列车清洗机水处理系统提升泵保护装置的研制及其意义

金 宁

（兰州市轨道交通有限公司运营分公司，甘肃 兰州 730000）

1 研制背景

列车清洗机是用于地铁电动客车的车体侧面、前后端面，侧顶弧面等外表面的清洗设备。其由洗刷系统、喷淋系统、空压机系统、电气系统、药液系统、热风幕系统以及水处理系统等组成。水处理系统包括集水池、提升泵、反应池、光催化设备等[1]。洗车废水经过排水槽进入集水池，然后通过提升泵的提升进入反应池，通过物理沉淀作用除去较大的颗粒性物质，最后进入光催化设备完成化学除菌除臭。水处理系统对洗车废水经过上述的物理沉淀作用以及化学除菌除臭反应后，可以重新用于电动客车车体外表面的清洗，其回收利用率可以达75%，有效降低自来水的使用率。

水处理系统中，提升泵安装在集水池和反应池之间，其功能是将集水池中的洗车废水提升于反应池。提升泵的启动和停止采用PLC自动控制模式，在集水池内设置有高低点位浮球液位开关，分别用于监测集水池内洗车废水的高水位和低水位。当集水池的水位到达高水位时，浮球液位开关将高水位信号传送至PLC程序，经过逻辑关系判断后，PLC程序控制提升泵开始工作；当集水池的水位降低至低水位时，浮球液位开关将低水位信号传送到PLC程序，经过逻辑关系判断后，PLC程序控制提升泵停止工作。在洗车作业中，提升泵的启停动作无需人工操作，抽水效率高，水泵震动小，噪音低，运转平稳。

2 研制目的

水处理系统的提升泵采用自吸式离心泵[2]。启动运转前需要保证提升泵泵体内部有足够的自来水，提升泵叶轮旋转，利用离心力原理，将泵体内自来水甩入出水管，泵体内变为真空状态，使得集水池和提升泵之间产生压力差。集水池内的洗车废水在大气压强的作用下，压入水泵泵体，叶轮持续旋转继续工作。因洗车废水中含有较多的颗粒物质以及油污，会造成提升泵进水管单向阀密封不良，导致提升泵内自来水通过进水管渗漏至集水池，最终引起提升泵泵体内缺少自来水，提升泵因没有空转保护[3]，机械密封和电机转轴在旋转过程中两者之间缺少自来水的润滑降温，进而造成机械密封出现干磨现象而损坏[4]。这不仅增加了设备维修工作量和生产成本，同时也降低了提升泵的使用率，间接增加自来水的使用量，降低了洗车废水回收利用率。

图1是目前提升泵的原理图。图2是PLC程序原理图。

图1 提升泵原理图

图2 PLC程序原理图

图1说明：WP1是提升泵，FQ1是集水池浮球液位开关，C点和D点是浮球液位开关在集水池内的高水位点和低水位点。当集水池内的水位在高水位C点以上时，WP1提升泵开始工作，将集水池内的水提升于反应池。在高水位C点和低水位D点之间时，WP1提升泵不工作。集水池的浮球液位开关只能检测集水池中的水位，控制提升泵运行，但是不能检测提升泵泵体内是否有自来水，不能充分保护提升泵。

图2说明：PLC原理图中，H_011点是集水池高水位点（常开点），H_010点是集水池低水位点（常闭点），H_019是反应池高水位点（常闭点），M_Mannul是洗车手动选择旋钮（常闭点），以上点位均为PLC中输入点位。Q_Bump_Collect点是PLC程序中控制提升泵启停的输出点。当集水池内水位在高水位点之上时，H_011集水池高水位常开点变为闭合，其余点位均为常闭点，PLC程序中提升泵点位有输出信号，提升泵开始启动运转。

3 研制方案内容

提升泵的工作原理:提升泵采用自吸式离心泵，启动前先在提升泵泵体内灌满自来水[5]。启动后叶轮高速旋转使叶轮槽道中的水流向涡壳，这时泵体内形成真空，使进水逆止阀门打开，吸入管内的空气进入泵体内，并经叶轮槽道到达外缘。通过反复循环，逐渐将吸入管路中的空气排尽。在压力差的作用下，使进水管中的自来水进入泵体内，完成自吸过程。机械密封的作用就是为了封闭泵体与泵轴之间的空隙，不让泵体内的水渗漏到泵体外部，也不会让外面的空气进入到泵体内部，保证提升泵可以正常启动运转[6]。

