任 帥，石建剛

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司包頭車(chē)輛維修分公司，內(nèi)蒙古包頭 014060）

0 引言

工業(yè)清洗分為一般的工業(yè)清洗、精密工業(yè)清洗和超精密工業(yè)清洗等，一般工業(yè)清洗主要是對(duì)車(chē)輛、輪船和飛機(jī)表面進(jìn)行清洗，只能去除較大的污垢；精密工業(yè)清洗，包括對(duì)各種產(chǎn)品加工過(guò)程中的清洗、各種材料和設(shè)備表面的清洗，能夠去除微小污垢；超精密工業(yè)清洗是對(duì)機(jī)械零件電子元件光學(xué)部件等實(shí)施的針對(duì)性清洗，是消除非常精細(xì)的污垢。在清洗時(shí)用到的方法主要有物理法和化學(xué)法，圍繞著機(jī)械設(shè)備表面的實(shí)際情況展開(kāi)針對(duì)性的清洗，才能夠使設(shè)備有效地工作。

1 工業(yè)清洗基本情況概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)清洗行業(yè)作為工業(yè)的重要組成部分，也得到了快速發(fā)展，我國(guó)的工業(yè)清洗行業(yè)最初是為石油化工和能源電力工業(yè)提供清洗服務(wù)，清洗的主要目的是為了節(jié)能降耗，提高設(shè)備的利用效率。當(dāng)前清洗行業(yè)已經(jīng)從這些重點(diǎn)工業(yè)城市開(kāi)始向中小型城市發(fā)展，成為社會(huì)的服務(wù)性行業(yè)，這一發(fā)展標(biāo)志著我國(guó)的工業(yè)清洗行業(yè)有著較大的清洗市場(chǎng)。在清洗過(guò)程中，最常用到的方法就是物理清洗法和化學(xué)清洗法，物理清洗是借助于力學(xué)光學(xué)電學(xué)熱學(xué)的原理，依靠外來(lái)能量作用，去除物體表面污垢。化學(xué)清洗是借助化學(xué)反應(yīng)，利用化學(xué)藥品和溶劑清除物品表面的污垢。當(dāng)前還有電子清洗除垢法，它的原理是通過(guò)電場(chǎng)改變水的分子結(jié)構(gòu)，達(dá)到除去污垢的目的。靜電除垢法和電子除垢的原理基本相同，但是靜電是利用靜電場(chǎng)的作用，而不是電子的作用。經(jīng)過(guò)清洗后，設(shè)備能夠高效投入生產(chǎn)中使用[1]。

2 鐵路貨車(chē)車(chē)鉤清洗設(shè)備設(shè)計(jì)概述

車(chē)鉤是連接機(jī)車(chē)和車(chē)輛車(chē)輛與車(chē)輛之間的重要部件，尤其是鐵路貨車(chē)在運(yùn)煤的過(guò)程中，整個(gè)車(chē)鉤會(huì)積累大量的煤塵，久而久之就會(huì)形成污垢。尤其是在冬季，煤塵和相關(guān)的一層固化劑混合，給整個(gè)車(chē)鉤戴上一層厚厚的殼，如果在檢修過(guò)程中，外部的殼不慎落入傳動(dòng)機(jī)械將會(huì)引發(fā)各類(lèi)事故，也會(huì)給整個(gè)車(chē)輛的正常行駛帶來(lái)影響。整個(gè)車(chē)鉤結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，依靠人工難以清理，當(dāng)前對(duì)于鐵路貨車(chē)車(chē)鉤的清理方式還是以人工刷洗或者是高壓水沖為主，這樣的清洗作業(yè)不僅難度更大，而且效果非常不理想，在清洗過(guò)程中也會(huì)給整個(gè)環(huán)境帶來(lái)破壞，直接影響了鐵路車(chē)輛的正常運(yùn)輸，利用高壓水沖洗時(shí)占地空間大，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，還會(huì)對(duì)水資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)。面對(duì)這些情況，在當(dāng)前背景下，探究一種新型的節(jié)能環(huán)保清洗設(shè)備，對(duì)貨車(chē)車(chē)鉤展開(kāi)清洗，是行業(yè)發(fā)展的需要，因此結(jié)合實(shí)際情況，提出鐵路貨車(chē)車(chē)鉤的蒸汽清洗方式，這種方式能夠有效克服傳統(tǒng)清洗方式的不足。

