廣州地鐵3號線電客車清洗效果的改善

張洪威 張文學

(廣州市地下鐵道總公司車輛中心,511430,廣州∥第一作者,助理工程師)

廣州地鐵3號線電客車是由西門子與南車株洲電力機車廠聯合制造的,其車體外表由上到下分別涂裝了灰、白、橙3種顏色。自2006年6月3號線首通段(廣州東站——客村)開通以來,電客車已經上線運行3年。由于種種原因,電客車的側墻白油漆帶出現了黃斑,這給電客車的整體美觀造成了不良的影響。

廣州地鐵的電客車每天均由自動列車清洗機(下文簡稱“洗車機”)以及保潔人員進行保潔工作。洗車機負責電客車外表面的清潔工作。若車體外表面的污漬不能及時去除,經過長時間的積累沉淀,日曬雨淋,就會逐漸附著在車體表面,形成黃斑。本文著重圍繞洗車機的洗車機機械構造、洗車工藝布置、洗滌劑選用等3方面來對電客車清洗效果的改善進行探討。

1 洗車機機械構造

洗車機機械構造的主要組成部分是洗車線上的側刷機構以及端刷機構。側刷機構擔負著電客車車體側墻的洗刷任務和大部分的洗車作業工序,包括側面初刷洗、側面次刷洗、側面終刷洗。故本文在“洗車機機械構造”部分僅僅圍繞側刷機構展開討論。

1.1 側刷機構的組成

側刷機構主要由單擺臂側刷機構以及雙擺臂側刷機構組成,其結構圖見圖1、圖2,工作原理示意圖分別見圖3、圖4。

圖1 單擺臂側刷機構

1.2 側刷機構的工作原理

洗車機處于“自動”模式下,側刷機構在氣缸直線運動的推動下沿圖3、4的箭頭方向擺出,使在電機帶動下旋轉的刷毛接觸車體,從而進行車體側墻的刷洗作業。

圖2 雙擺臂側刷機構

圖3 單擺臂側刷機構工作原理圖

圖4 雙擺臂刷側機構工作原理圖

1.3 從洗車機機械構造著手改善清洗效果的思考

刷毛是與清洗效果直接相關的載體,直接與車體接觸,其相關因素直接關系到清洗效果的好壞。在本節中,著重從刷毛的旋轉速度以及車體吃毛量兩個方面來闡述清洗效果的改善問題。

由于電客車車體側墻中部有白色油漆帶,因此清洗效果的改善首先會在白色油漆帶上展現明顯的效果,故下文所述均以車體側墻的白色油漆帶為例。

1.3.1 刷毛的旋轉速度

洗車機刷毛的旋轉通過電機以及減速箱來實現。其中電機型號為SEW DT100LS4,功率為2.2 k W,通過減速箱后輸出軸的轉速為159 r/min(即刷毛的轉速)。通過相關公式可以求得刷毛旋轉過程中給予車體的動量(能量)E。計算如下:

已知刷毛長度l=0.43 m,刷毛轉速n=159 r/min,則:

刷毛角速度,rad/min:

刷毛線速度,m/min(最外側端點為例)

刷毛動量,kg·m/s(最外側端點為例)

刷毛單位時間作用于車體表面的力,N(最外側端點為例)

式中:

m——刷毛的質量,kg;

t——刷毛旋轉過程中作用于車體表面的時間,min。

由于轉速恒定,刷毛分布均勻,理論上可以認為每根刷毛的m和t是相同的,因此,每根刷毛作用于車體表面的動量(能量)E和作用力F是相同的。

下面以1號線洗車機的刷毛轉速為例來進行計算。假設將1號線洗車機側刷電機以及減速箱安裝在3號線洗車機的側刷上,計算如下:

已知刷毛轉速n=300 r/min。由于其他條件均不變,根據式(3),刷毛的動量

刷毛單位時間作用于車體表面的力

由于車體表面污漬是與車體表面緊密粘連的,因此刷毛作用于車體表面的動量(能量)E和作用力F越大,也就意味著刷毛作用于車體表面的污漬的動量(能量)E和作用力F越大。

通過式(3)～式(6)的比較,在其他條件不變的情況下,假設將1號線側刷電機及減速箱安裝在3號線洗車機的側刷上,可以得出刷毛的相關數據,見表1。

表1 刷毛數據表

從表1中的數據可以看出,使用1號線的電機以及減速箱,可使刷毛的相關參數比使用3號線的電機以及減速箱提高效率88.68%。

因此,提高刷毛的轉速,可以使刷毛作用于車體表面的動量以及作用力得以提高,對洗車機清洗效果會有一定的改善。

1.3.2 車體吃毛量

從上文的式(3)、(4)可以看出,刷毛旋轉的過程中,在其他條件不變的情況下,刷毛半徑(即刷毛長度l)越大,刷毛的動量以及作用力越大,刷毛作用于車體表面的動量以及作用力也越大。

