軌道交通車輛轉向架智能干冰清潔設備的研制

陽 東，伊建輝，曹曉明，趙 明

(1.天津鐵道職業技術學院，天津 300240；2.中車青島四方車輛研究所有限公司, 山東 青島 266031；3.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

1 轉向架檢修清潔現狀

轉向架是軌道交通車輛的核心部件，直接關系到車輛的運行品質及運行安全，車輛運行到一定里程后需要對轉向架進行檢修，以保證車輛的良好安全運行狀態。目前的轉向架檢修對象以機車車輛、動車組、城軌車輛為主，檢修場所主要涉及鐵路局車輛段、地鐵車輛段以及主機廠等[1-2]。

轉向架檢修主要涉及構架、輪對、軸箱裝置、彈性懸掛裝置、制動裝置等，常用的清潔方式包括水洗清潔、拋丸清潔，目前以水洗清潔為主，但是水洗清潔完成后會有水漬及清洗劑殘留，清潔用水由于含有清洗劑會對環境造成污染且殘留清洗劑會腐蝕轉向架，清洗之前為防止進水需要拆卸軸箱等部件，增加了清洗工序[3-5]。近年來發展起來的干冰清潔相比其他清潔方式有許多獨特的優點，例如沒有二次殘留物、對環境無污染，對轉向架無損傷，清潔時無需拆解電機軸承等部件，無需吹干工序。日本東海公司大阪車輛轉向架檢查所從2008年開始使用干冰清潔設備清潔新干線車輛的轉向架，清潔效果良好。圖1為日本新干線轉向架干冰清潔原理圖。

圖1 日本新干線轉向架干冰清潔原理圖

目前干冰清潔在汽車精密零部件清潔、電力系統絕緣子清潔、橡膠模具清潔、加工制造自動化設備清潔等方面得到了廣泛應用，主要是因為這些清潔對象較小、便于實現自動化且干冰對清潔對象無損害。雖然干冰清潔轉向架有許多其他清潔方式無法相比的優點，但是干冰清潔轉向架的方式并未得到很好的推廣應用，尤其在我國還未見利用干冰清潔設備清潔轉向架的報道，主要有以下三方面的原因：一是干冰對轉向架的影響有待確認；二是二氧化碳的運輸、存儲及使用均存在一定的危險，使用不當會對人體造成傷害；三是目前已有的干冰清潔設備自動化程度太低、需要人工操作太多。

鑒于干冰清潔轉向架方式的多種優點以及目前市場上干冰清潔設備的缺點，需要研制開發一種清潔效果好、自動化程度高、可靠性及安全性良好的智能干冰清潔設備。

2 轉向架智能干冰清潔設備的組成與功能

2.1 設備組成

轉向架智能干冰清潔設備主要由干冰噴射裝置、壓縮空氣系統、輔助機械手總成、清潔對象運送裝置、清潔對象抬升裝置、清潔室、控制臺等組成，見圖2。干冰噴射裝置用于向清潔對象以一定的速度和流量噴射干冰顆粒，壓縮空氣系統為干冰噴射裝置提供氣源，輔助機械手總成用于夾持干冰噴射裝置噴頭完成自動清潔，清潔對象運送裝置用于將清潔對象運送至清潔工位，清潔對象抬升裝置用于抬升清潔對象以便于可以清潔到清潔對象的各部位，清潔室為進行清潔工作的空間，控制臺用于整個系統的監測及控制[6-7]。

1.壓縮空氣系統；2.清潔對象運送裝置；3.輔助機械手總成；4.干冰噴射裝置；5.控制臺；6.清潔對象抬升裝置；7.清潔室。

2.2 主要技術參數

以清潔地鐵B型車轉向架為例，轉向架智能干冰清潔設備主要技術參數見表1。

2.3 主要組成部分功能

2.3.1 干冰噴射裝置

干冰噴射裝置將壓縮空氣與干冰定量混合后利用高射流專用噴頭噴向工件表面去除污垢。干冰噴射裝置采用的清潔原材料為固態二氧化碳，固態二氧化碳存儲于專用的存儲箱(較液態二氧化碳安全性更高)，干冰存儲箱存儲周期約7天，使用時將存儲箱中的干冰添加到干冰噴射裝置中。干冰噴射裝置噴頭夾持在輔助機械手上，由輔助機械手帶動噴涂，設備具備自動噴頭(由機械手夾持清潔)和手動噴頭(人工操作清潔)2種噴頭。干冰噴射裝置設有與控制臺的接口，可在控制臺實現對干冰噴射裝置的實時控制，主要控制量包括干冰噴射裝置的啟停、壓力、噴冰量等。

