功能也比較強大［3］。

國內(nèi)對空壓機性能檢測研究起步比較晚，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檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法［4］；西安交通大學(xué)壓縮機研究所以PLC的模擬輸入模塊和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)為數(shù)據(jù)采集單元,以組態(tài)軟件為測控軟件平臺的測控模式,構(gòu)建了壓縮機的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理的測控體系［5］；西安交通大學(xué)流體機械及壓縮機國家工程研究中心結(jié)合現(xiàn)代測試技術(shù)，使用VC軟件開發(fā)了基于PC機的空壓機性能測試系統(tǒng)［6］。經(jīng)專利檢索，中國專利公開了一種空壓機試驗臺（授權(quán)公告號：CN205349684U），其包括用于檢測空壓機的排氣溫度的溫度傳感器、多級顯示電路、溫度傳感器等。但實際運行中存在部分參數(shù)檢測準(zhǔn)確性較差等問題［7］。

本空壓機試驗臺研制的主要目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的空壓機試驗臺組裝較為復(fù)雜、裝配配件較為繁瑣、檢測參數(shù)的精確度較差、在風(fēng)源壓力較高時氣流泄露造成試驗的參數(shù)不準(zhǔn)確、相關(guān)試驗數(shù)據(jù)無法實時監(jiān)測、試驗結(jié)果不能自動保存或有選擇性保存等技術(shù)問題。

1 空壓機試驗臺總體設(shè)計

本試驗臺采用模塊化設(shè)計理念。試驗臺的組裝較為簡單，采用電氣部件與測試管路分開布局的方式，便于維修的同時盡量減小測試過程中的電磁干擾。在氣路管路的設(shè)計上，采用地鐵車輛常用的管路連接方式。在正常的測試壓力范圍內(nèi)，試驗臺氣密性高，檢測的各個參數(shù)的精確性好；在設(shè)備上設(shè)置相關(guān)零部件標(biāo)識及警惕標(biāo)識，以便于維護(hù)和保養(yǎng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、安全可靠、操作直觀簡便。

設(shè)備采用計算機自動控制。試驗時，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)可以實時在電腦屏幕上顯示，試驗結(jié)果可以自動保存或有選擇性地保存，可自動生成試驗報告單，并進(jìn)行打印；有可靠的接地、漏電、過載保護(hù)系統(tǒng)；有可靠的安全防護(hù)、報警、保險措施，以防止誤操作或意外事故致使機器受損或人身傷亡；零件、儀表、面板指示、結(jié)果報告及全部圖紙資料的計量單位全部采用國際單位（SI）；所有儀表、零部件的設(shè)計、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)，可對空壓機進(jìn)行全面、精確的性能檢測。

2 空壓機試驗臺組成及功能

圖1 空壓機試驗臺實物圖

如圖1所示，空壓機試驗臺采用分離式設(shè)計，由操作主臺和執(zhí)行工作輔臺組成。測控系統(tǒng)由氣路處理部分和計算機測控部分組成，氣路處理部分實現(xiàn)空氣壓縮機輸出壓力調(diào)節(jié)，過程量（溫度、濕度、壓力、流量）等測量功能的實現(xiàn)；試驗臺計算機測控部分主要完成氣路控制、電源控制，同步完成試驗數(shù)據(jù)自動采集。

2.1 機械結(jié)構(gòu)

試驗臺的操作主臺和執(zhí)行工作輔臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2、圖3。

圖2 試驗臺主臺機械結(jié)構(gòu)

圖3 試驗臺輔臺機械結(jié)構(gòu)

2.2 氣路部分

氣路部分（見圖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、測量容積流量和檢測排氣壓力、溫度等。

圖4 試驗臺氣路部分示意圖

2.3 計算機測控

試驗測控系統(tǒng)使用工業(yè)計算機加測控PLC配合完成。計算機作為人機操作接口，實時顯示試驗數(shù)據(jù)。工業(yè)計算機使用因特爾i5系列主頻2.8 GHz處理器，8 GB 內(nèi)存，500 GB 硬盤，48.26 cm（19 in）顯示器。工業(yè)計算機主要完成數(shù)據(jù)處理及人機交互任務(wù)。

PLC完成邏輯動作控制及數(shù)據(jù)檢測功能，主要功能如下：

（1）完成試驗動作邏輯控制：根據(jù)所選擇的試驗項目，按照設(shè)定的邏輯順序自動閉合試驗線路中的不同開關(guān)。

（2）壓力控制：按試驗規(guī)程要求自動調(diào)節(jié)試驗壓力的大小，具有反饋調(diào)節(jié)功能。

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

（4）邏輯聯(lián)鎖保護(hù)：根據(jù)不同的試驗項目，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

試驗臺軟件設(shè)計依靠PLC完成邏輯動作控制，計算機實時顯示試驗數(shù)據(jù)。在試驗完成時可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)打印等操作。設(shè)計軟件采用圖形化軟件平臺進(jìn)行編程，軟件界面具備試驗操作功能和數(shù)據(jù)顯示功能。軟件操作主界面如圖5所示。

