代 剛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

截至2021年9月底，我國城市軌道交通運營城市達到49個，運營線路累計長度已超過8 500 km[1]。城市軌道交通的快速發(fā)展給車輛檢修帶來了巨大壓力，而吹掃作業(yè)是車輛檢修前必不可少的環(huán)節(jié)，主要采用人工目視為主、輔以簡單工具的方法，基于檢修人員的健康考慮，作業(yè)前必須穿戴防護服及呼吸器，但仍存在作業(yè)時庫內(nèi)灰塵大、作業(yè)環(huán)境惡劣且對周邊環(huán)境有一定污染等問題。因此，提出一種智能吹掃系統(tǒng)，能極大程度地減輕人工作業(yè)強度和減小環(huán)境污染。

1 車輛基地吹掃工藝現(xiàn)狀

以蘇州軌道交通1號線天平車輛段吹掃作業(yè)為例，現(xiàn)有車輛基地吹掃運營使用情況如下。

①吹掃作業(yè)條件較差

根據(jù)工藝檢修的要求，吹掃股道外側(cè)為1.0 m或1.1 m寬地溝，內(nèi)側(cè)為1.4 m或1.5 m深地溝，外側(cè)地溝設(shè)置雙層作業(yè)平臺，內(nèi)側(cè)地溝設(shè)置排水溝，可供吹掃作業(yè)的空間條件較為狹小。

②車底元器件復(fù)雜

車下零部件較多，吹掃作業(yè)空間有限，吹掃作業(yè)時需提前規(guī)劃路徑?，F(xiàn)有吹掃作業(yè)工藝及設(shè)備普遍存在作業(yè)效率低、強度大、環(huán)境差的三大難題。

蘇州軌道交通1號線天平車輛段采用了“人工采用壓縮空氣風(fēng)槍吹+底部吸塵”的設(shè)計方案，如圖1所示。

圖1 蘇州軌道交通1號線天平車輛段吹掃庫

該方案雖在一定程度上改善了作業(yè)環(huán)境，但工作人員仍需穿戴防護服及呼吸器，特別是夏天，一次作業(yè)完成會全身汗?jié)?，人性化不佳且底部吸塵效果有限；基于蘇州軌道交通1號線吹掃設(shè)備的使用情況，經(jīng)多次調(diào)研與論證，受當時設(shè)備技術(shù)發(fā)展水平限制，蘇州軌道交通2號線太平車輛段、4號線松陵車輛段、3號線滸墅關(guān)車輛段及5號線胥口車輛段的吹掃設(shè)備均采用了全人工采用壓縮空氣風(fēng)槍吹且不考慮除塵的簡易設(shè)置方案，并延用至今[2]。

國內(nèi)主要城市軌道交通吹掃工藝的設(shè)備配置與使用情況如表1所示。

表1 國內(nèi)部分城市車輛吹掃作業(yè)情況統(tǒng)計

以上城市運營部門均針對吹掃作業(yè)存在的三大難題進行了多年的持續(xù)探索，因車底結(jié)構(gòu)復(fù)雜且灰塵分布不均勻，效果均不符合預(yù)期，難以實現(xiàn)無人化作業(yè)。

2 智能吹掃工藝必要性分析

2.1 吹掃作業(yè)簡介

現(xiàn)有的吹掃作業(yè)流程：①列車入庫，根據(jù)檢修及日常保養(yǎng)要求，列車入庫停放；②拆卸車下主要箱體蓋體，由總裝組負責拆除車下重點吹掃部件的底架或蓋體；③車下吹掃作業(yè)，吹掃人員穿著防護服進入車底進行車下吹掃作業(yè)；④吹掃作業(yè)結(jié)束，吹掃作業(yè)完畢，吹掃人員撤離現(xiàn)場；⑤恢復(fù)車下箱體蓋體，總裝人員安裝重點吹掃部件的底架或蓋體，列車出庫。

