高铁转向架机器人干冰清洗工艺及轨迹规划研究.pdf

摘要

干冰清洗作为一种无污染、无残留的清洗方式，被广泛的应用到各行各业的

设备维护等重要环节。例如：去除汽车发动机的积碳、干冰绝缘子的去污以及高

铁转向架的清洗。然而，当前获得较好的干冰清洗效果仍然需要依赖清洗工人的

经验来实现，缺乏理论指导，因此，开展干冰清洗机理与规律的研究，对于优化

清洗效果、提升清洗效率，推动干冰清洗智能化设备的技术创新具有重要意义。

对于清洗转向架这类表面较为复杂的模型，传统的包围法对机器人清洗轨迹的生

成较为局限且生成轨迹不能贴合模型表面轮廓。本文针对干冰清洗模型，以数值

模拟加试验的方式进行分析，针对清洗轨迹，采用基于STL模型的切片法完成喷

枪轨迹生成，主要工作内容如下。

(1)对干冰清洗机理进行分析，选取清洗过程中主要影响的因素，确定主要影

响因素之后，通过CFD技术建立喷枪周围流场模型以及基于DPM颗粒模型的干

冰清洗模型，最后对该模型进行类比验证，确保其准确性与可靠性。

(2)使用基于CFD技术的流体模型与DPM干冰颗粒模型，进行干冰清洗喷枪

结构周围流场的数值模拟仿真研究。通过CFD仿真，分析了距离喷枪口不同位置

对干冰颗粒浓度与速度的影响关系，获得了干冰清洗距离控制范围，在理论上分

析了干冰清洗工作时周围的流场颗粒分布状况。

(3)针对影响干冰清洗的主要参数设计正交试验，选取了两种不同附着力的油

污，通过静态清洗实验，并与仿真结果对比，验证了CFD仿真方法的有效性；通

过正交动态清洗实验，并采用图像二值化处理方法，分析了清洗高度、清洗角度、

清洗速度和干冰颗粒质量流量对清洗效果的影响关系；最后，通过变参数清洗实

验，获得了两种油污完全清洗的工艺参数。实验结果表明，不同附着力的油污，

工艺参数的影响大小不同。

(4)针对高铁转向架表面复杂的工件清洗维护需求，采用了基于STL模型的切

片法生成干冰清洗喷枪的清洗轨迹。使用切平面法求工件模型与STL三角网格化

后的三角面交点，按顺序连结这些交点形成转向架表面的清洗轨迹，再结合前半

部分得到的干冰清洗工艺参数，沿法向量扩展一个清洗高度，最终得出干冰清洗

喷枪轨迹，并采用matlab进行验证。

关键词：干冰清洗，转向架，CFD流场分析，二值法，轨迹生成，STL文件

Abstract

Asapollution-freeandresidue-freecleaningmethod,dryicecleaningiswidelyused

inimportantlinkssuchasequipmentmaintenanceinallwalksoflife.Forexample:the

removalofcarbonaccumulationincarengines,thedecontaminationofdryiceinsulators

andthecleaningofhigh-speedrailbogies.However,thecurrentdryicecleaningeffect

stillneedstorelyontheexperienceofcleaningworkerstoachieve,lackoftheoretical

guidance,therefore,tocarryoutresearchonthemechanismandlawofdryicecleaning,

tooptimizethecleaningeffect,improvethecleaningefficiency,andpromotethetechnical

innovationofintelligentdryicecleaningequipmentisofgreatsignificance.Forthemodel

withcomplexsurfacesuchascleaningbogies,thetraditionalenvelopingmethodis

limitedingeneratingtherobotcleaningtrackandthegenerated