铁路货车车钩清洗设备设计的新方式

任 帅，石建刚

（国能铁路装备有限责任公司包头车辆维修分公司，内蒙古包头 014060）

0 引言

工业清洗分为一般的工业清洗、精密工业清洗和超精密工业清洗等，一般工业清洗主要是对车辆、轮船和飞机表面进行清洗，只能去除较大的污垢；精密工业清洗，包括对各种产品加工过程中的清洗、各种材料和设备表面的清洗，能够去除微小污垢；超精密工业清洗是对机械零件电子元件光学部件等实施的针对性清洗，是消除非常精细的污垢。在清洗时用到的方法主要有物理法和化学法，围绕着机械设备表面的实际情况展开针对性的清洗，才能够使设备有效地工作。

1 工业清洗基本情况概述

随着经济的发展，工业清洗行业作为工业的重要组成部分，也得到了快速发展，我国的工业清洗行业最初是为石油化工和能源电力工业提供清洗服务，清洗的主要目的是为了节能降耗，提高设备的利用效率。当前清洗行业已经从这些重点工业城市开始向中小型城市发展，成为社会的服务性行业，这一发展标志着我国的工业清洗行业有着较大的清洗市场。在清洗过程中，最常用到的方法就是物理清洗法和化学清洗法，物理清洗是借助于力学光学电学热学的原理，依靠外来能量作用，去除物体表面污垢。化学清洗是借助化学反应，利用化学药品和溶剂清除物品表面的污垢。当前还有电子清洗除垢法，它的原理是通过电场改变水的分子结构，达到除去污垢的目的。静电除垢法和电子除垢的原理基本相同，但是静电是利用静电场的作用，而不是电子的作用。经过清洗后，设备能够高效投入生产中使用[1]。

2 铁路货车车钩清洗设备设计概述

车钩是连接机车和车辆车辆与车辆之间的重要部件，尤其是铁路货车在运煤的过程中，整个车钩会积累大量的煤尘，久而久之就会形成污垢。尤其是在冬季，煤尘和相关的一层固化剂混合，给整个车钩戴上一层厚厚的壳，如果在检修过程中，外部的壳不慎落入传动机械将会引发各类事故，也会给整个车辆的正常行驶带来影响。整个车钩结构是非常复杂的，依靠人工难以清理，当前对于铁路货车车钩的清理方式还是以人工刷洗或者是高压水冲为主，这样的清洗作业不仅难度更大，而且效果非常不理想，在清洗过程中也会给整个环境带来破坏，直接影响了铁路车辆的正常运输，利用高压水冲洗时占地空间大，整个过程耗时费力，还会对水资源造成严重浪费。面对这些情况，在当前背景下，探究一种新型的节能环保清洗设备，对货车车钩展开清洗，是行业发展的需要，因此结合实际情况，提出铁路货车车钩的蒸汽清洗方式，这种方式能够有效克服传统清洗方式的不足。

3 全自动铁路货车车钩蒸汽清洗机的设计

围绕该技术设计展开分析主要是由蒸汽发生器、三轴滑台组（也被称作机械手）、伺服电机、编程控制器、人机界面和电气控制系统等组成。这种装置结合了新时代的实际情况，借助全自动化模式实现了车钩的拆装后在线清洗，即刻清洗，对水资源消耗不大，具备环保的价值[2]。

3.1 蒸汽发生器

蒸汽发生器是利用燃料或其他能源把水加热为热水或蒸汽的设备，这种容器在干洗店、洗车店、饭店都非常常见。蒸汽发生器是根据燃料进行分类，分为了电蒸汽、燃油蒸汽和燃气蒸汽等，基本工作原理就是利用一套自动控制装置，保障其运行过程中液体控制器实现正常的工作。在整个蒸汽发生器中，最重要的就是其供水系统，供水系统要源源不断地供给干燥蒸汽，让水源进入水箱后打开电源开关，然后耐高温电阀打开水泵进行工作。整个供水系统中最主要的部位是水泵，大部分采取较高压力或较大流量的多级旋涡泵，很少有一部分采取膜片泵或叶片泵。液位控制器是整个发生器自动控制中的神经系统，就相当于人脑中的神经，它分为电子式和机械式两大类，本文设计中主要利用的蒸汽发射器无炉胆、设有水箱，使用更加的安全，通过电磁感应换热技术，加热速度快，开机10 s 左右就能出蒸汽。一般的蒸汽发生器需要10 min 以上才能够正式工作，而普通的煤炉需要0.5 h 以上才能够发出蒸汽。在本文介绍的蒸汽加热器中，核心部分水电分离不会出现漏电事故，不会给人身安全造成影响。这种电磁蒸汽发生器比锅炉更加节能，节能达到50%以上，比普通的电热锅炉节能高达20%以上。

