何武山

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 研究背景

我國高鐵運行速度高(最高達350 km/h)、交路長(最長超2 700 km)，長期在復(fù)雜嚴(yán)苛工況下工作的動車組列車須定期到動車段、所進行可靠檢修才能保證列車運行安全。動車組由大量復(fù)雜精細的零部件組成，零部件檢修是動車組檢修的重要內(nèi)容，而對零部件進行有效清洗是進行檢修作業(yè)的前提。

根據(jù)動車組檢修規(guī)程，動車組檢修包括一、二、三、四、五級修，其中四、五級修須將轉(zhuǎn)向架分解為構(gòu)架、輪對、電機等部件并分別對各部件進行檢修[1]。轉(zhuǎn)向架部件是動車組最復(fù)雜的零件，其清洗是檢修過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是后續(xù)探傷等工序的先決條件。轉(zhuǎn)向架零部件數(shù)量多、形狀復(fù)雜、質(zhì)量體積大、污垢特性多樣，清洗工作量大、難度高。

目前，國內(nèi)動車段對轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件清洗所采用的工藝為:利用天車等運輸工具將部件轉(zhuǎn)運至清洗工位后通過清洗機或人工(雖然已研發(fā)部分清洗設(shè)備[2-3]，但效果欠佳)進行清洗，且清洗工位分散布置在檢修庫的各部件檢修流水線上，既有清洗現(xiàn)狀如圖1所示。

此種清洗模式及工藝主要存在三個問題:

(1)清洗過程尤其是部件轉(zhuǎn)運需消耗巨大的人力物力，作業(yè)人員勞動強度大。

(2)清洗過程主要依賴人工，清洗效率不高導(dǎo)致影響整條檢修線的效率，還會因清洗質(zhì)量不達標(biāo)造成檢修線工藝回流。

(3)敞開、地攤式清洗作業(yè)方式影響了整個轉(zhuǎn)向架檢修庫的作業(yè)環(huán)境。

截至2020年底，我國配屬動車組已超4 000個標(biāo)準(zhǔn)組。隨著我國高鐵進一步發(fā)展，配屬動車組繼續(xù)增加，部件清洗工作量也相應(yīng)增加，傳統(tǒng)清洗模式效率不足的問題已逐步成為制約各動車段檢修能力的一大瓶頸，影響了動車組的周轉(zhuǎn)效率。

2 部件清洗基礎(chǔ)技術(shù)研究

2.1 部件清洗工作量分析

按照全國動車組保有量4 200列測算，平均每年約需完成840列動車組的四級修和420列動車組的五級修，則有1 260列動車組轉(zhuǎn)向架部件需要清洗，年均轉(zhuǎn)向架清洗工作量為20 160臺。每臺轉(zhuǎn)向架又可分解為零部件，這些零部件在檢修過程中均需進行充分清洗。

目前，全國承擔(dān)動車組檢修作業(yè)的動車段共有七座，假設(shè)上述部件的清洗工作全部集中在全國七大動車段內(nèi)，則平均每個動車段每天的轉(zhuǎn)向架清洗工作量約為12臺。清洗工作量分解后的主要零部件清洗作業(yè)量如表1所示，清洗工作量巨大。

表1 動車段日均部件清洗工作量測算

2.2 動車組部件污垢及特點分析

(1)外部沉積物:空氣中的顆粒如塵埃、昆蟲尸體等附著在被油脂污染的零件表面上，由于動車組運行速度高，轉(zhuǎn)向架上的外部沉積物附著力大。

(2)油污:潤滑油發(fā)生老化，氧化聚合后的產(chǎn)物包括機油、焦油、碳質(zhì)瀝青和灰粉等。

(3)銹垢:由于金屬和合金的化學(xué)、電化學(xué)破壞而形成。

轉(zhuǎn)向架上不同部件，其污垢類型及特性有所不同。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架表面主要為外部沉積物污染，且由于動車組運行速度高其污漬結(jié)合力較大；輪對的主要污垢與構(gòu)架相似，但因長期與軌道直接接觸更易產(chǎn)生銹垢；電機清洗分定子和轉(zhuǎn)子，定子外表面直接接觸外部環(huán)境，污染物以沉積物為主，內(nèi)表面較為干凈，轉(zhuǎn)子則因轉(zhuǎn)軸的存在而會附著潤滑脂等油污。轉(zhuǎn)向架部件主要污垢類型及特性[4]如表2所示。

表2 污垢特性分析

2.3 清洗工藝研究

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研并參照機車大部件清洗模式[5]，轉(zhuǎn)向架部件清洗宜采用壓力噴射清洗。該清洗方式在工件四周布置若干噴嘴，通過強去污能力的水基清洗液、水和清洗壓力對工件表面噴射液流，即對工件表面進行沖刷清洗以去除污物。水射流清洗常用參數(shù)[6-7]如表3所示。

表3 水射流清洗參數(shù)

表3 中:vt為水射流速度，m/s；qt、q為水射流流量，L/min；p為水射流壓力，MPa；d為噴嘴出口直徑，mm；μ為流量系數(shù)；p為水射流功率，W；F為水射流反沖力，N。

