地铁车辆高稳定性高精度空气压缩机试验台研制

赵 华 刘志远 石 晶

（杭州中车车辆有限公司，330013，杭州∥第一作者，高级工程师）

0 前言

地铁属于大运量的公共交通运输系统，保障安全是地铁运营的首要任务。随着城市轨道交通的迅猛发展，地铁车辆检修设备的需求量也在快速增长。地铁车辆制动系统是地铁车辆的重要组成部分，其工作状态直接关系到地铁列车的运行安全及行车品质。空气压缩机（以下简称“空压机”）是风源系统主要设备，为地铁车辆制动提供压缩空气，其性能的检测一直是行业内技术人员聚焦的热点。近年来，随着智能仪表、微机测控技术及通信技术的发展，空压机性能检测技术也得到了相应的发展。这些新技术的发展使测量的稳定性、精度以及测试的自动化程度得到显著的提高。

国外在这个领域的研究比较深入，而且也取得了一些成绩。例如：丹麦B&K公司生产的空压机性能监控系统，在十字头滑道的部位安装了加速度传感器［1］；美国 Bently Nevada公司，针对往复活塞式空压机的性能检测设计出了一系列可用于实际操作的模块化产品，为其检测系统的构建提供了完美的方案。这标志着关于往复活塞式空压机性能检测的技术水平已经达到了一个新的水平［2］。另外，针对往复活塞式空压机的性能检测，Operator Companies和Kotter Consulting Engineers合作开发的空压机离线性能检测系统，硬件系统采用的是标准的传感器和普通的工控机，软件系统采用的则是MSWindows-NT，这个系统比较容易建模而且功能也比较强大［3］。

国内对空压机性能检测研究起步比较晚，但近年也有很多研究，例如：北京交通大学王立乾以PLC（可编程逻辑控制器）和触摸屏为核心的空压机检测系统的设计方法［4］；西安交通大学压缩机研究所以PLC的模拟输入模块和多路转换开关为数据采集单元,以组态软件为测控软件平台的测控模式,构建了压缩机的远程实时监控与数据处理的测控体系［5］；西安交通大学流体机械及压缩机国家工程研究中心结合现代测试技术，使用VC软件开发了基于PC机的空压机性能测试系统［6］。经专利检索，中国专利公开了一种空压机试验台（授权公告号：CN205349684U），其包括用于检测空压机的排气温度的温度传感器、多级显示电路、温度传感器等。但实际运行中存在部分参数检测准确性较差等问题［7］。

本空压机试验台研制的主要目的是解决现有技术所存在的空压机试验台组装较为复杂、装配配件较为繁琐、检测参数的精确度较差、在风源压力较高时气流泄露造成试验的参数不准确、相关试验数据无法实时监测、试验结果不能自动保存或有选择性保存等技术问题。

1 空压机试验台总体设计

本试验台采用模块化设计理念。试验台的组装较为简单，采用电气部件与测试管路分开布局的方式，便于维修的同时尽量减小测试过程中的电磁干扰。在气路管路的设计上，采用地铁车辆常用的管路连接方式。在正常的测试压力范围内，试验台气密性高，检测的各个参数的精确性好；在设备上设置相关零部件标识及警惕标识，以便于维护和保养；结构设计合理、安全可靠、操作直观简便。

设备采用计算机自动控制。试验时，相关试验数据可以实时在电脑屏幕上显示，试验结果可以自动保存或有选择性地保存，可自动生成试验报告单，并进行打印；有可靠的接地、漏电、过载保护系统；有可靠的安全防护、报警、保险措施，以防止误操作或意外事故致使机器受损或人身伤亡；零件、仪表、面板指示、结果报告及全部图纸资料的计量单位全部采用国际单位（SI）；所有仪表、零部件的设计、制造及所用材料符合ISO和IEC标准或其他同等标准，可对空压机进行全面、精确的性能检测。

2 空压机试验台组成及功能

图1 空压机试验台实物图

如图1所示，空压机试验台采用分离式设计，由操作主台和执行工作辅台组成。测控系统由气路处理部分和计算机测控部分组成，气路处理部分实现空气压缩机输出压力调节，过程量（温度、湿度、压力、流量）等测量功能的实现；试验台计算机测控部分主要完成气路控制、电源控制，同步完成试验数据自动采集。

2.1 机械结构

试验台的操作主台和执行工作辅台的机械结构设计见图2、图3。

图2 试验台主台机械结构

图3 试验台辅台机械结构

2.2 气路部分

气路部分（见图4）包括风缸、压力、温度传感器等，分别用于稳定排气压力、测量容积流量和检测排气压力、温度等。

图4 试验台气路部分示意图

2.3 计算机测控

试验测控系统使用工业计算机加测控PLC配合完成。计算机作为人机操作接口，实时显示试验数据。工业计算机使用因特尔i5系列主频2.8 GHz处理器，8 GB 内存，500 GB 硬盘，48.26 cm（19 in）显示器。工业计算机主要完成数据处理及人机交互任务。