3.2 XYZ 三轴滑台组（机械手）

小型企业可以通过选择伺服线性模组，这种模组可以和单轴或三轴组合应用，比传统人工效率高出几倍，价格也不高，是性价比较好的自动化设备。线性模组的概念就是指在自动化工业领域能够完成直线运动设备的总称，它是在自动化工业中相对基础的一种设备，线性模组还有一个别称叫做定位模组，能够通过卧式或立式应用，在自动化作业中通常被称作为是XY 轴或XYZ 轴。这种模组在应用时根据实际情况会进行不同的组合类型，较常见的组合是十字组合和悬臂组合等。能够结合实际工作情况进行应用，在当前随着该类装置在工业应用中的逐渐增多，多轴直角坐标机械手得到了广泛应用。

这种直角坐标机械手的特点就是可靠性、速度精度都非常高，非常灵活。因为操作工具不同，所具备的功能也不同，能够自动控制也可以重复编程，所有的运动都可以按照程序进行操作，能够在恶劣环境下长期工作，维修十分容易。

3.3 伺服电机

指的是在整个系统中控制机械元件运转的发动机，这一电机能够控制速度位置精确度，将电压信号转化为转矩和转速以驱动的对象[3]。这个工作过程可以这样来理解，整个伺服电机接收到一个脉冲就会旋转一个脉冲对应的角度实现了位移伺服电机本身，它具备发出脉冲作用的，所以每个伺服电机每旋转一个角度都会发射出相关数量的脉冲，这样整个电机之间就形成了一个呼应。系统就可以了解具有多少脉冲发给了伺服电机，又接收到多少脉冲，实现精准控制电机转动的作用，精度可以达到0.001 mm，这样的细微数据几乎可以忽略不计，说明它的精准度已经达到极高的程度。交流伺服电机是无刷电机，分为同步和异步，当前控制运动的大部分是同步电机的，功率范围很大，还能够保持高度的稳定性。

3.4 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器简称PLC，一般利用可编程的储存器，用于其内部储存程序执行运算，做好对整个顺序的控制，也有定时技术等相关的作用，通过数字或模拟输入相关的生产过程，就能够控制整个工业生产。在进行操作的过程中具有显著特点，操作非常方便，编程很简单，主要是以简单的梯形图逻辑图语句等编程语言，不需要专业的计算机知识。所以这些情况就决定了整个系统开发周期很短，在现场调试非常容易，能够结合现场实际情况进行操作，同时这种程序可以在线修改。在修改时可以改动方案，不拆除相关的硬件，这种可编程逻辑控制器整体功能强，性价比很高，一台小型的可编程逻辑控制器内有成千上万个供用户使用的编程元件。性价比也非常高，相关的硬件配套齐全，用户经过简单的修改程序，就能够满足各种实际条件下的工作需要。它的可靠性极高，抗干扰能力很强，利用一系列的硬件软件抗干扰措施能够平均无故障高达万小时以上。已经被认为是工业控制中最可靠的设备之一，这种可编程逻辑控制器解决了继电器控制中的问题，降低工作量，即使出现了问题，维修时也非常的方便。

3.5 人机界面

人机界面简称HMI，又称用户界面或使用者界面，是使用者和计算机之间进行信息传递沟通的有效渠道，也是整个系统中非常重要的组成部分。该界面分为输入和输出两部分，输入从名称上来理解，就是使用者对机械设备进行相关操作，下达指令。输出就是机械出现故障之后提出的故障警告操作说明提示等。了解了人机界面的具体作用，能够帮助设备实现更好的使用。这种以PLC 和HMI 为控制核心的车钩自动清洗机设置，以蒸汽作为能源，实现了车钩的自动化清理，整个作业过程非常安全可靠，而且便于对现场进行相关的检查[4]。