干冰清除污垢的原理是：通過壓縮空氣將低溫干冰顆粒加速后噴射至被清潔部件表面，干冰顆粒以一定的動能沖擊污垢，由于具有不同熱膨脹系數的不同材料間的溫差會破壞材料的結合，因此表面污垢突然降溫后會導致污垢脆化破裂。同時，會有一些細小干冰顆粒進入出現裂縫的污垢內，干冰顆粒在迅速升華時，其體積膨脹700倍左右，會產生一定的爆炸沖擊，從而將污垢從清潔部件表面剝離。需要說明的是由于干冰硬度不大，并且又是在沖擊瞬間氣化，因此不會因為干冰顆粒的沖擊對被清潔部件表面造成損傷；另外干冰清潔部件時降溫只是發生在材料表面，不會因為低溫造成材料的性能發生變化。

2.3.2 輔助機械手總成

輔助機械手總成用于夾持干冰噴射裝置噴頭完成噴涂。輔助機械手設有與控制臺的接口，可通過標準接口實現對輔助機械手的控制。每種新型轉向架使用前需要先形成該種類型轉向架的清潔程序，通過對輔助機械手示教，根據清潔效果確定轉向架每個清潔點的噴射距離、噴射壓力、噴射流量、清潔速度等參數，從而形成完整的清潔程序，針對不同類型的轉向架清潔時調用對應的清潔程序即可完成自動清潔。除此之外，在輔助機械手端部設有攝像頭，結合控制系統形成機器視覺系統，可在階段性清潔完成后通過圖像采集及圖像處理檢查清潔效果，對于清潔效果不理想的部位進行單獨清潔。

2.3.3 監測及電控系統

監測及電控系統主要包括主控臺、觸摸屏、控制器、傳感器等，用于實現對設備狀態的監測及控制。控制器是系統的工作核心，控制器通過模擬量信號控制干冰噴射裝置的干冰混合量，通過開關量控制干冰噴射裝置啟停，還可以實時控制和調整噴射壓力大小；通過開關量控制輔助機械手的動作，控制簡單可靠；清潔對象抬升裝置及運送裝置控制單元均采用電動機減速機的形式，采用開關量定速控制；工作過程中，清潔室通風機系統強制排風，二氧化碳濃度傳感器實時探測氣體濃度，一旦超標立即啟動門控聯鎖。監測及電控系統原理圖見圖3。

圖3 監測及電控系統原理圖

3 驗證試驗及工作流程

3.1 驗證試驗

為驗證設備的功能以及獲得清潔時的相關技術參數，需要設計轉向架智能干冰清潔設備驗證性試驗，主要進行了干冰對清潔對象的影響試驗、清潔效果試驗(圖4)、二氧化碳濃度試驗等，詳細內容及試驗結論見表2。

圖4 轉向架智能干冰清潔設備清潔效果試驗

表2 轉向架智能干冰清潔設備清潔效果試驗及結論

3.2 工作流程

在一系列驗證性試驗的基礎上得出了轉向架智能干冰清潔設備的完整工作流程(圖5)，具體如下：

(1) 系統啟動。系統上電,清潔室將進行通風，同時視頻監控器及二氧化碳濃度傳感器開始工作。

(2) 加注干冰。將干冰加注到干冰噴射裝置料斗中。

(3) 運入清潔對象。將待清潔轉向架固定在清潔對象運送裝置上，然后將轉向架推送至清潔室內，當轉向架觸發定位裝置時運送裝置自動停止。

(4) 選擇清潔程序。根據被清潔的轉向架類型選擇清潔程序。

(5) 清潔。清潔啟動后機械手將配合干冰噴射裝置清潔，清潔前關閉清潔室門，同時操作人員根據程序提示操作清潔對象抬升裝置對轉向架進行升降。

(6) 運出清潔對象。清潔完成后清潔室的門將打開，通過清潔對象抬升裝置將轉向架落至最低位，并將轉向架固定在清潔對象運送裝置上，然后將轉向架運出清潔室。

(7) 清潔結束。系統斷電，轉向架清潔結束。

圖5 轉向架智能干冰清潔設備工作流程

4 結論

本文研發的轉向架智能干冰清潔設備具有以下優點：(1)自動化程度高，實現了清潔對象運送、升降以及清潔的自動化，清潔效率可提高15%以上；(2)清潔效果良好，對環境無污染、沒有二次殘留物；(3)設備兼容性好，可兼容地鐵車輛A、B、C型車不同類型的轉向架，針對不同類型的轉向架將存儲不同清潔路徑程序，清潔轉向架時調用對應的清潔程序即可，實現了高度的智能化；(4)清潔對象抬升裝置可以提升單條輪對，另外還可以根據清潔對象的結構形式設計輔助工裝單獨清潔軸箱、電機等[8-9]。