多功能鐵路軌道與供電電纜清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

文/宋子詔

1　鐵路軌道與供電電纜清潔機(jī)器人研發(fā)背景

當(dāng)今中國鐵路建設(shè)步伐建設(shè)逐步加快。但隨著高鐵和動(dòng)車速度的提升，威脅越來越多。越多的垃圾進(jìn)入鐵路軌道或供電電纜上，輕則引起列車供電不穩(wěn)定，使列車自動(dòng)停車從而造成事故；重則將高壓電引入列車車體上，造成工作人員或旅客觸電死亡，產(chǎn)生極大危害。

但是目前國內(nèi)外僅有部分功能低端的軌道垃圾清潔產(chǎn)品，并且需要依賴人工操作，針對(duì)鐵路供電電纜清潔垃圾的產(chǎn)品尚未出現(xiàn)。

2　鐵路軌道與供電電纜清潔機(jī)器人整機(jī)組成

針對(duì)國內(nèi)外對(duì)軌道及軌道上方的供電電纜垃圾清理和灰塵清潔的迫切需求，本文設(shè)計(jì)了適用于鐵路軌道垃圾清理及供電電纜垃圾清潔的多功能機(jī)器人，該智能機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路軌道、鐵路上部的供電線纜的垃圾清理和回收工作，如圖1。

3　鐵路軌道與供電電纜清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　軌道與線纜清潔機(jī)器人移動(dòng)底盤

主要實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)機(jī)器人在鐵路軌道上行進(jìn)功能，包括：清潔機(jī)器人移動(dòng)底盤車體、清潔機(jī)器人底盤驅(qū)動(dòng)部件、清潔機(jī)器人輪系部件、清潔機(jī)器人能源部件。

3.2　列車避讓變形機(jī)構(gòu)

通過自身機(jī)構(gòu)動(dòng)作，對(duì)軌道與線纜清潔機(jī)器人移動(dòng)底盤進(jìn)行位置變換，使機(jī)器人移動(dòng)底盤及附屬機(jī)構(gòu)完成從鐵路軌道上移開動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的避讓功能，主要部件為：變形機(jī)構(gòu)基體、變形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

3.3　軌道清潔與垃圾清理機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)可對(duì)鐵軌上大、輕型垃圾進(jìn)行強(qiáng)氣流吸附，對(duì)微小垃圾顆?；蚋街镞M(jìn)行強(qiáng)氣流吹離和清潔，包括：鐵軌附著物清潔機(jī)構(gòu)、鐵軌垃圾吸附機(jī)構(gòu)。其中鐵軌附著物清潔機(jī)構(gòu)還包括軌道高壓噴頭、軌道高壓噴頭供氣管道等結(jié)構(gòu)。鐵軌垃圾吸附機(jī)構(gòu)則包括高壓吸盤、高壓吸管、高壓渦輪風(fēng)機(jī)、過濾網(wǎng)等結(jié)構(gòu)。

3.4　供電電纜清潔與探傷機(jī)構(gòu)

供電電纜清潔與探傷機(jī)構(gòu)包含的部件有：供電電纜清潔頭、供電電纜垃圾清理爪、供電電纜清潔支臂、橫向微調(diào)裝置等。通過控制不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將對(duì)應(yīng)的功能機(jī)構(gòu)送至供電電纜附近。

3.5　能源獲取機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要包括接觸網(wǎng)取電機(jī)構(gòu)、風(fēng)能捕獲機(jī)構(gòu)、太陽能捕獲機(jī)構(gòu)。通過接觸網(wǎng)取電、風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電，從而保證清潔機(jī)器人始終擁有充足的電力供應(yīng)。

3.6　環(huán)境參數(shù)采集機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔機(jī)器人周圍環(huán)境圖像、視頻以及器前方列車到來信號(hào)的采集功能，包括環(huán)境影像獲取機(jī)構(gòu)、列車信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)。

3.7　控制機(jī)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)為機(jī)器人控制核心，包括控制模塊、驅(qū)動(dòng)和通訊模塊等。

3.8　功能載荷機(jī)構(gòu)

包括：軌道損傷探測機(jī)構(gòu)等。

4　鐵路軌道與供電電纜清潔機(jī)器人工作方法

4.1　清潔機(jī)器人從行走狀態(tài)變形實(shí)現(xiàn)對(duì)列車避讓功能

機(jī)器人對(duì)列車躲避時(shí)，控制變形驅(qū)動(dòng)模塊從而驅(qū)動(dòng)變形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)變形機(jī)構(gòu)基體發(fā)生變形動(dòng)作；在變形過程中，控制重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變形的高可靠性，機(jī)器人逐漸遠(yuǎn)離鐵軌，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)列車避讓功能；當(dāng)列車通過后，列車避讓變形機(jī)構(gòu)恢復(fù)原狀，機(jī)器人重新回到軌道上工作。

4.2　清潔機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多功能電能采集功能

采集伸縮桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)向上移動(dòng)，帶動(dòng)供電電纜受電弓與供電電纜接觸，實(shí)現(xiàn)取電功能；風(fēng)能捕獲風(fēng)輪將捕獲的電能輸送至能源部件中；太陽能則將發(fā)出的電能輸送至能源部件存儲(chǔ)。

圖1：多功能鐵路軌道與供電電纜清潔機(jī)器人

4.3　清潔機(jī)器人實(shí)現(xiàn)軌道垃圾吸附、軌道清潔及探平功能

高壓渦輪風(fēng)機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道上垃圾吸附并回收至垃圾回收箱中。軌道清潔高壓氣泵通過強(qiáng)氣流對(duì)軌道上垃圾微粒及附著物的吹離。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)清潔擦實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道上垃圾微粒及附著物的清潔工作。

4.4　清潔機(jī)器人實(shí)現(xiàn)供電電纜垃圾清理、清潔及電纜探傷功能

4.4.1清潔機(jī)器人實(shí)現(xiàn)供電電纜垃圾清理和清潔功能

供電電纜清潔支臂上升至供電電纜上垃圾所在的位置處，供電電纜垃圾清理爪實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電纜上垃圾的清理功能；同時(shí)供電電纜清潔頭實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電纜的清潔；

4.4.2清潔機(jī)器人實(shí)現(xiàn)供電電纜探傷功能

供電電纜清潔支臂上升至供電電纜附近，電纜探傷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電纜的探傷功能。

5　結(jié)束語

本文針對(duì)國內(nèi)鐵路軌道及供電電纜上垃圾無法有效清除的難題，設(shè)計(jì)了多功能鐵路軌道與供電電纜清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵軌及電纜多種垃圾清理和清潔功能，大大提升了鐵路垃圾的清理效率，保障了鐵車行駛的安全性，對(duì)提升和加快我國鐵路建設(shè)的自動(dòng)化和智能化建設(shè)具有重大的意義。