基于機車輔助壓縮機組試驗臺的設計和實現

萬應宗,胡建功,田得良,趙國慶

蘭州局集團公司蘭州西機務段,甘肅 蘭州 730000

0 引言

在韶山型、和諧型及復興號電力機車高級修過程中,按照規程、工藝對升弓輔助壓縮機組完成檢修后,只能進行簡單的空載試驗,缺乏對機組泵風時間、泵風速度、漏泄檢測等項目的試驗檢查,無法保證檢修后輔助壓縮機組的整體性能達到機車的運用的要求,只能依靠裝車后與機車同步進行調試。不符合要求的輔助壓縮機需要拆解下車進行二次維修,從而影響機車交驗效率。因此,研制一種能夠在裝車前對機車輔助壓縮機組進行全面試驗的設備非常有必要。本文設計了一種專門用于輔助壓縮機組多種性能測試的試驗臺,可以滿足機組的泵風速率、排氣壓力、噪聲、振動等性能進行測試,確保維修后的壓縮機組符合裝車要求。

1 輔助壓縮機試驗臺的設計

輔助壓縮機組試驗臺主要由2部分組成(見圖1):電路控制部分和風路作用部分。試驗臺整體為可移動柜體,側面裝有手推桿,底部安裝2個萬向活動輪和2個定向活動輪,方便移動。

圖1 輔助壓縮機試驗臺整體框圖

試驗臺采用分層設計,上層和下層有多種型號的壓縮機組安裝底座,可分別安裝3臺不同型號的輔助壓縮機,可以滿足多種型號的輔助壓縮機組進行試驗。中層安裝有儲風缸、排風電磁閥、開關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、聯動計時器、緊急按鈕、電機1、電機2及排風按鈕。柜體內部還包括電源插座、連接導線和風路所需風管、接頭、單向閥、消音器等器件。試驗臺結構如圖2所示。

1—柜體;2—操作面板;3—電壓表;4—壓縮機1;5—電流表;6—風壓表;7—聯動計時器;8—單向閥;9—緊急按鈕;10—消音帽;11—壓縮機2按鈕;12—壓縮機1按鈕;13—排風按鈕;14—排風電磁閥;15—儲風缸;16—萬向輪;17—輔助壓縮機;18—第2單向閥;19—電源及控制電路。圖2 試驗臺結構示意圖

1.1 氣路設計與工作過程

輔助壓縮機產生的壓縮空氣,經出風口連接的單向閥1或單向閥2,通過連接管路,到達儲風缸,儲風缸上連接風壓表和排風電磁閥(試驗臺氣路圖見圖3)。操作面板上設置2個輔助壓縮機組啟停開關,開關1和開關2分別控制上下層輔助壓縮機的啟停,操作面板上的聯動計時器,在輔助壓縮機啟動的同時聯動開始計時,輔助壓縮機停止工作時自動停止計時。風壓表顯示儲風缸風壓實時值,電流表、電壓表顯示輔助壓縮機工作電壓、電流實時值。排風按鈕開關控制排風電磁閥的得失電,排風電磁閥得電排風通路關閉,排風電磁閥失電排風通路打開,排出儲風缸壓力空氣。急停按鈕按下時切斷電機供電電源,運行中的輔助壓縮機立即停機,排風電磁閥延時排出儲風缸壓力空氣。

圖3 輔助壓縮機試驗臺氣路圖

安裝好待試驗的輔助壓縮機和相應電纜風管,連接好設備電源線,合上空氣開關,電壓表顯示輔助壓縮機輸入電壓值110 V,設備即進入準工作狀態,按下開關1或開關2,對應待試驗輔助壓縮機開始啟動,電流表數值為輔助壓縮機額定電流,風壓表數值緩慢上升,聯動計時器開始計時,待風壓表數值上升至該試驗輔助壓縮機要求風壓值時,按下開關1或開關2,輔助壓縮機停機,計時器停止計時,此時對照各機組打風時間表,判斷該輔助壓縮機打風時間是否符合要求。

1.2 電源與控制電路設計

供電電源采用的MZMW S-5000-110開關電源,輸入AC 220 V,輸出DC 110 V,最大輸出電流45 A,為輔助壓縮機組電機供電,電源主要驅動的是2臺直流電機,M1是TZK1-50輔助壓縮機組電機,M2是CA-10B/ZTP-22輔助壓縮機組電機,通過對2臺電機繞組實際測量,得知2臺電機電樞回路電阻值,電機銘牌上其他參數如表1所示。

表1 輔助壓縮機機組電機參數

1.2.1 電機啟動電流的計算

根據直流電機的啟動電流計算公式,計算出M1和M2的啟動電流。

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為啟動電流;Un為額定電壓;Ea為反電動勢;Ra為電樞回路電阻。M2電機的啟動電流達到64.5A,不能直接啟動,因此必須采取適當的措施限制啟動電流,在這里采用限流電阻分級啟動的方法。