2.4 部件清洗機設(shè)計

目前，因缺乏高質(zhì)、高效部件自動清洗機，國內(nèi)各動車段對轉(zhuǎn)向架零部件清洗以人工方式為主，而人工清洗模式效率較低且作業(yè)環(huán)境差。研發(fā)高質(zhì)、高效自動清洗機是解決既有清洗模式問題的前提。

部件清洗機設(shè)計主要包括機械結(jié)構(gòu)、噴淋系統(tǒng)及現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計三部分。

機械結(jié)構(gòu)是清洗機的基礎(chǔ)，由支持框架結(jié)構(gòu)、洗刷動力系統(tǒng)(電動機、傳動系統(tǒng)等)及執(zhí)行機構(gòu)組成。

噴淋系統(tǒng)是實現(xiàn)射流清洗的核心部件，由管路系統(tǒng)、水泵及噴嘴組成，其設(shè)計包括管路設(shè)計及水泵和噴嘴的選型。噴嘴選型與部件的污垢特性息息相關(guān)，不同部件清洗機的噴嘴形狀、布置均不同，選擇合適的噴嘴形狀并進行合理排布是實現(xiàn)良好清洗效果的關(guān)鍵。

控制系統(tǒng)是部件清洗機設(shè)計的重點，其以可編程控制器為核心，采用各種傳感器對清洗的位置信號、故障信號等進行檢測，實現(xiàn)對清洗機的有效控制，確保清洗任務(wù)順利完成。

典型的電機清洗機結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

3 智能清洗中心系統(tǒng)方案研究

為解決傳統(tǒng)“敞開、地攤”式清洗存在的問題，本文提出轉(zhuǎn)向架部件智能清洗中心系統(tǒng)方案。

3.1 智能清洗中心系統(tǒng)組成

智能清洗中心為一個完全用于部件清洗的封閉空間，設(shè)置在動車段內(nèi)合適位置。為取代人工清洗，智能清洗中心設(shè)置構(gòu)架、輪對、牽引電機等各類部件清洗機；高效的零部件上下料及轉(zhuǎn)運系統(tǒng)可為高效清洗提供保障；同時，智能清洗中心還設(shè)有智能運維及污水集中處理系統(tǒng)。

3.1.1 各類零部件清洗機

“機洗代替人洗”是實現(xiàn)動車段“減員增效”、降低勞動強度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。部件清洗機的種類應(yīng)能兼容轉(zhuǎn)向架各種形狀、尺寸的零部件，部件清洗機的數(shù)量應(yīng)能匹配動車段內(nèi)轉(zhuǎn)向架部件的檢修能力。具體來說，應(yīng)針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對、電機定子轉(zhuǎn)子、小型零部件分別配置專用清洗機。各清洗機數(shù)量應(yīng)按照一定的比例配置，該比例根據(jù)各部件的清洗時間及一臺轉(zhuǎn)向架中各部件的比例確定，而數(shù)量則與動車段的檢修能力、主檢修庫至智能清洗中心的部件流轉(zhuǎn)時間等因素有關(guān)。

3.1.2 零部件智能運輸AGV系統(tǒng)

為實現(xiàn)零部件從轉(zhuǎn)向架庫到智能清洗中心、智能清洗中心內(nèi)部及由智能清洗中心回到檢修流水線的高效運輸，采用智能工件轉(zhuǎn)運系統(tǒng)——自導(dǎo)引AGV運輸車。主檢修庫與智能清洗中心之間及智能清洗中心內(nèi)部設(shè)有AGV運輸通道，AGV可在通道上沿預(yù)定路線行走，完成零部件快速運輸。

轉(zhuǎn)向架部件質(zhì)量大、形狀復(fù)雜，AGV運輸車須進行專用設(shè)計。AGV運輸車由供電儲能系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、調(diào)度仿真系統(tǒng)和安全系統(tǒng)組成[8-9]。

驅(qū)動及其控制系統(tǒng)是AGV實現(xiàn)自主運動的直接執(zhí)行機構(gòu)；導(dǎo)航定位系統(tǒng)[10]可確保AGV運輸零部件沿著正確的軌跡行走；調(diào)度系統(tǒng)是AGV無人運輸系統(tǒng)的指揮中樞，其與每一輛AGV小車保持實時通訊，指揮運輸車高效完成運輸作業(yè)。智能清洗中心內(nèi)的AGV運輸車通訊網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

安全系統(tǒng)由安全掃描傳感器、緊急停止按鈕、安全PLC等組成。其中，安全掃描傳感器具有廣闊的掃描角度，同時具有雙重或以上的安全距離識別能力，以在較遠距離判斷目標(biāo)位置并及時做出正確反應(yīng)，確保運輸安全。

3.1.3 自動上下料系統(tǒng)

