地铁列车外皮清洗机空气控制系统的问题分析与改进

苏博智 陈伊涛 陈国亮 陈国栋

摘  要：地铁列车外皮清洗机是地铁车辆段主要设备之一，其空气控制系统随着使用年限增长，加上空气控制元件长期工作在潮湿环境，对空气管路元件造成了腐蚀，增加了漏气点，空气压缩机部分会频繁启停，严重影响设备正常使用。鉴于此，对列车外皮清洗机空气控制系统进行检查与分析，确认了原有空气控制系统存在设计布局不合理，进而造成空气控制系统元件加速腐蚀的问题。针对该问题，对列车外皮清洗机空气控制系统进行了改造，并对改造后的空气控制系统进行模拟洗车试验，确认了通过对列车外皮清洗机空气控制系统的改造解决了存在的问题。

关键词：地铁;列车外皮清洗机;空气控制系统;腐蚀;改造

1    研究背景

当前，我国城市交通拥堵问题是市民非常关注的话题，而修建地铁可以很大程度上缓解城市交通压力，所以城市轨道交通在我国有很大的发展前景。

目前，国内各大城市都在加速修建地铁，城市地铁线路不断增多，已逐步形成网格化。地铁由于其干净的外表、舒适的内部环境，加上快速准点以及安全运行的特点，正在潜移默化地改变着市民的出行方式，同时地铁也悄悄地成为了一个城市的新名片。

地铁干净的外表、舒适的内部环境，当然离不开清洁工的辛勤劳动。但随着城市地铁线路不断增长，地铁列车数量也在不断增加，单靠人工清洗列车外表面已无法满足实际需求。因此，地铁列车外皮清洗机（简称“洗车机”）应运而生，它是为地铁列车外表面提供清洗服务的专用设备。洗车机的出现，在很大程度上提高了地铁列车外表面清洗效率和清洁度，而且还节约了洗车用水及人力成本。

北方地区的洗车机一般会单独设置在一个洗车库内，洗车库两端装有库大门，在洗车时需人工打开两端库大门，洗车结束后再人工关闭两端库大门。这样洗车机的洗车区域就会形成一个封闭空间，每次洗完车的水不能及时蒸发掉，就会造成洗车库内常年潮湿。洗车机原气路控制系统设计是分布式的，气动元件安装在洗车区域每个立柱内，随着洗车机使用年限延长，气动控制元件很容易腐蚀损坏。这种设计在洗车机这样的运行环境下是非常不合理的，目前气路控制系统的气管路及气动执行元件已经严重腐蚀，在洗车过程中经常出现故障，从而影响地铁列车清洗，进而影响城市名片的展示效果。可见，洗车机作为地铁车辆段的重要设备之一，其稳定运行至关重要。

根据对国内几大洗车机生产厂家的调研，其气路控制系统都是分布式控制设计，所以也都存在气管路及气路执行元件腐蚀问题，而且没有很好的解决方案。就目前洗车机的使用情况分析，其60%的故障都是气路故障。因此，设计改造人员开拓思路，多方咨询，精心画图设计，并多次讨论，大胆实施，最终“一种新型地铁车辆段列车外皮清洗机空气集中控制装置”成功问世，并替换了使用十年之久的列车外皮清洗机空气控制系统，改进后洗车机运行很稳定，保证了地铁列车外表面清洗，再也不用担心地铁列车外表清洗不干净，会影响城市名片展示效果的问题。

2    地铁列车外皮清洗机空气控制系统问题分析

2.1    原因分析

地铁列车外皮清洗机工作方式有两种，一种是自动有端洗模式，另一种是自动无端洗模式。列车外皮清洗机设计有5对立刷、2对侧弧刷和1对端刷，共计8对刷组，每对刷组的摆出与退回是通过安装在刷组上部的气动马达（型号为BM-160）驱动刷轴来控制，而气动马达是靠空气压缩机产出的高压空气经过空气控制系统来动作。空气控制系统是通过操作室上位控制系统控制，它采用德国西门子S7系列可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），中央处理器为CPU315[1-4]。空气控制系统包含空气压缩机、气动三联件、储气罐、气管路、两位五通气动电磁换向阀等元件，其中气管路、气动三联件（含气压显示表）及两位五通气动电磁换向阀分别布置在列车外皮清洗区的每对刷组方柱内。列车外皮清洗机在洗车时需要经常喷水，导致该区域空气湿度较大，可达60%～80%，再加上洗车时用的中性清洗剂有一定腐蚀性，于是该区域的空气控制系统元件长期工作在潮湿环境，很容易腐蚀，这样不但会增加空气管道的漏气点，而且维修也非常不便，有时只能通过更换气路控制元件来临时解决漏气故障。漏气点增多不但会造成空气压缩机供气损失，浪费资源，而且还会使空气压缩机启停频繁，缩短空气压缩机使用寿命，从而影响列车外皮清洗机正常使用。