3 全自動(dòng)鐵路貨車(chē)車(chē)鉤蒸汽清洗機(jī)的設(shè)計(jì)

圍繞該技術(shù)設(shè)計(jì)展開(kāi)分析主要是由蒸汽發(fā)生器、三軸滑臺(tái)組（也被稱(chēng)作機(jī)械手）、伺服電機(jī)、編程控制器、人機(jī)界面和電氣控制系統(tǒng)等組成。這種裝置結(jié)合了新時(shí)代的實(shí)際情況，借助全自動(dòng)化模式實(shí)現(xiàn)了車(chē)鉤的拆裝后在線清洗，即刻清洗，對(duì)水資源消耗不大，具備環(huán)保的價(jià)值[2]。

3.1 蒸汽發(fā)生器

蒸汽發(fā)生器是利用燃料或其他能源把水加熱為熱水或蒸汽的設(shè)備，這種容器在干洗店、洗車(chē)店、飯店都非常常見(jiàn)。蒸汽發(fā)生器是根據(jù)燃料進(jìn)行分類(lèi)，分為了電蒸汽、燃油蒸汽和燃?xì)庹羝龋竟ぷ髟砭褪抢靡惶鬃詣?dòng)控制裝置，保障其運(yùn)行過(guò)程中液體控制器實(shí)現(xiàn)正常的工作。在整個(gè)蒸汽發(fā)生器中，最重要的就是其供水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)要源源不斷地供給干燥蒸汽，讓水源進(jìn)入水箱后打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，然后耐高溫電閥打開(kāi)水泵進(jìn)行工作。整個(gè)供水系統(tǒng)中最主要的部位是水泵，大部分采取較高壓力或較大流量的多級(jí)旋渦泵，很少有一部分采取膜片泵或葉片泵。液位控制器是整個(gè)發(fā)生器自動(dòng)控制中的神經(jīng)系統(tǒng)，就相當(dāng)于人腦中的神經(jīng)，它分為電子式和機(jī)械式兩大類(lèi)，本文設(shè)計(jì)中主要利用的蒸汽發(fā)射器無(wú)爐膽、設(shè)有水箱，使用更加的安全，通過(guò)電磁感應(yīng)換熱技術(shù)，加熱速度快，開(kāi)機(jī)10 s 左右就能出蒸汽。一般的蒸汽發(fā)生器需要10 min 以上才能夠正式工作，而普通的煤爐需要0.5 h 以上才能夠發(fā)出蒸汽。在本文介紹的蒸汽加熱器中，核心部分水電分離不會(huì)出現(xiàn)漏電事故，不會(huì)給人身安全造成影響。這種電磁蒸汽發(fā)生器比鍋爐更加節(jié)能，節(jié)能達(dá)到50%以上，比普通的電熱鍋爐節(jié)能高達(dá)20%以上。

