轨道交通车辆转向架智能干冰清洁设备的研制

阳 东，伊建辉，曹晓明，赵 明

(1.天津铁道职业技术学院，天津 300240；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司, 山东 青岛 266031；3.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)

1 转向架检修清洁现状

转向架是轨道交通车辆的核心部件，直接关系到车辆的运行品质及运行安全，车辆运行到一定里程后需要对转向架进行检修，以保证车辆的良好安全运行状态。目前的转向架检修对象以机车车辆、动车组、城轨车辆为主，检修场所主要涉及铁路局车辆段、地铁车辆段以及主机厂等[1-2]。

转向架检修主要涉及构架、轮对、轴箱装置、弹性悬挂装置、制动装置等，常用的清洁方式包括水洗清洁、抛丸清洁，目前以水洗清洁为主，但是水洗清洁完成后会有水渍及清洗剂残留，清洁用水由于含有清洗剂会对环境造成污染且残留清洗剂会腐蚀转向架，清洗之前为防止进水需要拆卸轴箱等部件，增加了清洗工序[3-5]。近年来发展起来的干冰清洁相比其他清洁方式有许多独特的优点，例如没有二次残留物、对环境无污染，对转向架无损伤，清洁时无需拆解电机轴承等部件，无需吹干工序。日本东海公司大阪车辆转向架检查所从2008年开始使用干冰清洁设备清洁新干线车辆的转向架，清洁效果良好。图1为日本新干线转向架干冰清洁原理图。

图1 日本新干线转向架干冰清洁原理图

目前干冰清洁在汽车精密零部件清洁、电力系统绝缘子清洁、橡胶模具清洁、加工制造自动化设备清洁等方面得到了广泛应用，主要是因为这些清洁对象较小、便于实现自动化且干冰对清洁对象无损害。虽然干冰清洁转向架有许多其他清洁方式无法相比的优点，但是干冰清洁转向架的方式并未得到很好的推广应用，尤其在我国还未见利用干冰清洁设备清洁转向架的报道，主要有以下三方面的原因：一是干冰对转向架的影响有待确认；二是二氧化碳的运输、存储及使用均存在一定的危险，使用不当会对人体造成伤害；三是目前已有的干冰清洁设备自动化程度太低、需要人工操作太多。

鉴于干冰清洁转向架方式的多种优点以及目前市场上干冰清洁设备的缺点，需要研制开发一种清洁效果好、自动化程度高、可靠性及安全性良好的智能干冰清洁设备。

2 转向架智能干冰清洁设备的组成与功能

2.1 设备组成

转向架智能干冰清洁设备主要由干冰喷射装置、压缩空气系统、辅助机械手总成、清洁对象运送装置、清洁对象抬升装置、清洁室、控制台等组成，见图2。干冰喷射装置用于向清洁对象以一定的速度和流量喷射干冰颗粒，压缩空气系统为干冰喷射装置提供气源，辅助机械手总成用于夹持干冰喷射装置喷头完成自动清洁，清洁对象运送装置用于将清洁对象运送至清洁工位，清洁对象抬升装置用于抬升清洁对象以便于可以清洁到清洁对象的各部位，清洁室为进行清洁工作的空间，控制台用于整个系统的监测及控制[6-7]。

1.压缩空气系统；2.清洁对象运送装置；3.辅助机械手总成；4.干冰喷射装置；5.控制台；6.清洁对象抬升装置；7.清洁室。

2.2 主要技术参数

以清洁地铁B型车转向架为例，转向架智能干冰清洁设备主要技术参数见表1。

2.3 主要组成部分功能

2.3.1 干冰喷射装置

干冰喷射装置将压缩空气与干冰定量混合后利用高射流专用喷头喷向工件表面去除污垢。干冰喷射装置采用的清洁原材料为固态二氧化碳，固态二氧化碳存储于专用的存储箱(较液态二氧化碳安全性更高)，干冰存储箱存储周期约7天，使用时将存储箱中的干冰添加到干冰喷射装置中。干冰喷射装置喷头夹持在辅助机械手上，由辅助机械手带动喷涂，设备具备自动喷头(由机械手夹持清洁)和手动喷头(人工操作清洁)2种喷头。干冰喷射装置设有与控制台的接口，可在控制台实现对干冰喷射装置的实时控制，主要控制量包括干冰喷射装置的启停、压力、喷冰量等。