PLC完成逻辑动作控制及数据检测功能，主要功能如下：

（1）完成试验动作逻辑控制：根据所选择的试验项目，按照设定的逻辑顺序自动闭合试验线路中的不同开关。

（2）压力控制：按试验规程要求自动调节试验压力的大小，具有反馈调节功能。

（3）检测功能：自动检测试验期间压力变化，按程序设置要求自动采集所需压力，并将采集数据传送到上位机。

（4）逻辑联锁保护：根据不同的试验项目，进行联锁保护，防止误操作引起设备损坏及人员触电。

2.4 软件系统设计

试验台软件设计依靠PLC完成逻辑动作控制，计算机实时显示试验数据。在试验完成时可根据需要进行数据保存和数据打印等操作。设计软件采用图形化软件平台进行编程，软件界面具备试验操作功能和数据显示功能。软件操作主界面如图5所示。

图5 试验台软件操作界面

软件设计有4个不同等级（系统管理员、账户管理员、工程师和操作者）的用户权限，以不同的权限登录，可执行的操作不同。

（1）系统管理员：具有最高的权限，可修改所有的内容，包括试验系统硬件设置，主要用于试验设备调试。

（2）账户管理员：具有账户管理和试验工艺参数设置权限，主要用于管理账户。

（3）工程师：具有试验工艺参数设定和试验操作权限，可修改试验工艺参数，但不能修改试验设备设定参数。

（4）操作员：只具有试验设备操作权限，必须按照设定的步骤及参数进行操作，不允许进行参数和硬件设置的修改。

试验系统的数据处理包括试验过程中的实时数据计算与试验结束后数据计算分析。试验报表可生成打印，可输入被试品的编号、型号、参数等信息，在试验结束时可生成试验报表。另外，部分信息如时间信息等会根据计算机时钟自动填入试验报表，同时可打印报表。考虑数据保存的安全性，报表可根据需求写入EXCEL文件。

试验设备的运行信息以及运行过程中发生的故障可自动在计算机中记录，以方便设备维护和故障检修。

本试验台在试验区设置声光报警，试验时可警示操作人员注意安全。试验设备具有完善的逻辑动作连锁保护。试验台有短路、过载等硬件保护功能，同时具有完善的软硬件连锁保护功能，可自动完成因被试品缺陷而引起的过流、短路等故障保护。

3 总结

地铁车辆的紧急故障排查响应速度与中大型修程检修质量越来越多地引起人们的关注。本文介绍的空压机试验台具有高稳定性、高精度两大技术优势，能够确保地铁车辆空压机系统的可靠性，进而确保地铁列车的行车安全，适用于地铁车辆定期维护、紧急故障排查及中大型修程例行专项检修等工作。该空压机试验台具有以下特点：

（1）在硬件系统方面，试验台根据GB/T 2611—2007《试验台通用技术要求》，采用模块化设计理念，优化了试验台的组装原件和工序，实现了装配的灵活性和可靠性。

（2）为试验系统增加了试验过程中的实时数据计算与试验结束后数据计算分析，试验设备的运行信息以及运行过程中发生的故障可自动纪录保存，方便设备维护和故障检修。在试验区设置了声光报警，试验时可警示操作人员注意安全。

（3）试验台根据 GB 3853—1983《一般用容积式空气压缩机机性能试验方法》，对空压机电流、功率、总风口温度、排气温度、湿度、压力、流量、空压机模块安全阀工作压力、空压机转速等测控参数进行了优化提升。

（4）对空压机的温湿度、排气量、排气压力、电机功率测验、泄露试验、电机转速测量、气密性、传感器可靠性、功能测试界面、运行噪声、气动要求、软件功能、外观等测试项进行了第三方检测，测试结果符合要求。

本试验台研制过程中充分调研了用户需求及现有设备存在的问题，采用模块化设计及计算机测控，在设备的安装、维修的便利性，以及设备运行的可靠性、检测的准确性、试验报告的输出等方面均进行了提升。本试验台的研制很好地满足了地铁车辆空压机性能等多维检测的实际需要，为确保地铁车辆空压机品质，保证行车安全提供了有力的保障。本试验台已交付用户使用并得到了认可。

［1］ 刘新航.空气压缩机组监控系统开发［D］.大连：大连理工大学，2006：1.

［2］ 覃凤敏.往复式压缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究及应用［D］.南宁：广西大学，2008：3.

［3］ 李静.矿用往复式空压机远程监测预警及性能测得系统的研发［D］.北京：北京工业大学，2009：11.

［4］ 王虹.机车动车用空压机试验台自控部分设计［D］.大连：大连交通大学，2009：40.

［5］ 周新民，涂铮.基于OPC技术的PC与S7-200PLC的实时通信［J］.武汉理工大学学报，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］ 周军，冉瑞志.一种空压机试验台：205349684U［P］.2016-01-12.

［8］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.试验机通用技术要求：GB/T 2611—2007［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［9］ 中华人民共和国国家质量检验检疫总局.机械电气设备第一部分：通用技术条件：GB 5226.1—2002［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［10］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.电气设备安全设计导则：GB 4064—1983［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［11］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.人机界面标志标识的基本和安全规则操作规则：GB/T 4025—2003［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［12］ 中国国家技术监督局.计算机软件可靠性和可维护性管理：GB/T 14393—1993［S］.北京：中国标准出版社，1994.