傳統(tǒng)部件清洗轉(zhuǎn)運主要依賴人力。智能清洗中心設(shè)置自動上下料桁架機械手[11-12]，具備與AGV系統(tǒng)互聯(lián)的接口，實現(xiàn)零部件由AGV到清洗工位清洗機的無人轉(zhuǎn)運。上下料機械手通過設(shè)置在清洗中心內(nèi)的導(dǎo)軌實現(xiàn)平面方向的靈活移動，并具備豎向移動功能，從而實現(xiàn)任意位置AGV運輸車上零部件的抓取。

3.1.4 大部件補洗區(qū)

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的最大部件，其表面積大、外形復(fù)雜，清洗中需專用工裝支撐，難免遮擋部分清洗噴嘴，很難通過清洗機一次作業(yè)實現(xiàn)構(gòu)架的徹底清洗。為此，智能清洗中心設(shè)置大部件(構(gòu)架)補洗區(qū)，實現(xiàn)清洗死角的徹底清潔。

3.1.5 污水集中處理及回用系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架部件的清洗介質(zhì)為化學(xué)清洗劑與水按照一定比例組合的混合液，清洗后的廢水會產(chǎn)生大量油污等物質(zhì)，為嚴(yán)重污染物。為實現(xiàn)廢水集中處理，智能清洗中心設(shè)置污水集中處理及回用系統(tǒng)，各清洗機上均設(shè)有與污水集中處理站連通的排水及回水管。管道及污水處理站均為密閉系統(tǒng)，避免了對作業(yè)環(huán)境的影響。

3.1.6 基于BIM的資產(chǎn)運維管理系統(tǒng)

為統(tǒng)籌智能清洗中心內(nèi)各子系統(tǒng)，智能清洗中心設(shè)置一套統(tǒng)籌監(jiān)控系統(tǒng)——基于BIM的資產(chǎn)運維管理系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)基于智能清洗中心的BIM模型構(gòu)建，并與整個動車段的資產(chǎn)運維管理平臺關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)資產(chǎn)的信息傳遞交互和集成共享。資產(chǎn)運維管理系統(tǒng)還可以監(jiān)控各個子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)間的任務(wù)，提高清洗中心整體運行效率，并對關(guān)鍵運行參數(shù)異常及時報警。

3.2 智能清洗中心工藝研究

根據(jù)動車組檢修規(guī)程，轉(zhuǎn)向架檢修工藝復(fù)雜，但可概括為五大過程:整體預(yù)清洗、拆解為各部件、各部件清洗、各部件檢修、修竣后的部件組裝。

目前，全國各動車段內(nèi)均設(shè)有轉(zhuǎn)向架檢修庫，并設(shè)有轉(zhuǎn)向架部件檢修流水線，包括構(gòu)架線、輪對線、電機線等。在傳統(tǒng)模式下，各部件清洗工位分散設(shè)置在各自檢修流水線內(nèi)，其與智能清洗中心的轉(zhuǎn)向架檢修工藝本質(zhì)區(qū)別在于轉(zhuǎn)向架在分解為構(gòu)架、輪對等部件后，分別運輸至智能清洗中心進行集中清洗，取代了在各零部件檢修線上分別設(shè)置清洗工位的分散清洗方式?；谥悄芮逑粗行牡霓D(zhuǎn)向架檢修工藝流程如圖4所示。其中部件在各檢修線與智能清洗中心的運輸均通過自導(dǎo)引AGV實現(xiàn)。

3.3 智能清洗中心總體布局

智能清洗中心即前述零部件清洗機、AGV智能運輸、自動上下料等系統(tǒng)和部件的系統(tǒng)組合。為實現(xiàn)智能清洗中心的高效工作，需對各系統(tǒng)進行合理布局，為此對智能清洗中心的總體布局進行研究，提出其總體布局如圖5所示。

智能清洗中心設(shè)有零部件入口、AGV運輸主通道及零部件出口，出入口設(shè)在對側(cè)避免了AGV運輸車的路線相互交叉，AGV運輸主通道設(shè)在中間，各零部件清洗機設(shè)在通道兩側(cè)。清洗中心內(nèi)設(shè)有零部件緩存區(qū)，以提高應(yīng)急能力。桁架機械手可實現(xiàn)清洗部件自動抓取、傳輸。清洗中心的一角設(shè)有調(diào)度監(jiān)控室，對各部件、系統(tǒng)的運行情況進行實時監(jiān)控；另一角設(shè)有污水集中處理區(qū)，與每一臺清洗機通過管道連通，可實現(xiàn)清洗污水的集中處理、回用。

4 總結(jié)

本文從分析既有動車組轉(zhuǎn)向架部件清洗模式存在的問題出發(fā)，針對清洗過程中的痛點提出了一種新的部件清洗工藝及方法——基于智能清洗中心的部件清洗工藝，該模式可解決傳統(tǒng)敞開式清洗導(dǎo)致的問題，提高部件清洗質(zhì)量、效率，同時可減少清洗過程的人員消耗，適應(yīng)我國鐵路“減員、增效”的發(fā)展方向，可在全國各大動車段及從事部件檢修工作的主機廠推廣應(yīng)用。