列車清洗機水處理系統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面、前后端面，側頂弧面等外表面的清洗設備。其由洗刷系統、噴淋系統、空壓機系統、電氣系統、藥液系統、熱風幕系統以及水處理系統等組成。水處理系統包括集水池、提升泵、反應池、光催化設備等[1]。洗車廢水經過排水槽進入集水池，然后通過提升泵的提升進入反應池，通過物理沉淀作用除去較大的顆粒性物質，最后進入光催化設備完成化學除菌除臭。水處理系統對洗車廢水經過上述的物理沉淀作用以及化學除菌除臭反應后，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。

水處理系統中，提升泵安裝在集水池和反應池之間，其功能是將集水池中的洗車廢水提升于反應池。提升泵的啟動和停止采用PLC自動控制模式，在集水池內設置有高低點位浮球液位開關，分別用于監測集水池內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，浮球液位開關將高水位信號傳送至PLC程序，經過邏輯關系判斷后，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，浮球液位開關將低水位信號傳送到PLC程序，經過邏輯關系判斷后，PLC程序控制提升泵停止工作。在洗車作業中，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，運轉平穩。

2 研制目的

水處理系統的提升泵采用自吸式離心泵[2]。啟動運轉前需要保證提升泵泵體內部有足夠的自來水，提升泵葉輪旋轉，利用離心力原理，將泵體內自來水甩入出水管，泵體內變為真空狀態，使得集水池和提升泵之間產生壓力差。集水池內的洗車廢水在大氣壓強的作用下，壓入水泵泵體，葉輪持續旋轉繼續工作。因洗車廢水中含有較多的顆粒物質以及油污，會造成提升泵進水管單向閥密封不良，導致提升泵內自來水通過進水管滲漏至集水池，最終引起提升泵泵體內缺少自來水，提升泵因沒有空轉保護[3]，機械密封和電機轉軸在旋轉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干磨現象而損壞[4]。這不僅增加了設備維修工作量和生產成本，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，FQ1是集水池浮球液位開關，C點和D點是浮球液位開關在集水池內的高水位點和低水位點。當集水池內的水位在高水位C點以上時，WP1提升泵開始工作，將集水池內的水提升于反應池。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。當集水池內水位在高水位點之上時，H_011集水池高水位常開點變為閉合，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。

3 研制方案內容

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灌滿自來水[5]。啟動后葉輪高速旋轉使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時泵體內形成真空，使進水逆止閥門打開，吸入管內的空氣進入泵體內，并經葉輪槽道到達外緣。通過反復循環，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，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，不讓泵體內的水滲漏到泵體外部，也不會讓外面的空氣進入到泵體內部，保證提升泵可以正常啟動運轉[6]。

浮球液位開關的工作原理：浮球液位開關由直桿、浮球、高低水位的磁簧開關組成[7]。其采用磁力運作，無機械連接件，運作簡單可靠。當自來水水位發生變化時，浮球液位開關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，浮球內部的磁鐵觸發高水位磁簧開關的常開觸點變為閉合狀態，PLC程序自動控制提升泵的啟動運轉；浮球下降到低水位時，浮球內部的磁鐵觸發低水位磁簧開關的常閉觸點變為斷開狀態，PLC程序自動控制提升泵的停止。

根據提升泵和浮球液位開關的結構、原理及特點，現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。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。補水裝置內設一常開型浮球液位開關，其只有一個水位監測點。設定浮球液位開關的高水位位置與提升泵的最高液面相持平，將浮球液位開關的常開觸點寫入洗車機PLC程序。當浮球液位開關的浮球不在高水位時，浮球沒有觸發磁簧開關，此時浮球液位開關的高水位磁簧開關為常開狀態，PLC程序中的常開觸點沒有閉合，提升泵不能運轉；當浮球液位開關的浮球在高水位時，浮球觸發磁簧開關，浮球液位開關的高水位磁簧開關由常開狀態變為閉合狀態，PLC程序中的常開觸點變為閉合，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，FQ1是集水池的浮球液位開關，C點和D點是浮球液位開關在集水池內的高水位點和低水位點，HP是提升泵的補水裝置，FQ2是補水裝置內浮球液位開關。a點是補水裝置浮球液位開關的高水位點（與提升泵最高水位點持平或略高。此浮球液位開關只有一個磁簧開關，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，當提升泵泵體內的水位低于a點時，浮球內的磁鐵不會觸發磁簧開關，磁簧開關始終為常開狀態，PLC程序中的常開觸點沒有閉合，提升泵不會運轉；當提升泵泵體內的水位等于或高于a點時，浮球內的磁鐵觸發磁簧開關，磁簧開關由常開狀態變為閉合狀態，PLC程序中的常開觸點變為閉合，自動控制提升泵啟動運轉。