2.2    工作原理

列车外皮清洗机空气控制系统原理图如图1所示[5-7]。列车外皮清洗机刷轴的摆出与收回，采用圆形摆动气缸驱动方式实现，而摆动气缸所需的高压气体是通过单螺杆空气压缩机生产出来的。单螺杆空气压缩机生产出来的高压气体首先输送至高压空气储气罐进行储存，接着经过手动截止阀、气动三联件及DN15铁管，分别输送到8对刷组方柱旁及各水泵喷出水管处（其目的是冬季洗车时将各水泵出水管里水吹干），然后通过？准8高压塑料气管连接手动滑阀和DN15铁管。生产出来的高压气体通过方柱内气动三联件及二位五通电磁阀，最后到达摆动气缸两个气口。其工作原理是單螺杆空气压缩机生产出来的高压气体，经气动元件和输气管路输送至二位五通电磁换向阀处，这时如果PLC将工作指令发送给现场控制刷组动作的二位五通电磁阀，则二位五通电磁阀的阀芯会在阀体内左右移动从而改变高压气体流向，进而控制刷组摆出和收回。

由以上分析可知，地铁列车外皮清洗机空气控制系统属于分散布局，而这种布局对工作于潮湿环境的列车外皮清洗机非常不合理，因为大部分气动元件长期工作在相对潮湿的洗车区域，这样不但会加速气动元件腐蚀，还会造成漏气点增多，而且故障维修及保养也非常不便，如图2所示。所以，需要对列车外皮清洗机空气控制系统现场布局进行优化改造。

2.3    电气控制原理

地铁列车外皮清洗机空气控制系统电气控制原理如图3所示。操作人员先选择列车外皮清洗机洗车模式，是自动带端洗模式还是自动无端洗模式。洗车模式选好后，根据洗车模式对列车外皮清洗机端刷手动执行“解锁”或“锁住”操作。选好洗车模式后，操作人员将下达洗车准备命令，这时上位控制系统——西门子S7-300 PLC的CPU接到洗车命令，内部程序开始循环工作。如图3所示，以1号立刷组为例，刷组的推出过程如下：首先，PLC内部中间继电器M46.4（正向洗车刷组推出条件）得电吸合;接着，每对刷组通过PLC内部时间继电器T96（正向刷推出延时）控制，依次延时2 s推出;然后，PLC输出点Q8.1得电置位输出，这时接在点Q8.1上的外部中间继电器KA66线圈得电吸合;最后，中间继电器KA66常开触点闭合，使二位五通电磁阀DT3得电动作，从而控制刷组摆出。刷组的退回：当列车完成清洗后，PLC内部中间继电器M45.1得电，Q8.1复位失电，这时接在点Q8.1上的外部中间继电器KA66线圈失电断开;而中间继电器KA66上的常开触点复位，使二位五通电磁阀DT3失电，从而控制刷组退回。

综上所述，列车外皮清洗机空气控制系统电气控制原理存在设计上的不合理，主要是列车在正向清洗完成后，刷组旋转和水管喷水同时停止工作，这样就会使残留在刷组刷毛上的洗车用水流到设备上，进而腐蚀设备。

3    改造优化

针对上述列车外皮清洗机在实际使用中存在的问题，一是空气控制系统原理中分析到的气动元件长期工作在洗车区域潮湿易腐蚀环境的问题，可将列车外皮清洗机洗车区域内的气动元件原有分散布置改造成采用防潮、防腐蚀的不锈钢柜子集中布置，同时将原有的输气管道由铁管改造成？准8高压防腐塑料气管，如图4所示;二是电气控制原理中分析到的列车清洗完成后，水管喷水和刷组旋转同时停止工作，使刷毛残留洗车用水顺着刷毛流到设备上进而腐蚀设备的问题，可将列车外皮清洗机电气控制系统中控制刷组停止旋转的PLC程序M45.1（列车正向自动洗车结束）加1 min延时，如图4所示，在列车清洗完成后，水管停水，刷组刷毛旋转1 min后停止，使刷组刷毛甩干，从而解决刷毛上存在残留洗车用水的问题[8-10]。

4    实际应用

自从列车外皮清洗机气路控制系统改造优化并成功投入实际生产应用后，不但彻底解决了列车外皮清洗机洗车区域内气动元件腐蚀问题，而且还解决了每次洗完列车后刷组刷毛残留洗车用水顺刷毛流到设备本体，造成设备本体腐蚀的问题，这就延长了设备使用期限，降低了设备故障发生率，保证了设备稳定运行。

5    结语

本文对列车外皮清洗机空气系统在使用过程中发现的问题从两方面进行了分析，可以看出，原有气路系统布局及电气控制原理不合理，这也加快了空气系统元件及设备本体的腐蚀速度，导致列车外皮清洗机使用时故障较多，设备运行不稳定，而且不方便设备维修人员对设备进行维修保养及故障排查。

通过列车外皮清洗机气路系统整体改造，实现了点对点控制，其中对空气控制系统气动元件进行集中布置，这样不但提升了故障处理效率，而且还省去了南北两侧主气路铁管的使用（铁管极易受潮腐蚀），用？准8高压防腐塑料气管替代，这样既延缓了摆动马达动作速度，使摆动气缸工作较为平缓，又减轻了摆动马达对机械止档的瞬间冲击力，能防止机械止档意外损坏。气路系统成功投入实际生产应用，不但减少了气路节点，降低了漏气点的检查次数，而且还可以杜绝气路元件的腐蚀，最终提升了列车外皮清洗機工作的稳定性和洗车效率。

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[9] 韩雪涛.电工从入门到精通[M].北京：化学工业出版社，2017.

[10] 《电气工程师手册》第二版编辑委员会.电气工程师手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2000.

收稿日期：2020-07-01

作者简介：苏博智（1986—），男，甘肃平凉人，工程师，主要从事地铁相关设备技术管理工作。