浮球液位开关的工作原理：浮球液位开关由直杆、浮球、高低水位的磁簧开关组成[7]。其采用磁力运作，无机械连接件，运作简单可靠。当自来水水位发生变化时，浮球液位开关的浮球在浮力的作用下，随水位的上升而跟随上升，或者随水位的下降而跟随下降。浮球上升到高水位时，浮球内部的磁铁触发高水位磁簧开关的常开触点变为闭合状态，PLC程序自动控制提升泵的启动运转；浮球下降到低水位时，浮球内部的磁铁触发低水位磁簧开关的常闭触点变为断开状态，PLC程序自动控制提升泵的停止。

根据提升泵和浮球液位开关的结构、原理及特点，现考虑在集水池出水管至提升泵之间增加一保护装置，保护装置包括补水装置及浮球液位开关。在补水装置上方开2个孔，其中一个孔是手动注水口，用于给提升泵加注自来水，另一个孔是浮球液位开关的安装孔。补水装置与提升泵之间采用法兰盘连接。补水装置内设一常开型浮球液位开关，其只有一个水位监测点。设定浮球液位开关的高水位位置与提升泵的最高液面相持平，将浮球液位开关的常开触点写入洗车机PLC程序。当浮球液位开关的浮球不在高水位时，浮球没有触发磁簧开关，此时浮球液位开关的高水位磁簧开关为常开状态，PLC程序中的常开触点没有闭合，提升泵不能运转；当浮球液位开关的浮球在高水位时，浮球触发磁簧开关，浮球液位开关的高水位磁簧开关由常开状态变为闭合状态，PLC程序中的常开触点变为闭合，控制提升泵启动运行。

图3是增加保护装置的提升泵原理图，图4是增加保护装置后的PLC程序原理图。

图3 增加保护装置的提升泵原理图

图4 增加保护装置的PLC程序原理图

图3说明：WP1是提升泵，FQ1是集水池的浮球液位开关，C点和D点是浮球液位开关在集水池内的高水位点和低水位点，HP是提升泵的补水装置，FQ2是补水装置内浮球液位开关。a点是补水装置浮球液位开关的高水位点（与提升泵最高水位点持平或略高。此浮球液位开关只有一个磁簧开关，其为常开型，即高水位a点为常开触点。将a点常开触点写入PLC程序原理图，当提升泵泵体内的水位低于a点时，浮球内的磁铁不会触发磁簧开关，磁簧开关始终为常开状态，PLC程序中的常开触点没有闭合，提升泵不会运转；当提升泵泵体内的水位等于或高于a点时，浮球内的磁铁触发磁簧开关，磁簧开关由常开状态变为闭合状态，PLC程序中的常开触点变为闭合，自动控制提升泵启动运转。

图4说明：PLC程序原理图中，其他点位（常开常闭点）与增加保护装置前的程序相同（图2），增加H_055提升泵补水装置浮球液位开关高水位常开点，对应图3中补水装置浮球液位开关的高水位（a点）常开触点。PLC程序原理图中，提升泵点位有输出的必要条件，不仅要满足集水池高水位点位由常开变为闭合，其他常闭点均为闭合状态，且还要满足提升泵浮球液位开关常开点变为闭合状态，即补水装置浮球液位开关的浮球必须在高水位（a点）以上。

增加补水装置和浮球液位开关，同时在PLC梯形图程序中增加补水装置内的浮球液位开关常开触点，通过浮球液位开关监测提升泵补水装置内的水位，PLC程序自动控制提升泵的启停动作，充分保护提升泵在启动运转时，泵体内有足够的自来水给机械密封润滑降温，进而保护机械密封不会出现干磨现象而损坏。

4 研制方案的比较

针对水处理系统提升泵机械密封的磨损，可以考虑2种方案的实施。

第一种方案：鉴于机械密封磨损的可能性，可以设置一种可检测磨损量的装置[8]。机械密封由动环和静环组成，动环套设于转轴，动环随着转轴进行同步转动。静环与动环相邻设置，静环和动环上具有测量端面，测量端面开设测量凹槽，测量凹槽的开设位置靠近静环或者动环的周缘，测量凹槽的回转截面所对应的中心角在相异深度处不完全相同。检测器设置于静环或者动环，用于检测静环与动环形成的摩擦副产生的声发射信号，当动环或者静环由于倾斜发生摩擦时产生对应的声波发至接收器，即可检测机械密封磨损情况。此种方案可以监测机械密封的磨损情况，但是不能预防保护机械密封的磨损，并且列车清洗机提升泵的空间狭小且运行时有振动，不适宜安装监测器。

