城市軌道交通列車(chē)智能吹掃系統(tǒng)研究

代 剛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

截至2021年9月底，我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)城市達(dá)到49個(gè)，運(yùn)營(yíng)線路累計(jì)長(zhǎng)度已超過(guò)8 500 km[1]。城市軌道交通的快速發(fā)展給車(chē)輛檢修帶來(lái)了巨大壓力，而吹掃作業(yè)是車(chē)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(jiǎn)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(hù)服及呼吸器，但仍存在作業(yè)時(shí)庫(kù)內(nèi)灰塵大、作業(yè)環(huán)境惡劣且對(duì)周邊環(huán)境有一定污染等問(wèn)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(qiáng)度和減小環(huán)境污染。

1 車(chē)輛基地吹掃工藝現(xiàn)狀

以蘇州軌道交通1號(hào)線天平車(chē)輛段吹掃作業(yè)為例，現(xiàn)有車(chē)輛基地吹掃運(yùn)營(yíng)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(tái)，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(chē)底元器件復(fù)雜

車(chē)下零部件較多，吹掃作業(yè)空間有限，吹掃作業(yè)時(shí)需提前規(guī)劃路徑。現(xiàn)有吹掃作業(yè)工藝及設(shè)備普遍存在作業(yè)效率低、強(qiáng)度大、環(huán)境差的三大難題。

蘇州軌道交通1號(hào)線天平車(chē)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(jì)方案，如圖1所示。

圖1 蘇州軌道交通1號(hào)線天平車(chē)輛段吹掃庫(kù)

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(hù)服及呼吸器，特別是夏天，一次作業(yè)完成會(huì)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(hào)線吹掃設(shè)備的使用情況，經(jīng)多次調(diào)研與論證，受當(dāng)時(shí)設(shè)備技術(shù)發(fā)展水平限制，蘇州軌道交通2號(hào)線太平車(chē)輛段、4號(hào)線松陵車(chē)輛段、3號(hào)線滸墅關(guān)車(chē)輛段及5號(hào)線胥口車(chē)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(jiǎn)易設(shè)置方案，并延用至今[2]。

國(guó)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(guó)內(nèi)部分城市車(chē)輛吹掃作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)

以上城市運(yùn)營(yíng)部門(mén)均針對(duì)吹掃作業(yè)存在的三大難題進(jìn)行了多年的持續(xù)探索，因車(chē)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(jiǎn)介

現(xiàn)有的吹掃作業(yè)流程：①列車(chē)入庫(kù)，根據(jù)檢修及日常保養(yǎng)要求，列車(chē)入庫(kù)停放；②拆卸車(chē)下主要箱體蓋體，由總裝組負(fù)責(zé)拆除車(chē)下重點(diǎn)吹掃部件的底架或蓋體；③車(chē)下吹掃作業(yè)，吹掃人員穿著防護(hù)服進(jìn)入車(chē)底進(jìn)行車(chē)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(chǎng)；⑤恢復(fù)車(chē)下箱體蓋體，總裝人員安裝重點(diǎn)吹掃部件的底架或蓋體，列車(chē)出庫(kù)。

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(dòng)、半自動(dòng)及人工吹掃3種。部分文獻(xiàn)提出人工吹掃+半封閉式+脈沖袋式除塵、自動(dòng)吹掃結(jié)合人工輔助吹掃+脈沖袋式除塵、人移動(dòng)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(chē)輛段人工作業(yè)吹掃情況如圖2所示。

圖2 某車(chē)輛段人工吹掃作業(yè)

因車(chē)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(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)時(shí)塵土飛揚(yáng)，污染作業(yè)環(huán)境。

2.3 智能吹掃工藝必要性分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，機(jī)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(jī)器人應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)輛吹掃成為可能[5]。

為從根本上解決城市軌道交通車(chē)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、除塵過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)、走行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置在地鐵列車(chē)底部運(yùn)行軌道正下方的一部移動(dòng)小車(chē)上(運(yùn)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(duì)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(jī)器人由吸塵系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、走行機(jī)構(gòu)、尾部風(fēng)簾組成[9]，如圖5所示?？梢钥闯?，分離式吹掃系統(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(jī)，且吹掃過(guò)程需人工干預(yù)，吹掃作業(yè)未完全實(shí)現(xiàn)智能化。