2.2 不同吹掃作業(yè)方式

吹掃作業(yè)方式一般包含全自動、半自動及人工吹掃3種。部分文獻提出人工吹掃+半封閉式+脈沖袋式除塵、自動吹掃結(jié)合人工輔助吹掃+脈沖袋式除塵、人移動式吹掃+除塵設(shè)備3種吹掃作業(yè)方式[3]；還有提出一種密閉式吹掃除塵系統(tǒng)[4]，除塵效果較好，但仍需人工作業(yè)，某車輛段人工作業(yè)吹掃情況如圖2所示。

圖2 某車輛段人工吹掃作業(yè)

因車輛下部結(jié)構(gòu)死角偏多，采用人工吹掃可一次性有效清除浮灰，但作業(yè)勞動強度大，作業(yè)時塵土飛揚，污染作業(yè)環(huán)境。

2.3 智能吹掃工藝必要性分析

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，制造成本不斷降低，而其質(zhì)量與性能卻在迅速提高，使得將機器人應(yīng)用于城市軌道交通車輛吹掃成為可能[5]。

為從根本上解決城市軌道交通車輛吹掃作業(yè)面臨的難題，亟需從吹掃工藝布局、設(shè)備研發(fā)等方面制定吹掃作業(yè)標準化作業(yè)流程和研究智能化吹掃系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)[6]，以達到提高作業(yè)效率、改善作業(yè)環(huán)境、降低作業(yè)人員勞動強度的目的。

3 智能吹掃技術(shù)方案與仿真分析

3.1 智能吹掃系統(tǒng)總體技術(shù)方案

3.1.1 分離式吹掃系統(tǒng)

分離式吹掃系統(tǒng)由走行驅(qū)動系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、除塵過濾系統(tǒng)、風(fēng)簾系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成[7-8]。其中，吹塵系統(tǒng)、除塵過濾系統(tǒng)、走行驅(qū)動系統(tǒng)布置在地鐵列車底部運行軌道正下方的一部移動小車上(運行方向與地鐵走行軌道平行)，在地鐵鋼軌兩邊安置有一套兩組風(fēng)簾，呈對稱分布。如圖3、圖4所示。

圖3 分離式吹掃系統(tǒng)縱向示意

圖4 分離式吹掃系統(tǒng)剖面

吹掃機器人由吸塵系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、走行機構(gòu)、尾部風(fēng)簾組成[9]，如圖5所示?？梢钥闯觯蛛x式吹掃系統(tǒng)從一定程度上可以改善吹掃作業(yè)環(huán)境，減少人工吹掃工作量，但需要額外占用空間設(shè)置風(fēng)簾系統(tǒng)、空壓機，且吹掃過程需人工干預(yù)，吹掃作業(yè)未完全實現(xiàn)智能化。

圖5 吹掃機器人結(jié)構(gòu)

3.1.2 集成式智能吹掃系統(tǒng)

集成式智能吹掃系統(tǒng)通過對城市軌道交通吹掃作業(yè)流程、吹掃指標調(diào)研及梳理，結(jié)合吹掃庫工藝布局及吹掃作業(yè)特點，在車輛進行吹掃作業(yè)時，針對列車吹掃現(xiàn)有工藝主要存在效率低、勞動強度大、作業(yè)環(huán)境惡劣等問題，基于列車信息模型和數(shù)據(jù)處理技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，提出吹掃機器作業(yè)完全代替人工的解決方案，開發(fā)相應(yīng)的智能化工藝裝備，在列車底部地溝或側(cè)面設(shè)置體型較小、移動靈活的走行裝置，實現(xiàn)自動化、智能化車底數(shù)據(jù)和圖像的采集。集成式智能吹掃系統(tǒng)主要包括車底智能吹掃機器人、車側(cè)智能吹掃吸塵機器人、智能控制系統(tǒng)等[10-11]。集成式智能吹掃系統(tǒng)的組成及平面布置見圖6、圖7。

圖6 集成式智能吹掃系統(tǒng)平面

圖7 集成式智能吹掃系統(tǒng)剖

在吹掃過程中智能規(guī)劃吹掃路徑[12-13]，經(jīng)過吹掃智能診斷系統(tǒng)分析處理，配合柔性機械手[14-15]，可實現(xiàn)重點部位、盲點的徹底吹掃，保證吹掃效果及質(zhì)量，將噪聲消除技術(shù)與智能風(fēng)壓系統(tǒng)融合，改善工作環(huán)境。

