唐繼烈 上海鐵路局科研所

動(dòng)車組外車皮清洗車研制

唐繼烈 上海鐵路局科研所

介紹了折返站臺(tái)用動(dòng)車組外車皮清洗車的工作原理、主要技術(shù)參數(shù)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和安全保護(hù)措施。清洗車自帶水箱電源、操作簡(jiǎn)便效率高、自動(dòng)化程度高、多重防護(hù)措施保證作業(yè)安全，是折返站臺(tái)動(dòng)車組外車皮保潔的有效設(shè)備。

動(dòng)車組；清洗車；自走行；閉環(huán)控制

動(dòng)車組經(jīng)高速運(yùn)行至終到站時(shí)車體已粘上較多的污垢，為確保動(dòng)車組車容整潔，短交路動(dòng)車組在折返前需對(duì)站臺(tái)側(cè)的外車皮進(jìn)行清潔。目前主要的作業(yè)方式為保潔員使用水桶、刷子、拖把、抹布等工具對(duì)外車皮擦洗。這種傳統(tǒng)的方式勞動(dòng)強(qiáng)度較大、清洗質(zhì)量不穩(wěn)定、人力成本也較高。隨著更多的高鐵線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，折返站動(dòng)車組外車皮清潔作業(yè)工作量隨之增大，為此研制高效的折返站用動(dòng)車組外車皮清洗車十分必要。

1 工作原理

清洗車主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)兩部分組成，主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1和實(shí)際外觀如圖3、圖4所示。

清洗車有人工駕駛和自動(dòng)洗車兩種工作模式。在人工駕駛模式下，操作員在站臺(tái)上通過(guò)遙控器來(lái)控制清洗車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。操作員將清洗車駕駛到作業(yè)起始位置，選定好洗車方向后進(jìn)入自動(dòng)洗車模式，清洗車沿站臺(tái)勻速行進(jìn)的同時(shí)，通過(guò)含水的仿形毛刷滾刷外車皮，最后用清水經(jīng)增壓霧化后沖洗外車皮上的污垢。在自動(dòng)洗車模式下電氣控制系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量清洗車與動(dòng)車組的距離，經(jīng)計(jì)算處理后通過(guò)控制伺服電機(jī)調(diào)整清洗車的轉(zhuǎn)向，這樣使得清洗車的毛刷與動(dòng)車組外車皮保持一個(gè)適當(dāng)?shù)慕佑|面積。清洗刷、噴淋裝置的啟停，清洗車的前進(jìn)、后退、緊急制動(dòng)以及人工駕駛模式下的轉(zhuǎn)向，均可通過(guò)遙控器來(lái)控制。通過(guò)觸摸顯示屏能設(shè)定運(yùn)行參數(shù)和實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)多種傳感器和機(jī)械裝置來(lái)確保清洗車不刮擦動(dòng)車組、不跌落站臺(tái)、不碰撞障礙物和行人，在作業(yè)過(guò)程中通過(guò)聲光提示周圍行人。

2 主要技術(shù)參數(shù)

清洗車主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高=1.6 m×1.0 m×2.3 m；

（2）空車重：約400 kg；

（3）總重：約800 kg；

（4）儲(chǔ)液箱體積：約400 L；

（5）毛刷直徑（仿形）：0.9 m～1.1 m；

（6）蓄電池：DC24 V，250 Ah；

（7）作業(yè)時(shí)最大功率：1 200 W；

（8）清洗刷轉(zhuǎn)速：120 r/min；

（9）工作走行最高速度：0.5 m/s；

（10）返空最高速度：2 m/s；

（11）最小轉(zhuǎn)彎半徑：2.5 m。

3 機(jī)械系統(tǒng)