3.2 XYZ 三軸滑臺(tái)組（機(jī)械手）

小型企業(yè)可以通過(guò)選擇伺服線性模組，這種模組可以和單軸或三軸組合應(yīng)用，比傳統(tǒng)人工效率高出幾倍，價(jià)格也不高，是性價(jià)比較好的自動(dòng)化設(shè)備。線性模組的概念就是指在自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域能夠完成直線運(yùn)動(dòng)設(shè)備的總稱(chēng)，它是在自動(dòng)化工業(yè)中相對(duì)基礎(chǔ)的一種設(shè)備，線性模組還有一個(gè)別稱(chēng)叫做定位模組，能夠通過(guò)臥式或立式應(yīng)用，在自動(dòng)化作業(yè)中通常被稱(chēng)作為是XY 軸或XYZ 軸。這種模組在應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況會(huì)進(jìn)行不同的組合類(lèi)型，較常見(jiàn)的組合是十字組合和懸臂組合等。能夠結(jié)合實(shí)際工作情況進(jìn)行應(yīng)用，在當(dāng)前隨著該類(lèi)裝置在工業(yè)應(yīng)用中的逐漸增多，多軸直角坐標(biāo)機(jī)械手得到了廣泛應(yīng)用。

這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的特點(diǎn)就是可靠性、速度精度都非常高，非常靈活。因?yàn)椴僮鞴ぞ卟煌?，所具備的功能也不同，能夠自?dòng)控制也可以重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)都可以按照程序進(jìn)行操作，能夠在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期工作，維修十分容易。

3.3 伺服電機(jī)

指的是在整個(gè)系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，這一電機(jī)能夠控制速度位置精確度，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)的對(duì)象[3]。這個(gè)工作過(guò)程可以這樣來(lái)理解，整個(gè)伺服電機(jī)接收到一個(gè)脈沖就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度實(shí)現(xiàn)了位移伺服電機(jī)本身，它具備發(fā)出脈沖作用的，所以每個(gè)伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度都會(huì)發(fā)射出相關(guān)數(shù)量的脈沖，這樣整個(gè)電機(jī)之間就形成了一個(gè)呼應(yīng)。系統(tǒng)就可以了解具有多少脈沖發(fā)給了伺服電機(jī)，又接收到多少脈沖，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，精度可以達(dá)到0.001 mm，這樣的細(xì)微數(shù)據(jù)幾乎可以忽略不計(jì)，說(shuō)明它的精準(zhǔn)度已經(jīng)達(dá)到極高的程度。交流伺服電機(jī)是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步，當(dāng)前控制運(yùn)動(dòng)的大部分是同步電機(jī)的，功率范圍很大，還能夠保持高度的穩(wěn)定性。

3.4 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，一般利用可編程的儲(chǔ)存器，用于其內(nèi)部?jī)?chǔ)存程序執(zhí)行運(yùn)算，做好對(duì)整個(gè)順序的控制，也有定時(shí)技術(shù)等相關(guān)的作用，通過(guò)數(shù)字或模擬輸入相關(guān)的生產(chǎn)過(guò)程，就能夠控制整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)。在進(jìn)行操作的過(guò)程中具有顯著特點(diǎn)，操作非常方便，編程很簡(jiǎn)單，主要是以簡(jiǎn)單的梯形圖邏輯圖語(yǔ)句等編程語(yǔ)言，不需要專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)知識(shí)。所以這些情況就決定了整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期很短，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試非常容易，能夠結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行操作，同時(shí)這種程序可以在線修改。在修改時(shí)可以改動(dòng)方案，不拆除相關(guān)的硬件，這種可編程邏輯控制器整體功能強(qiáng)，性價(jià)比很高，一臺(tái)小型的可編程邏輯控制器內(nèi)有成千上萬(wàn)個(gè)供用戶使用的編程元件。性價(jià)比也非常高，相關(guān)的硬件配套齊全，用戶經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修改程序，就能夠滿足各種實(shí)際條件下的工作需要。它的可靠性極高，抗干擾能力很強(qiáng)，利用一系列的硬件軟件抗干擾措施能夠平均無(wú)故障高達(dá)萬(wàn)小時(shí)以上。已經(jīng)被認(rèn)為是工業(yè)控制中最可靠的設(shè)備之一，這種可編程邏輯控制器解決了繼電器控制中的問(wèn)題，降低工作量，即使出現(xiàn)了問(wèn)題，維修時(shí)也非常的方便。