吹掃時可在每個工位形成相對封閉的小空間，達到較好的吸塵效果，防止吹掃作業(yè)時產(chǎn)生的灰塵擴散，改善了吹掃庫內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，操作方便，減輕了工人勞動強度。該方案有以下優(yōu)勢。

(1)根據(jù)車底結(jié)構(gòu)和設(shè)備，制定系統(tǒng)吹掃方案，規(guī)劃吹掃路徑；根據(jù)車底不同部位，自動調(diào)節(jié)吹掃速度，保證吹掃的效率及質(zhì)量。對于吹掃不徹底部位，可通過灰塵濃度傳感器捕捉，加強補吹效果，實現(xiàn)精準清除。

(2)吹掃裝置擬采用高壓空氣吹掃介質(zhì)完成車底部位吹掃。所采用介質(zhì)均可實現(xiàn)高效吹掃，不會損傷車底設(shè)備表面，操作安全性高，從根本上避免了對人體的侵害，同時，采用灰塵負壓回收處理關(guān)鍵技術(shù)，形成吹掃局部作業(yè)空間負壓，顯著提升灰塵收集效果。

(3)智能吹掃機器人可在吹掃庫地溝內(nèi)側(cè)或外側(cè)均能實現(xiàn)靈活移動，可按照預(yù)設(shè)路徑行走，也可采用遙控器控制，其走形機構(gòu)可通過采用供電軌或無線充電設(shè)施實現(xiàn)持續(xù)吹掃，提高效能。

(4)車底自動吹掃系統(tǒng)上安裝有靈活、柔性的機械手臂，通過柔性風(fēng)管連接高壓風(fēng)機和機械手臂上的風(fēng)槍，且安裝了經(jīng)過改進的除塵噴嘴，可實現(xiàn)對車底重點部位吹掃。噪聲屏蔽、吸音降噪技術(shù)融合應(yīng)用于風(fēng)管噴頭、車底兩側(cè)擋板、集塵器等設(shè)備，保證更加人性化的除塵工作環(huán)境。

(5)先進除塵系統(tǒng)，環(huán)保高效[16-17]。除塵系統(tǒng)高效吸收擋塵罩區(qū)域內(nèi)的粉塵，通過除塵器過濾，過濾后的潔凈空氣排入大氣。同時，將吸附在外壁的粉塵抖落于集成抽屜(儲塵桶)內(nèi)，實現(xiàn)集塵處理。

(6)三車同步技術(shù)

三車同步行走：三部小車可同步勻速運行，起動、停止一鍵式控制，運行速度可通過現(xiàn)場使用工況來隨時調(diào)整，運行過程中不影響其他功能同步工作。

三車自動吹吸：三部小車在運行過程中，噴吹、除塵功能同步進行，高壓氣流直接把所需清潔表面的粉塵、污垢吹起，吹起的塵粒被除塵器瞬間吸走過濾，避免了二次揚塵。

同步過濾自清潔：車側(cè)智能吹掃吸塵機器人實現(xiàn)同步過濾自清潔，進入除塵器的粉塵先進入除塵裝置過濾，剩余塵粒進入高效過濾器過濾，凈化后的空氣達標排放。

綜上所述，智能吹掃工藝技術(shù)方案采用集成式智能吹掃系統(tǒng)。

3.2 智能吹掃系統(tǒng)建模與仿真

通過對吹掃過程中的負壓區(qū)流域模型進行有限元分析。其中，分析的核心問題就是通過有限元分析了解所選用的噴嘴型號和位姿是否能達到規(guī)定的灰塵去除度要求，以及集塵設(shè)備能否將灰塵的逸散率控制在合理范圍內(nèi)。通過使用Ansys軟件對簡化后的地鐵車底流域進行有限元分析，以觀察和分析其中氣體流向的特點，并根據(jù)仿真分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[18-19]。

3.2.1 噴嘴有限元仿真

分別對集束式和扁平式兩種類型噴嘴在相同輸入條件下進行仿真，驗證噴吹氣流吹掃效果仿真速度云圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 集束式噴嘴氣流仿真