第二种方案：水处理系统提升泵为自吸式离心泵，根据自吸式离心泵的工作原理，可以在提升泵处增加补水装置及浮球液位开关，在PLC程序原理图中增加补水装置浮球液位开关高水位常开输入点位，保证补水装置浮球液位开关的浮球在高水位以下时，提升泵停止运转；浮球液位开关在高水位时，PLC程序自动控制提升泵启动运行。消除提升泵空转的风险，保护机械密封不会因缺少自来水的润滑降温，造成异常磨损而损坏。此种方案可以预防并保护机械密封的磨损，易于安装，后期检修维护方便。研制成本仅包括补水装置、浮球液位开关、部分PVC管路、法兰盘等部件，可以用小成本实现大效益。间接提高水处理利用率，性价比极高。

5 研制方案的选择

通过上述2种方案的比较，方案一安装机械密封监测器，以监测机械密封的磨损为主，不能消除机械密封的磨损，实用性不强，并且提升泵空间较小，不宜安装监测器；方案二安装提升泵保护装置，以预防和保护机械密封的磨损为主，易于安装，方便检修人员对设备的维护，并且研制成本较低，方案的可实施性强，性价比高，用最小的成本换取最大的效益。

综上所述，可以选择方案二，以此来监测提升泵补水装置的水位，预防和保护机械密封的异常磨损，保证水处理系统的正常使用。

6 研制方案的意义

列车清洗机水处理系统提升泵通过加装补水装置及浮球液位开关保护装置，能够有效预防和保护提升泵机械密封的异常磨损，降低水处理系统的故障率，从而提高洗车回用水的利用率。能够从生产质量、生产效率以及设备安全等各方面起到积极的作用。

（1）提高设备的使用可靠性和维护的便捷性。列车清洗机水处理系统提升泵加装补水装置及浮球液位开关保护装置后，可保证提升泵不会因空转而对机械密封造成干磨损坏。日常维护仅需要对浮球液位开关进行定期检查，即使浮球液位开关出现故障，PLC程序也会通过梯形图逻辑关系判断补水装置水位位置，使设备能够安全稳定运行，提高设备耐用性、可靠性及延长使用寿命。

（2）减少备件消耗，降低直接成本。设备状态不稳定会导致故障率的上升。水处理系统提升泵加装补水装置及浮球液位开关保护装置后，可有效保护提升泵不会因为缺水而空转，机械密封不会因缺水而没有润滑降温，造成干磨而损坏，可切实降低故障率。根据轨道交通行业列车清洗机的使用频率及备件消耗，每台提升泵每年需要消耗更换3个机械密封。车辆段和停车场各有1台列车清洗机，每台列车清洗机有2台提升泵，则总计4台提升泵，配套有4个机械密封，则每年因机械密封的磨损，提升泵共需要更换12个机械密封。根据机械密封的市场采购价，一个机械密封约300元。每年只是更换机械密封就要多花费300元×12个=3 600元。通过增加提升泵保护装置，减少机械密封备件的更换率，降低备件更换的直接成本。

（3）保证设备性能，保证间接成本。水处理系统提升泵加装补水装置及浮球液位开关保护装置后，不仅会降低直接成本，即备件自身的采购成本。也会降低间接成本，包括备件更换的时间成本及人力成本，保证设备的良好性能，正常发挥设备功能。保证洗车回用水的利用率可达到75%，间接保证了自来水的使用成本。按照轨道交通行业列车清洗机的使用频率，车辆段和停车场每天共清洗6列车，每列车用水2吨，每天洗车用水可节约2（t）×6（列车）×0.75=9（t）。假若因机械密封磨损故障，导致水处理系统不能使用，而机械密封采购未到位，则只能使用城市自来水管网用水，一周的洗车用水增加9（t）×7（d)=63（t）。间接保证自来水的使用成本，从经济效益及时间效益来说，都是意义重大。

7 结束语

列车清洗机水处理系统提升泵加装补水装置及浮球液位开关保护装置，采用PLC程序自动控制，监测提升泵补水装置内部的水位，保证补水装置内水位处于高水位时，提升泵才可正常工作。当补水装置的水位不在高水位时，提升泵会自动停止工作，保证提升泵内机械密封不会因缺水而没有润滑降温，造成干磨损坏。此保护装置产生的效益重大，降本增效体现在直接成本和间接成本。直接成本方面，不仅减少机械密封备件更换的概率，缩减故障处理时间，降低机械密封备件更换的时间成本和采购成本，以及人力成本；间接成本方面，因具有提升泵水位监测功能，切实降低提升泵机械密封的故障率，很大程度提高水处理系统提升泵的利用率，增加洗车回用水的利用率，间接降低自来水的使用率，符合降本增效的要求。