圖5 試驗臺軟件操作界面

軟件設(shè)計有4個不同等級（系統(tǒng)管理員、賬戶管理員、工程師和操作者）的用戶權(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，包括試驗系統(tǒng)硬件設(shè)置，主要用于試驗設(shè)備調(diào)試。

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

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

（4）操作員：只具有試驗設(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。

試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括試驗過程中的實時數(shù)據(jù)計算與試驗結(jié)束后數(shù)據(jù)計算分析。試驗報表可生成打印，可輸入被試品的編號、型號、參數(shù)等信息，在試驗結(jié)束時可生成試驗報表。另外，部分信息如時間信息等會根據(jù)計算機時鐘自動填入試驗報表，同時可打印報表。考慮數(shù)據(jù)保存的安全性，報表可根據(jù)需求寫入EXCEL文件。

試驗設(shè)備的運行信息以及運行過程中發(fā)生的故障可自動在計算機中記錄，以方便設(shè)備維護(hù)和故障檢修。

本試驗臺在試驗區(qū)設(shè)置聲光報警，試驗時可警示操作人員注意安全。試驗設(shè)備具有完善的邏輯動作連鎖保護(hù)。試驗臺有短路、過載等硬件保護(hù)功能，同時具有完善的軟硬件連鎖保護(hù)功能，可自動完成因被試品缺陷而引起的過流、短路等故障保護(hù)。

3 總結(jié)

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

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

（2）為試驗系統(tǒng)增加了試驗過程中的實時數(shù)據(jù)計算與試驗結(jié)束后數(shù)據(jù)計算分析，試驗設(shè)備的運行信息以及運行過程中發(fā)生的故障可自動紀(jì)錄保存，方便設(shè)備維護(hù)和故障檢修。在試驗區(qū)設(shè)置了聲光報警，試驗時可警示操作人員注意安全。

（3）試驗臺根據(jù) GB 3853—1983《一般用容積式空氣壓縮機機性能試驗方法》，對空壓機電流、功率、總風(fēng)口溫度、排氣溫度、濕度、壓力、流量、空壓機模塊安全閥工作壓力、空壓機轉(zhuǎn)速等測控參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化提升。

（4）對空壓機的溫濕度、排氣量、排氣壓力、電機功率測驗、泄露試驗、電機轉(zhuǎn)速測量、氣密性、傳感器可靠性、功能測試界面、運行噪聲、氣動要求、軟件功能、外觀等測試項進(jìn)行了第三方檢測，測試結(jié)果符合要求。

本試驗臺研制過程中充分調(diào)研了用戶需求及現(xiàn)有設(shè)備存在的問題，采用模塊化設(shè)計及計算機測控，在設(shè)備的安裝、維修的便利性，以及設(shè)備運行的可靠性、檢測的準(zhǔn)確性、試驗報告的輸出等方面均進(jìn)行了提升。本試驗臺的研制很好地滿足了地鐵車輛空壓機性能等多維檢測的實際需要，為確保地鐵車輛空壓機品質(zhì)，保證行車安全提供了有力的保障。本試驗臺已交付用戶使用并得到了認(rèn)可。

［1］ 劉新航.空氣壓縮機組監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2006：1.

［2］ 覃鳳敏.往復(fù)式壓縮機網(wǎng)狀閥閥座與升程限制器強度研究及應(yīng)用［D］.南寧：廣西大學(xué)，2008：3.

［3］ 李靜.礦用往復(fù)式空壓機遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警及性能測得系統(tǒng)的研發(fā)［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009：11.

［4］ 王虹.機車動車用空壓機試驗臺自控部分設(shè)計［D］.大連：大連交通大學(xué)，2009：40.

［5］ 周新民，涂錚.基于OPC技術(shù)的PC與S7-200PLC的實時通信［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，32（2）：354.

［6］ ABDUL M M,RYAN M.Automation of Compressor Test Procedure using Advantech Data Acquisition Module［C］∥ICARCV.Singapore：IEEE，2008：2266.

［7］ 周軍，冉瑞志.一種空壓機試驗臺：205349684U［P］.2016-01-12.

［8］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.試驗機通用技術(shù)要求：GB/T 2611—2007［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［9］ 中華人民共和國國家質(zhì)量檢驗檢疫總局.機械電氣設(shè)備第一部分：通用技術(shù)條件：GB 5226.1—2002［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［10］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.電氣設(shè)備安全設(shè)計導(dǎo)則：GB 4064—1983［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［11］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.人機界面標(biāo)志標(biāo)識的基本和安全規(guī)則操作規(guī)則：GB/T 4025—2003［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［12］ 中國國家技術(shù)監(jiān)督局.計算機軟件可靠性和可維護(hù)性管理：GB/T 14393—1993［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.