圖5 吹掃機(jī)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(guò)對(duì)城市軌道交通吹掃作業(yè)流程、吹掃指標(biāo)調(diào)研及梳理，結(jié)合吹掃庫(kù)工藝布局及吹掃作業(yè)特點(diǎn)，在車(chē)輛進(jìn)行吹掃作業(yè)時(shí)，針對(duì)列車(chē)吹掃現(xiàn)有工藝主要存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣等問(wèn)題，基于列車(chē)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(jī)器作業(yè)完全代替人工的解決方案，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的智能化工藝裝備，在列車(chē)底部地溝或側(cè)面設(shè)置體型較小、移動(dòng)靈活的走行裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化車(chē)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(chē)底智能吹掃機(jī)器人、車(chē)側(cè)智能吹掃吸塵機(jī)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(jiàn)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(guò)程中智能規(guī)劃吹掃路徑[12-13]，經(jīng)過(guò)吹掃智能診斷系統(tǒng)分析處理，配合柔性機(jī)械手[14-15]，可實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)部位、盲點(diǎn)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(shí)可在每個(gè)工位形成相對(duì)封閉的小空間，達(dá)到較好的吸塵效果，防止吹掃作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的灰塵擴(kuò)散，改善了吹掃庫(kù)內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，操作方便，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。該方案有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)根據(jù)車(chē)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(chē)底不同部位，自動(dòng)調(diào)節(jié)吹掃速度，保證吹掃的效率及質(zhì)量。對(duì)于吹掃不徹底部位，可通過(guò)灰塵濃度傳感器捕捉，加強(qiáng)補(bǔ)吹效果，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)清除。

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

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

(4)車(chē)底自動(dòng)吹掃系統(tǒng)上安裝有靈活、柔性的機(jī)械手臂，通過(guò)柔性風(fēng)管連接高壓風(fēng)機(jī)和機(jī)械手臂上的風(fēng)槍，且安裝了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的除塵噴嘴，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)底重點(diǎn)部位吹掃。噪聲屏蔽、吸音降噪技術(shù)融合應(yīng)用于風(fēng)管?chē)婎^、車(chē)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(jìn)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(guò)除塵器過(guò)濾，過(guò)濾后的潔凈空氣排入大氣。同時(shí)，將吸附在外壁的粉塵抖落于集成抽屜(儲(chǔ)塵桶)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)集塵處理。

(6)三車(chē)同步技術(shù)

三車(chē)同步行走：三部小車(chē)可同步勻速運(yùn)行，起動(dòng)、停止一鍵式控制，運(yùn)行速度可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用工況來(lái)隨時(shí)調(diào)整，運(yùn)行過(guò)程中不影響其他功能同步工作。

三車(chē)自動(dòng)吹吸：三部小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，噴吹、除塵功能同步進(jìn)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(guò)濾，避免了二次揚(yáng)塵。

同步過(guò)濾自清潔：車(chē)側(cè)智能吹掃吸塵機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步過(guò)濾自清潔，進(jìn)入除塵器的粉塵先進(jìn)入除塵裝置過(guò)濾，剩余塵粒進(jìn)入高效過(guò)濾器過(guò)濾，凈化后的空氣達(dá)標(biāo)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(guò)對(duì)吹掃過(guò)程中的負(fù)壓區(qū)流域模型進(jìn)行有限元分析。其中，分析的核心問(wèn)題就是通過(guò)有限元分析了解所選用的噴嘴型號(hào)和位姿是否能達(dá)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(guò)使用Ansys軟件對(duì)簡(jiǎn)化后的地鐵車(chē)底流域進(jìn)行有限元分析，以觀察和分析其中氣體流向的特點(diǎn)，并根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[18-19]。

3.2.1 噴嘴有限元仿真

分別對(duì)集束式和扁平式兩種類型噴嘴在相同輸入條件下進(jìn)行仿真，驗(yàn)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(duì)于模型的簡(jiǎn)化從車(chē)低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、吸塵口水平位置簡(jiǎn)化和吸塵口數(shù)量簡(jiǎn)化3個(gè)方面入手[21]。仿真中對(duì)比分析了含車(chē)底部設(shè)備模型與不含列車(chē)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(chē)底模型較為復(fù)雜，會(huì)造成整體仿真的誤差累計(jì)，在一定程度上影響了對(duì)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(chē)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(guò)仿真計(jì)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(zhǎng)，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(jiàn)集束式噴嘴吹掃速度明顯優(yōu)于扁平式噴嘴。由于車(chē)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(shí)，徑向45°吹掃位姿在電機(jī)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(jī)器完全代替人工進(jìn)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(jì)算，平均每周吹掃1列車(chē)，全年可以節(jié)省520人·h。通過(guò)對(duì)吹掃全過(guò)程進(jìn)行仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，智能吹掃作業(yè)平均用時(shí)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(xiàng)指標(biāo)均滿足吹掃作業(yè)要求。本智能吹掃系統(tǒng)已在車(chē)輛基地吹掃庫(kù)成功投入運(yùn)用，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)景照片如圖12所示。

圖12 智能吹掃系統(tǒng)工作實(shí)景

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(diǎn)，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(chē)同步技術(shù)、柔性機(jī)械臂、高效集塵除塵技術(shù)等。經(jīng)過(guò)吹掃智能診斷系統(tǒng)分析處理，配合柔性機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)部位、盲點(diǎn)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(shí)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(dá)到最佳的吹掃除塵效果。

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