清洗車的機(jī)械系統(tǒng)主要由支架、外殼、走行驅(qū)動(dòng)總成、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)總成、電池箱、儲(chǔ)液箱、清洗刷總成、噴淋總成等部件構(gòu)成。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 清洗結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)架承載清洗車的其他部件，包括槽鋼焊接的底盤(pán)和方鋼焊接的框架。外殼材料選用玻璃鋼，使用模具成型工藝制作，且色調(diào)與動(dòng)車組的白色車身相配。走行驅(qū)動(dòng)總成由1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和2副承載輪架組成。驅(qū)動(dòng)輪有車輪、電機(jī)、減速器、停車制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向連接軸五個(gè)主要部件。驅(qū)動(dòng)輪兼具走行和轉(zhuǎn)向兩個(gè)功能，轉(zhuǎn)向軸與驅(qū)動(dòng)輪底座上部相連。驅(qū)動(dòng)輪將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)集成一體，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪軸心合二為一，使用二級(jí)圓柱齒輪平行軸減速，結(jié)構(gòu)緊湊，方便在清洗車內(nèi)安裝布置。驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)軸尾部安裝的電磁失電制動(dòng)器在通電時(shí)電磁吸合制動(dòng)緩解，在斷電時(shí)彈簧加壓摩擦制動(dòng)，使得清洗車在停車斷電時(shí)處于制動(dòng)模式下，能有效防止溜車。1副承載輪架由2個(gè)直徑為80 mm的聚氨酯車輪并列組成，滿足底盤(pán)的大載荷小離地間隙要求，底盤(pán)離地越低有效清洗面積就越大。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)總成由伺服電機(jī)、行星齒輪減速器和連桿機(jī)構(gòu)等組成。伺服電機(jī)的輸出經(jīng)行星齒輪減速增扭后，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向軸相連。

電池箱考慮到清洗車的重心要求，設(shè)置在清洗車的底部。

儲(chǔ)液箱由清水箱、清洗劑箱兩個(gè)組成，位于清洗車的側(cè)面，電池箱的上部，用不銹鋼焊接而成。清水箱的下部設(shè)有排水螺栓，上部設(shè)有超聲波液位傳感器，側(cè)上方也設(shè)有液位計(jì)。

清洗刷總成由直流調(diào)速電機(jī)、蝸輪蝸桿、毛刷等組成。電機(jī)輸出經(jīng)渦輪蝸桿減速后驅(qū)動(dòng)清洗刷轉(zhuǎn)軸，電機(jī)臥式安裝能最大限度利用高度空間。由于動(dòng)車組外車皮為弧面，清洗毛刷旋轉(zhuǎn)時(shí)的外形與之相匹配，設(shè)計(jì)成綜合各個(gè)車型的動(dòng)車組外輪廓參數(shù)的仿形結(jié)構(gòu)。

噴淋總成由噴淋水泵組、管路、扇形噴嘴等組成。6個(gè)直流24 V微型隔膜泵組成噴淋水泵組，每個(gè)泵通過(guò)管路連接4個(gè)噴嘴。隔膜泵內(nèi)裝的壓力開(kāi)關(guān)通過(guò)溢流閥保護(hù)泵在堵轉(zhuǎn)時(shí)不易受損壞。噴嘴將水霧化后按扇形狀噴出。噴嘴按20%的重疊布置噴淋更均勻，消除了垂直噴淋時(shí)由于地球重力而引起扇形剖面產(chǎn)生逐漸變細(xì)的邊緣。

3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是清洗車的控制中樞，通過(guò)傳感器采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令。包括可編程邏輯控制器（PLC）、人機(jī)界面、傳感器和遙控發(fā)射接收裝置、聲光警示燈等。通過(guò)人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定、超聲波距離傳感器數(shù)據(jù)顯示、手動(dòng)控制各電機(jī)啟停、低水位低電壓報(bào)警提示等功能。清洗車選用直流24V蓄電池作為供電電源。

輸入傳感器信號(hào)有：2路清洗車到動(dòng)車組車體間距離，蓄電池電壓、電流，水箱水位，8路站臺(tái)邊緣識(shí)別，安全觸邊探測(cè)障礙物，前后超聲波障礙物探測(cè)傳感器、8路遙控器各按鍵的信號(hào)接收。輸出控制信號(hào)有：驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)及緊急制動(dòng)控制，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制，各水泵啟?？刂疲窜囁⑿D(zhuǎn)啟停及正反轉(zhuǎn)控制，走行緩解制動(dòng)器控制，聲光提示啟?？刂?。