圖9 扁平式噴嘴氣流仿真

在圖8、圖9仿真中，兩噴嘴輸入壓力為6 bar(注：1 bar=0.1 MPa)，流量為612 L/min，紅色區(qū)域氣流速度為40 m/s。集束式噴嘴噴出氣流較為集中且隨距離的衰減較慢，扁平式噴嘴吹掃范圍更寬且速度衰減較為明顯[20]。

3.2.2 吸塵口仿真

在仿真模擬中對于模型的簡化從車低結(jié)構(gòu)簡化、吸塵口水平位置簡化和吸塵口數(shù)量簡化3個方面入手[21]。仿真中對比分析了含車底部設(shè)備模型與不含列車底部設(shè)備模型的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者在吸塵口速度以及整體影響范圍上有所差異但車底模型較為復(fù)雜，會造成整體仿真的誤差累計，在一定程度上影響了對氣流規(guī)律的整體性把握，仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖11 不含車底結(jié)構(gòu)模型速度云圖

3.3 仿真結(jié)論及優(yōu)化建議

通過仿真計算可以看出，集束型噴嘴的吹掃氣流束更加集中，有效距離更長，扁平式噴嘴的吹掃氣流束覆蓋范圍更大，有效距離較短。本次仿真中選取的吹掃距離約為25 mm，由噴嘴吹掃平面速度云圖可見集束式噴嘴吹掃速度明顯優(yōu)于扁平式噴嘴。由于車底結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，宜選用集束式噴嘴，扁平式噴嘴更加適用于較為平整大平面的吹掃。

同時，徑向45°吹掃位姿在電機平面氣流逃逸速度相比其他吹掃位姿更小，且該情況下吹掃區(qū)與吸塵區(qū)作用域連通，即集塵效果更好。利用側(cè)面吸塵口捕捉速度較低的逃逸灰塵，利用底部吸塵口捕捉吹掃區(qū)域灰塵。

基于智能吹掃系統(tǒng)解決方案，用機器完全代替人工進行吹掃，根據(jù)吹掃作業(yè)班組配備，按照5人/班，人工吹掃作業(yè)按2 h計算，平均每周吹掃1列車，全年可以節(jié)省520人·h。通過對吹掃全過程進行仿真及現(xiàn)場試驗，智能吹掃作業(yè)平均用時1.5 h，吹掃潔凈度、集塵效果明顯優(yōu)于人工吹掃，吹掃效率及各項指標均滿足吹掃作業(yè)要求。本智能吹掃系統(tǒng)已在車輛基地吹掃庫成功投入運用，現(xiàn)場作業(yè)實景照片如圖12所示。

圖12 智能吹掃系統(tǒng)工作實景

4 結(jié)語

通過對比分離式智能吹掃系統(tǒng)和集成式智能吹掃系統(tǒng)的優(yōu)缺點，首次提出一種集成式智能吹掃系統(tǒng)解決方案，融合智能規(guī)劃路徑、三車同步技術(shù)、柔性機械臂、高效集塵除塵技術(shù)等。經(jīng)過吹掃智能診斷系統(tǒng)分析處理，配合柔性機械手，可實現(xiàn)重點部位、盲點的徹底吹掃，保證吹掃效果及質(zhì)量，將噪聲消除技術(shù)與智能風(fēng)壓系統(tǒng)融合，改善工作環(huán)境，實現(xiàn)完全替代人工作業(yè)。仿真結(jié)果表明，采用集束式噴嘴，利用側(cè)面吸塵口捕捉速度較低的逃逸灰塵，利用底部吸塵口捕捉吹掃區(qū)域灰塵可達到最佳的吹掃除塵效果。

軌道交通智能運維是當前行業(yè)的發(fā)展熱點，也是運營單位生產(chǎn)管理過程面臨的迫切需求。本智能吹掃系統(tǒng)滿足運營生產(chǎn)需要，極大地改善了吹掃作業(yè)環(huán)境，為智慧車輛基地無人化作業(yè)打下了基礎(chǔ)，為建立軌道交通車輛基地智能運維體系，逐步實現(xiàn)數(shù)字化、智能化運維，革新運維模式具有參考意義。