刷毛最外側端點獲得的動量以及作用力最大,動量以及作用力隨著刷毛半徑的減小而減少,因此,合適的車體吃毛量,是另外一個改善洗車機清洗效果的措施。

理論上,刷毛最外側端點恰恰與車體接觸的情況下,刷毛施加在車體表面的動量和作用力是最大的,清洗效果也是最好的。但是考慮到每根刷毛制作過程中的長度差異、刷毛使用過程中的磨損以及電客車在洗車作業時與刷毛之間的距離等因素,為了確保刷毛旋轉時能夠與車體側墻接觸,按照實際應用經驗,筆者認為,車體平均吃毛量在5～7 mm以內才能保證車體表面獲得盡可能大的動量和作用力,從而獲得良好的清洗效果。

2 清洗工藝布置

洗車的清洗工藝布置直接關系到洗滌劑從附著在車體外表面到被沖洗的反應時間,洗滌劑反應時間必須與洗車工藝布置相匹配,才能獲得最佳的洗滌劑使用效果。

圖5為3號線列車清洗機清洗工藝布置圖。

圖5 3號線列車清洗機清洗工藝布置圖

2.1 洗車機洗車流程分析

3號線電客車沿圖5箭頭方向單向進入洗車機進行洗車。其中電客車速度為v電客車=3 km/h,側刷1與側刷2的距離為L1-2=20 m,側刷2與側刷3的距離為L2～3=9 m。

根據以上數據,可以得出提供給洗滌劑在車體表面的反應時間為24 s。具體洗車流程見圖6。

圖6 洗車流程

2.2 從洗車工藝布置改善清洗效果的思考

從以上計算可知,3號線電客車在進行非端洗作業時,從洗滌劑被涂抹在車體表面(洗車工序1,側刷1)到被沖洗(洗車工序2,側刷2),洗滌劑附著在車體表面的時間(即洗滌劑與污漬的反應時間)僅僅為24 s。

根據3號線洗車機的實際應用經驗,洗車機所使用過的洗滌劑,包括GD-21B、速可潔Ⅱ等產品,均無法在24 s內與污漬發生有效反應。

為此,在洗車機的設計中,對電客車行駛速度不變的情況,洗車工序以及洗滌劑之間的關系應當從以下兩種思路去進行優化配置:

(1)先確定洗滌劑類型,后對洗車工藝進行設計。針對洗滌劑的反應時間,對洗車工藝進行設計,確保在執行洗車工藝的過程中能夠給予洗滌劑充分的反應時間,從而保證洗車效果。

(2)先確定洗車工藝,后尋找與洗車工藝相匹配的洗滌劑。針對洗車工藝,尋找合適反應時間的洗滌劑,確保洗滌劑與污漬的反應時間能夠與洗車工藝相匹配,從而保證洗車效果。

3 洗車機用洗滌劑的選用

洗滌劑直接與車體表面的污漬接觸,因此所選用洗滌劑的好壞,在很大程度上直接影響著洗車機的清洗效果。根據廣州地鐵洗車工藝的實際情況,對洗滌劑的選用原則總結如下。

3.1 p H值在6～8之間

pH值在中性范圍之內,確保了洗滌劑微弱腐蝕性,保證了車體材質、油漆涂層以及車底吊掛設備的安全,也首先確保了洗車作業的安全。

3.2 環保型,不污染環境

基于廣州地鐵新線的洗車機污水處理工藝較為簡單、洗車庫為開放式等特點,洗滌劑的環保性顯得尤為重要。要確保洗車過程中向周圍飛濺的洗滌劑不會對周圍的環境以及植被造成損害。

3.3 對頑垢、動物蛋白垢有效滲透

目前,廣州地鐵3號線為車速達120 km/h的高速線路。由于列車速度高,隧道區間的粉塵、雜質等與車體碰撞后極易產生頑垢;而廣州地鐵4號線為高架線路,由于存在露天區間,飛禽、昆蟲等與車體碰撞后會產生動物蛋白垢。因此,洗滌劑必須對頑垢、動物蛋白垢有較強的滲透能力,才能確保洗滌劑去除污漬的有效性。

3.4 親水性好

親水性好的洗滌劑可以杜絕車窗玻璃的掛水現象,易于漂洗,防止洗滌劑殘留在車體表面。

3.5 對車體外表的涂層、玻璃、橡膠等非金屬材質無腐蝕

可以確保長期使用而不會對車體外表造成損壞。

3.6 可稀釋

基于節能降耗的理念,優秀的洗滌劑應可在稀釋20～30倍的情況下保持與原液一致的特性。

4 結語

洗車機要取得良好的洗車效果,不僅需要有各種高質量的零部件作為基本保證,同時也必須從洗車機的機械構造、洗車工藝布置、洗滌劑選用等3方面,根據不同地域、氣候、列車表面涂裝等進行全面優化,統籌配合。

[1]劉旭東,馬金鐘.VEIC-GZ3廣州市軌道交通3號線列車自動清洗機機械系統圖冊[M].廣州:哈爾濱威克技術開發公司,2006.

[2]WESUMAT.Operation Instructions for a train washing system[M].德國.WESUM AT Co.,Ltd.,1996.