3.6 电气控制系统设计

电气控制系统的设计也是非常关键的，整个全自动蒸汽车钩清洗机的电气控制系统完全集中到了控制柜中。主要分为手动控制模式和自动控制模式两种，手动控制模式和自动控制模式之间是紧密联系的手动控制模式，可以实现对其三轴滑台组单动和各个轴分别回原点的控制，还能够单独围绕蒸汽发生器内各部分的动作控制，还可以对清洗室门的动作进行控制。自动控制模式就是选择该种模式后，围绕着具体的车钩型号，点击自动清洗系统，进入到自动运行状态，展开相关的检测，带动车钩进行清洗，完成后将其放回原点，蒸汽发生器停止工作。在这样的流程中，根据设备的具体情况，选择PLC 控制模块，选择相关的伺服驱动器，在整个系统中，相关的控制软件设计主要包括了PLC 程序编写与HMI 界面编制，这两部分之间通过寄存器传递数据，实现数据的采集工艺和对整个流程的监管，如图1 所示。系统软件调试过程中，一定要现场调试，结合现场工作实际情况确定相关参数正确性。

图1 车钩清洗程流程

4 全自动铁路货车车钩蒸汽清洗机的具体应用

全自动铁路货车车钩蒸汽清洗机结构组成分为4 个部分：喷头机构、蒸汽发生装置、车钩仿形系统和清洗房。

喷头机构使专用的喷头装置可以达到360°无死角喷气，蒸汽发生装置采用的是即热式的蒸汽发生机，利用饱和蒸汽的高温和外加高温，实现对零件表面物质的汽化蒸发，还能够对其中任何细小的孔洞进行有效的清洗，清除其中的残留物，达到高效节水洁净的最终效果。它能够有效代替对水资源的浪费，清洗压力能够达到20 kg，整个操作过程不会给环境带来二次污染[5]。车钩仿形系统是利用超声波测距传感器对车钩在清洗房中的位置做好具体检测，便于车钩反复清洗。清洗房整个采取的是不锈钢材质设置，有相关的检修门，方便检修者对整个设备进行检修。工作流程就是清洗室对车钩进行定位后，由超声波测定具体的位置，控制相关的模块展开具体的清洗工作。

蒸汽喷射压力高达20 kg，设备功率32 W，利用AC 380 V供电。该设备的工作效率非常高，有着节能环保的作用，水泵进出口都设置有压力开关，热交换器内部也有堵塞自动感应装置，控制水泵电机的工作，保护整个供水系统。设备还具有防干烧保护装置，如果水位不足，内置的水位阀就会自动或手动补充水分，缺水也会有一定的提示，还有流量控制功能，对水泵整体工作情况进行全面监管。其中的喷射装置共有8 个喷头，分别在左右两侧和上边，能够实现360°无死角清洗。

车钩仿形系统采用三组直线模组搭建而成，龙门样式，X/Y轴为齿轮齿条传动，Z 轴为丝杠传动。三轴均配伺服电机+减速机控制，电机功率均为750 kW，减速机为1∶10 精密减速机，滑台组X、Y、Z 三轴的工作行程分别为2100 mm、1600 mm、800 mm。声波测距传感器[6]。传感器具备防尘防水功能，防护等级IP67，安全性有极大的保障。

车钩定位装置的作用是车进入时对车钩在清洗室内的位置进行宏观定位，方式是在清洗室门口设置两根导向柱。需要驾驶员将车沟放置在两根导向柱之间，然后相关的拆卸装置会将其拆卸放到清洗室内清洗。整个过程的定位就是依靠将车钩靠近高度定位台，实现了定位。不锈钢清洗室内具有自动清洁功能，能够对其做好相关清洁，同时整个清洗室都设置滑道，能够便于最终的清洗，方便蒸汽从侧面抽出，让雾气顺利排出外间。

5 结束语

综上所述，围绕着工业清洗发展的基本情况，本文重点对铁路货车车钩清洗设备的设计展开概述。这样的全自动化是符合当前社会发展现状的，同时该清洗设备在具体运行的过程中，如果出现了各种问题通过手动页面按停止动作就可以停止，其中设置的红外测距感应器的感应装置能够实现测量距离远高频率响应，让装置在恶劣环境下工作。在未来这种清洗设计方式还会得到不断的完善提升，更加智能化，满足社会对工业清洗的要求。