干冰清除污垢的原理是：通过压缩空气将低温干冰颗粒加速后喷射至被清洁部件表面，干冰颗粒以一定的动能冲击污垢，由于具有不同热膨胀系数的不同材料间的温差会破坏材料的结合，因此表面污垢突然降温后会导致污垢脆化破裂。同时，会有一些细小干冰颗粒进入出现裂缝的污垢内，干冰颗粒在迅速升华时，其体积膨胀700倍左右，会产生一定的爆炸冲击，从而将污垢从清洁部件表面剥离。需要说明的是由于干冰硬度不大，并且又是在冲击瞬间气化，因此不会因为干冰颗粒的冲击对被清洁部件表面造成损伤；另外干冰清洁部件时降温只是发生在材料表面，不会因为低温造成材料的性能发生变化。

2.3.2 辅助机械手总成

辅助机械手总成用于夹持干冰喷射装置喷头完成喷涂。辅助机械手设有与控制台的接口，可通过标准接口实现对辅助机械手的控制。每种新型转向架使用前需要先形成该种类型转向架的清洁程序，通过对辅助机械手示教，根据清洁效果确定转向架每个清洁点的喷射距离、喷射压力、喷射流量、清洁速度等参数，从而形成完整的清洁程序，针对不同类型的转向架清洁时调用对应的清洁程序即可完成自动清洁。除此之外，在辅助机械手端部设有摄像头，结合控制系统形成机器视觉系统，可在阶段性清洁完成后通过图像采集及图像处理检查清洁效果，对于清洁效果不理想的部位进行单独清洁。

2.3.3 监测及电控系统

监测及电控系统主要包括主控台、触摸屏、控制器、传感器等，用于实现对设备状态的监测及控制。控制器是系统的工作核心，控制器通过模拟量信号控制干冰喷射装置的干冰混合量，通过开关量控制干冰喷射装置启停，还可以实时控制和调整喷射压力大小；通过开关量控制辅助机械手的动作，控制简单可靠；清洁对象抬升装置及运送装置控制单元均采用电动机减速机的形式，采用开关量定速控制；工作过程中，清洁室通风机系统强制排风，二氧化碳浓度传感器实时探测气体浓度，一旦超标立即启动门控联锁。监测及电控系统原理图见图3。

图3 监测及电控系统原理图

3 验证试验及工作流程

3.1 验证试验

为验证设备的功能以及获得清洁时的相关技术参数，需要设计转向架智能干冰清洁设备验证性试验，主要进行了干冰对清洁对象的影响试验、清洁效果试验(图4)、二氧化碳浓度试验等，详细内容及试验结论见表2。

图4 转向架智能干冰清洁设备清洁效果试验

表2 转向架智能干冰清洁设备清洁效果试验及结论

3.2 工作流程

在一系列验证性试验的基础上得出了转向架智能干冰清洁设备的完整工作流程(图5)，具体如下：

(1) 系统启动。系统上电,清洁室将进行通风，同时视频监控器及二氧化碳浓度传感器开始工作。

(2) 加注干冰。将干冰加注到干冰喷射装置料斗中。

(3) 运入清洁对象。将待清洁转向架固定在清洁对象运送装置上，然后将转向架推送至清洁室内，当转向架触发定位装置时运送装置自动停止。

(4) 选择清洁程序。根据被清洁的转向架类型选择清洁程序。

(5) 清洁。清洁启动后机械手将配合干冰喷射装置清洁，清洁前关闭清洁室门，同时操作人员根据程序提示操作清洁对象抬升装置对转向架进行升降。

(6) 运出清洁对象。清洁完成后清洁室的门将打开，通过清洁对象抬升装置将转向架落至最低位，并将转向架固定在清洁对象运送装置上，然后将转向架运出清洁室。

(7) 清洁结束。系统断电，转向架清洁结束。

图5 转向架智能干冰清洁设备工作流程

4 结论

本文研发的转向架智能干冰清洁设备具有以下优点：(1)自动化程度高，实现了清洁对象运送、升降以及清洁的自动化，清洁效率可提高15%以上；(2)清洁效果良好，对环境无污染、没有二次残留物；(3)设备兼容性好，可兼容地铁车辆A、B、C型车不同类型的转向架，针对不同类型的转向架将存储不同清洁路径程序，清洁转向架时调用对应的清洁程序即可，实现了高度的智能化；(4)清洁对象抬升装置可以提升单条轮对，另外还可以根据清洁对象的结构形式设计辅助工装单独清洁轴箱、电机等[8-9]。