3.5 人機(jī)界面

人機(jī)界面簡(jiǎn)稱(chēng)HMI，又稱(chēng)用戶界面或使用者界面，是使用者和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息傳遞溝通的有效渠道，也是整個(gè)系統(tǒng)中非常重要的組成部分。該界面分為輸入和輸出兩部分，輸入從名稱(chēng)上來(lái)理解，就是使用者對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，下達(dá)指令。輸出就是機(jī)械出現(xiàn)故障之后提出的故障警告操作說(shuō)明提示等。了解了人機(jī)界面的具體作用，能夠幫助設(shè)備實(shí)現(xiàn)更好的使用。這種以PLC 和HMI 為控制核心的車(chē)鉤自動(dòng)清洗機(jī)設(shè)置，以蒸汽作為能源，實(shí)現(xiàn)了車(chē)鉤的自動(dòng)化清理，整個(gè)作業(yè)過(guò)程非常安全可靠，而且便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)的檢查[4]。

3.6 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的，整個(gè)全自動(dòng)蒸汽車(chē)鉤清洗機(jī)的電氣控制系統(tǒng)完全集中到了控制柜中。主要分為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式兩種，手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式之間是緊密聯(lián)系的手動(dòng)控制模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其三軸滑臺(tái)組單動(dòng)和各個(gè)軸分別回原點(diǎn)的控制，還能夠單獨(dú)圍繞蒸汽發(fā)生器內(nèi)各部分的動(dòng)作控制，還可以對(duì)清洗室門(mén)的動(dòng)作進(jìn)行控制。自動(dòng)控制模式就是選擇該種模式后，圍繞著具體的車(chē)鉤型號(hào)，點(diǎn)擊自動(dòng)清洗系統(tǒng)，進(jìn)入到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，展開(kāi)相關(guān)的檢測(cè)，帶動(dòng)車(chē)鉤進(jìn)行清洗，完成后將其放回原點(diǎn)，蒸汽發(fā)生器停止工作。在這樣的流程中，根據(jù)設(shè)備的具體情況，選擇PLC 控制模塊，選擇相關(guān)的伺服驅(qū)動(dòng)器，在整個(gè)系統(tǒng)中，相關(guān)的控制軟件設(shè)計(jì)主要包括了PLC 程序編寫(xiě)與HMI 界面編制，這兩部分之間通過(guò)寄存器傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工藝和對(duì)整個(gè)流程的監(jiān)管，如圖1 所示。系統(tǒng)軟件調(diào)試過(guò)程中，一定要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)際情況確定相關(guān)參數(shù)正確性。

圖1 車(chē)鉤清洗程流程

4 全自動(dòng)鐵路貨車(chē)車(chē)鉤蒸汽清洗機(jī)的具體應(yīng)用

全自動(dòng)鐵路貨車(chē)車(chē)鉤蒸汽清洗機(jī)結(jié)構(gòu)組成分為4 個(gè)部分：噴頭機(jī)構(gòu)、蒸汽發(fā)生裝置、車(chē)鉤仿形系統(tǒng)和清洗房。

噴頭機(jī)構(gòu)使專(zhuān)用的噴頭裝置可以達(dá)到360°無(wú)死角噴氣，蒸汽發(fā)生裝置采用的是即熱式的蒸汽發(fā)生機(jī)，利用飽和蒸汽的高溫和外加高溫，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件表面物質(zhì)的汽化蒸發(fā)，還能夠?qū)ζ渲腥魏渭?xì)小的孔洞進(jìn)行有效的清洗，清除其中的殘留物，達(dá)到高效節(jié)水潔凈的最終效果。它能夠有效代替對(duì)水資源的浪費(fèi)，清洗壓力能夠達(dá)到20 kg，整個(gè)操作過(guò)程不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)二次污染[5]。車(chē)鉤仿形系統(tǒng)是利用超聲波測(cè)距傳感器對(duì)車(chē)鉤在清洗房中的位置做好具體檢測(cè)，便于車(chē)鉤反復(fù)清洗。清洗房整個(gè)采取的是不銹鋼材質(zhì)設(shè)置，有相關(guān)的檢修門(mén)，方便檢修者對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢修。工作流程就是清洗室對(duì)車(chē)鉤進(jìn)行定位后，由超聲波測(cè)定具體的位置，控制相關(guān)的模塊展開(kāi)具體的清洗工作。