圖2 清洗控制程序流程圖

清洗機(jī)控制流程如圖2所示。首先操作遙控器將清洗車駕駛到清洗起始位，在人機(jī)界面上選擇作業(yè)方向（前進(jìn)洗車、后退洗車兩種模式）,進(jìn)入洗車模式后自動(dòng)開(kāi)啟水泵、洗車刷電機(jī)。當(dāng)測(cè)距傳感器探測(cè)到車門(mén)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)先關(guān)閉水泵，并停止洗車刷旋轉(zhuǎn)，待通過(guò)車門(mén)后控制系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟水泵和洗車刷電機(jī)，直到全部完成該動(dòng)車組清洗?？刂破魍ㄟ^(guò)兩個(gè)超聲波測(cè)距實(shí)時(shí)采集清洗車到動(dòng)車組車身的距離，經(jīng)計(jì)算處理后對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令來(lái)調(diào)整清洗車轉(zhuǎn)向，使得清洗車與動(dòng)車組保持合適的清洗距離。在清洗過(guò)程中各安全防護(hù)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)通過(guò)聲光提示周邊的行人。

4 安全保護(hù)

清洗車工作環(huán)境為高鐵站臺(tái)，對(duì)使用安全性有較高的要求。一方面是保證在洗車過(guò)程中不擦傷動(dòng)車組；另一方面是在走行過(guò)程中防止誤傷行人、站臺(tái)跌倒和誤撞障礙物。安全保護(hù)傳感器布置如圖3所示。

安全保護(hù)措施主要包括三個(gè)部分：

（1）電氣機(jī)械雙重保護(hù)防止清洗車擦傷動(dòng)車組車體。兩個(gè)超聲波測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量清洗車與動(dòng)車組車體間的距離，控制器根據(jù)兩個(gè)距離測(cè)量值實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)向。在超聲波傳感器測(cè)距失效的情況下，如果清洗車離動(dòng)車組距離過(guò)近，側(cè)面的防撞橡膠導(dǎo)輪與車體為滾動(dòng)接觸，避免清洗車擦傷車體。

（2）雙重光電傳感器防止清洗車跌落站臺(tái)。清洗車外殼的四角各分別安裝兩個(gè)光電傳感器，形成冗余保護(hù)。一個(gè)垂直向下探測(cè)站臺(tái)，另一個(gè)與地面成45°探測(cè)站臺(tái)，當(dāng)其中一個(gè)傳感器未探測(cè)到站臺(tái)時(shí)清洗車立即制動(dòng)，避免清洗車跌落站臺(tái)。制動(dòng)保護(hù)后人工復(fù)位才清洗車能繼續(xù)行進(jìn)。

（3）雙重漸進(jìn)式保護(hù)防止清洗車在走行過(guò)程中與障礙物或行人相撞。在清洗車前后外殼上分別安裝兩個(gè)超聲波傳感器，當(dāng)清洗車與障礙物或行人相距0.6 m時(shí)聲音警示操作人員停車，相距0.3 m時(shí)清洗車自動(dòng)制動(dòng)，制動(dòng)保護(hù)后需在人機(jī)界面上復(fù)位后清洗車才能移動(dòng)。在清洗車底部三面安裝有安全觸邊傳感器，能有效探測(cè)如站臺(tái)上的圓形或方形柱、電梯等障礙物。安全觸邊是橡膠管內(nèi)裝有連續(xù)的干簧管式傳感器，能可靠地感應(yīng)到與之接觸的各種障礙物。

清洗車在走行系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，可先手動(dòng)松開(kāi)制動(dòng)緩解手柄，通過(guò)救援把手與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接，將清洗車移動(dòng)到安全區(qū)域。

圖3 安全保護(hù)傳感器布置圖

5 結(jié)語(yǔ)清洗車是集走行、洗刷和多功能于一體的折返站用動(dòng)車組外車皮清洗設(shè)備。清洗車?yán)糜?jì)算機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)向，保證清洗質(zhì)量和作業(yè)效率，通過(guò)智能算法識(shí)別出車門(mén)來(lái)自動(dòng)控制清洗刷和噴淋裝置的啟停，多種類型傳感器的運(yùn)用保證安全。單人操作1臺(tái)清洗車在6 min內(nèi)即可完成1標(biāo)準(zhǔn)列的動(dòng)車組清洗，較傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，能有效減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。圖4為清洗車在上海站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，經(jīng)試用各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，操作簡(jiǎn)便。