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高水位常開點，對應圖3中補水裝置浮球液位開關的高水位（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為閉合，其他常閉點均為閉合狀態，且還要滿足提升泵浮球液位開關常開點變為閉合狀態，即補水裝置浮球液位開關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，同時在PLC梯形圖程序中增加補水裝置內的浮球液位開關常開觸點，通過浮球液位開關監測提升泵補水裝置內的水位，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時，泵體內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干磨現象而損壞。

4 研制方案的比較

針對水處理系統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，可以設置一種可檢測磨損量的裝置[8]。機械密封由動環和靜環組成，動環套設于轉軸，動環隨著轉軸進行同步轉動。靜環與動環相鄰設置，靜環和動環上具有測量端面，測量端面開設測量凹槽，測量凹槽的開設位置靠近靜環或者動環的周緣，測量凹槽的回轉截面所對應的中心角在相異深度處不完全相同。檢測器設置于靜環或者動環，用于檢測靜環與動環形成的摩擦副產生的聲發射信號，當動環或者靜環由于傾斜發生摩擦時產生對應的聲波發至接收器，即可檢測機械密封磨損情況。此種方案可以監測機械密封的磨損情況，但是不能預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，不適宜安裝監測器。

第二種方案：水處理系統提升泵為自吸式離心泵，根據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，在PLC程序原理圖中增加補水裝置浮球液位開關高水位常開輸入點位，保證補水裝置浮球液位開關的浮球在高水位以下時，提升泵停止運轉；浮球液位開關在高水位時，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、部分PVC管路、法蘭盤等部件，可以用小成本實現大效益。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測器，以監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，不宜安裝監測器；方案二安裝提升泵保護裝置，以預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，以此來監測提升泵補水裝置的水位，預防和保護機械密封的異常磨損，保證水處理系統的正常使用。

6 研制方案的意義

列車清洗機水處理系統提升泵通過加裝補水裝置及浮球液位開關保護裝置，能夠有效預防和保護提升泵機械密封的異常磨損，降低水處理系統的故障率，從而提高洗車回用水的利用率。能夠從生產質量、生產效率以及設備安全等各方面起到積極的作用。

（1）提高設備的使用可靠性和維護的便捷性。列車清洗機水處理系統提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關保護裝置后，可保證提升泵不會因空轉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進行定期檢查，即使浮球液位開關出現故障，PLC程序也會通過梯形圖邏輯關系判斷補水裝置水位位置，使設備能夠安全穩定運行，提高設備耐用性、可靠性及延長使用壽命。

（2）減少備件消耗，降低直接成本。設備狀態不穩定會導致故障率的上升。水處理系統提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關保護裝置后，可有效保護提升泵不會因為缺水而空轉，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。根據軌道交通行業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）保證設備性能，保證間接成本。水處理系統提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關保護裝置后，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，保證設備的良好性能，正常發揮設備功能。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，每天洗車用水可節約2（t）×6（列車）×0.75=9（t）。假若因機械密封磨損故障，導致水處理系統不能使用，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，從經濟效益及時間效益來說，都是意義重大。

7 結束語

列車清洗機水處理系統提升泵加裝補水裝置及浮球液位開關保護裝置，采用PLC程序自動控制，監測提升泵補水裝置內部的水位，保證補水裝置內水位處于高水位時，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。此保護裝置產生的效益重大，降本增效體現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。