蒸汽噴射壓力高達(dá)20 kg，設(shè)備功率32 W，利用AC 380 V供電。該設(shè)備的工作效率非常高，有著節(jié)能環(huán)保的作用，水泵進(jìn)出口都設(shè)置有壓力開(kāi)關(guān)，熱交換器內(nèi)部也有堵塞自動(dòng)感應(yīng)裝置，控制水泵電機(jī)的工作，保護(hù)整個(gè)供水系統(tǒng)。設(shè)備還具有防干燒保護(hù)裝置，如果水位不足，內(nèi)置的水位閥就會(huì)自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)充水分，缺水也會(huì)有一定的提示，還有流量控制功能，對(duì)水泵整體工作情況進(jìn)行全面監(jiān)管。其中的噴射裝置共有8 個(gè)噴頭，分別在左右兩側(cè)和上邊，能夠?qū)崿F(xiàn)360°無(wú)死角清洗。

車(chē)鉤仿形系統(tǒng)采用三組直線模組搭建而成，龍門(mén)樣式，X/Y軸為齒輪齒條傳動(dòng)，Z 軸為絲杠傳動(dòng)。三軸均配伺服電機(jī)+減速機(jī)控制，電機(jī)功率均為750 kW，減速機(jī)為1∶10 精密減速機(jī)，滑臺(tái)組X、Y、Z 三軸的工作行程分別為2100 mm、1600 mm、800 mm。聲波測(cè)距傳感器[6]。傳感器具備防塵防水功能，防護(hù)等級(jí)IP67，安全性有極大的保障。

車(chē)鉤定位裝置的作用是車(chē)進(jìn)入時(shí)對(duì)車(chē)鉤在清洗室內(nèi)的位置進(jìn)行宏觀定位，方式是在清洗室門(mén)口設(shè)置兩根導(dǎo)向柱。需要駕駛員將車(chē)溝放置在兩根導(dǎo)向柱之間，然后相關(guān)的拆卸裝置會(huì)將其拆卸放到清洗室內(nèi)清洗。整個(gè)過(guò)程的定位就是依靠將車(chē)鉤靠近高度定位臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了定位。不銹鋼清洗室內(nèi)具有自動(dòng)清潔功能，能夠?qū)ζ渥龊孟嚓P(guān)清潔，同時(shí)整個(gè)清洗室都設(shè)置滑道，能夠便于最終的清洗，方便蒸汽從側(cè)面抽出，讓霧氣順利排出外間。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，圍繞著工業(yè)清洗發(fā)展的基本情況，本文重點(diǎn)對(duì)鐵路貨車(chē)車(chē)鉤清洗設(shè)備的設(shè)計(jì)展開(kāi)概述。這樣的全自動(dòng)化是符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀的，同時(shí)該清洗設(shè)備在具體運(yùn)行的過(guò)程中，如果出現(xiàn)了各種問(wèn)題通過(guò)手動(dòng)頁(yè)面按停止動(dòng)作就可以停止，其中設(shè)置的紅外測(cè)距感應(yīng)器的感應(yīng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量距離遠(yuǎn)高頻率響應(yīng)，讓裝置在惡劣環(huán)境下工作。在未來(lái)這種清洗設(shè)計(jì)方式還會(huì)得到不斷的完善提升，更加智能化，滿足社會(huì)對(duì)工業(yè)清洗的要求。