1.2.2 限流電阻的計算

為了在啟動過程中始終保持足夠大的啟動轉矩,一般將啟動器設計為多級,隨著轉速n的增大,串在電樞回路的啟動電阻Rst逐級切除,進入穩態后全部切除[1]。同時在切換起動電阻時,又要有一定的加速轉矩,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為電樞回路的啟動電阻;Un為額定電壓;le為額定電流;Ra為電樞回路電阻。通過計算得出,串在電樞回路的啟動電阻應為3.93 Ω,取4 Ω分2級啟動,每級電阻2 Ω。

1.2.3 軟件系統設計

西門子S7-200是在工業生產中較為常用的PLC控制器,由西門子公司開發。其能夠滿足較為復雜的控制要求,操作方便,簡單易用,指令集豐富[3],本項目選用CPU型號222作為系統控制器。采用西門子S7-200PLC專用編程軟件STEP7-Micro/WIN- SP9進行程序編程,系統的輸入、輸出地址分配表如表2所示。

表2 系統I/O分配表

2 控制電路的工作過程

控制電路主要由西門子s7-200PLC CPU222可編程邏輯控制器、4臺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、計時器、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電機啟動與停止

當按下自鎖按鈕SB1時,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KM1-1、KM1-2接通,M1電機工作,壓縮機進行打風試驗,同時聯動計時器H開始計時。再次按下SB1時I0.0輸入斷開,Q0.0輸出低電位,KM1線圈失電,主觸點斷開,M1電機停轉,計時停止。

2.2 M2電機啟動與停止

當按下自鎖按鈕SB2時,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KM2-1、KM2-2接通,110 V電源一路供給M2電機的勵磁繞組E1-E2;另一路通過啟動電阻R1、R2進入電樞繞組回路D1-B1,M2電機限流啟動,同時聯動計時H器開始計時,2 s后PLC的Q0.2輸出高電位,KM3接觸器線圈得電主觸點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KM4-1吸合,R2電阻被短接,限流電阻被切除,電機進入正常運行。再次按下SB2時I0.1輸入斷開,Q0.1輸出低電位,KM2線圈失電,主觸點斷開,M1電機停轉,聯動計時器停止計時,同時PLC的Q0.2、Q0.3輸出低電位,使KM3、KM4線圈失電,主觸點釋放,限流電阻加入電路,為下一次啟動做準備。

2.3 排風電磁閥的工作過程

當控制系統上電時,PLC內部直接將Q0.4置位為高電位,繼電器J線圈得電吸合,常開觸點J1閉合,排風電磁閥得電,關閉儲風缸排風口。當試驗完畢需要排風時,按下自復位按鈕SB4,I0.4輸入24 V,PLC內部的SR觸發器將Q0.4置位為低電位,繼電器線圈失電,J1觸點斷開,排風電磁閥Y斷電釋放,儲風缸壓力空氣排空。

2.4 急停按鈕的作用

當按下急停按鈕SB3時,Q0.1或Q0.2輸出低電位,KM1或KM2接觸器線圈失電,主觸點釋放,M1或M2電機供電斷開電機停轉,同時PLC內部的SR觸發器將Q0.4置位為低電平,繼電器線圈失電,J1觸點斷開,排風電磁閥Y斷電釋放,儲風缸壓力空氣排空。

3 輔助壓縮機試驗臺試驗過程

輔助壓縮機組試驗臺的安裝支架可以安裝CA-10B型、TZK1-50型、DURRD100型等多種型號的輔助壓縮機組(見圖6),通過對電機接線的轉換可以試驗不同的壓縮機組,這樣1個試驗臺就滿足了多種型號輔助壓縮機功能試驗。

圖6 輔助壓縮機試驗臺

需要說明是,由于PLC的控制,2個電機的啟動按鈕是互鎖的,即每次只能試驗1臺輔助壓縮機。輔助壓縮機組試驗裝置外接AC 220 V電源,通過開關電源和控制裝置給需要試驗的壓縮機組提供穩定的DC 110 V電源,接好線纜和風管,按下相應試驗開關,壓縮機開始打風,觀察風壓表達到要求壓力后,關閉試驗按鈕停止計時,即可測得機組泵風時間及泵風量,換算輔助壓縮機的泵風速率,同時可以在壓縮機工作時判斷機組軸承、葉輪等部件有無異響,機組運行時有無異常震動,各接合面有無壓縮空氣漏泄。記錄各項數值后,按下排風按鈕,排空儲風缸壓縮空氣,機組試驗結束,整個試驗過程方便快捷。如果試驗中途發生任何緊急情況,可迅速按下急停按鈕,切斷電機試供電電源,同時儲風缸壓力空氣排空。

4 結束語

機車輔助壓縮機組試驗臺投入使用以來,能夠確保輔助壓縮機裝車后的泵風性能,避免不符合要求的輔助壓縮機組裝車后,造成機車檢修重復作業,同時也提高了交車效率。該試驗臺的研制,填補了蘭州西機務段一直以來沒有輔助壓縮機組單獨全面性能試驗的空白,有效提升了機車檢修能力,取得了很好的經濟效益。