何 偉 任光勝

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400044）

0 引言

集電裝置作為軌道交通車輛的能源輸入裝置以及電力系統(tǒng)的重要組成部件，關(guān)系到軌道車輛運(yùn)行的可靠性、安全性?？缱絾诬壾囕v集電裝置安裝在車輛底部轉(zhuǎn)向架兩側(cè)面，通過(guò)氣動(dòng)頂升裝置和彈簧復(fù)位裝置與PC軌道梁兩側(cè)接觸網(wǎng)接觸與分離，實(shí)現(xiàn)車輛直流電源的接入與斷開(kāi)。與地鐵、高鐵等軌道車輛集電裝置安裝在車頂受取電流的方式不同，單軌車輛接觸網(wǎng)被固定在軌道上，集電裝置與接觸網(wǎng)為剛性接觸，工作環(huán)境并不理想。

日本原裝進(jìn)口的KC118/218型集電裝置如圖1所示。國(guó)產(chǎn)化SCG-100型單臂集電裝置如圖2所示，其結(jié)構(gòu)和原裝進(jìn)口的集電裝置相似，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)[1]。

圖1 KC118/218型集電裝置

圖2 SCG-100型單臂集電裝置

集電裝置分為正極（+）和負(fù)極（-）兩類。正極（+）用集電裝置采用電磁閥解鉤裝置釋放吊鉤，利用彈簧自身的彈力升弓，降弓則是采用氣缸。負(fù)極（-）用集電裝置沒(méi)有裝備自動(dòng)升弓和自動(dòng)降弓裝置，升弓過(guò)程與正極（+）一樣，降弓過(guò)程則是手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)。集電裝置設(shè)計(jì)的最高時(shí)速為100 km/h，額定工作電壓為1 500 V（DC），額定電流為400 A（DC），工作氣壓為0.35～0.5 MPa，質(zhì)量為15 kg。集電裝置主要組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 集電裝置各組成部分

1 測(cè)試原理

根據(jù)跨座式單軌車輛的檢修規(guī)程，集電裝置在檢修后，需要做各種性能試驗(yàn)，其中最為重要的就是接觸壓力試驗(yàn)。為了模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，本文采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)法，固定集電裝置不動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)與絲杠配合形成二維移動(dòng)平臺(tái)，驅(qū)使測(cè)力裝置與集電裝置接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

為了防止接觸網(wǎng)與集電舟上的受電滑塊在同一位置長(zhǎng)時(shí)間接觸，使得受電滑板磨損不均勻，跨座式單軌PC梁兩側(cè)的接觸網(wǎng)并不是我們視覺(jué)上所見(jiàn)的直線設(shè)計(jì)，而是呈“之”字型設(shè)計(jì)[2]。但是在進(jìn)行集電裝置性能試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有辦法在集電裝置運(yùn)動(dòng)下與靜止的接觸網(wǎng)接觸，只能反向模擬兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)接觸網(wǎng)替代模塊的運(yùn)動(dòng)與固定在試驗(yàn)臺(tái)上的集電裝置接觸，由壓力傳感器將集電裝置的受電滑塊在不同工作高度和速度下對(duì)接觸網(wǎng)的接觸壓力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再將壓力傳感器轉(zhuǎn)換所得的電信號(hào)送到儀表顯示和送到工控機(jī)進(jìn)行顯示、處理和保存。接觸壓力試驗(yàn)原理如圖4所示。

集電裝置對(duì)接觸網(wǎng)的接觸壓力試驗(yàn)分為靜接觸壓力測(cè)試和動(dòng)接觸壓力測(cè)試。

靜接觸壓力是為了模擬車輛集電舟上的受電滑板在靜止?fàn)顟B(tài)下與接觸網(wǎng)的接觸壓力，主要采用簡(jiǎn)單點(diǎn)測(cè)量的方式，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制集電裝置伸縮高度測(cè)量出集電裝置伸縮高度分別位于295 mm、330 mm、365 mm、400 mm和435 mm時(shí)的接觸壓力。

圖4 接觸壓力試驗(yàn)原理

動(dòng)接觸壓力是為了模擬車輛運(yùn)行時(shí)與“之”字型接觸網(wǎng)之間縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)下受電滑塊和接觸網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)接觸壓力。試驗(yàn)時(shí)，讓替代滑塊在標(biāo)準(zhǔn)工作高度365 mm時(shí)以30 km/h、35 km/h、40 km/h、45 km/h、50 km/h的時(shí)速上下運(yùn)動(dòng)，測(cè)量出每個(gè)速度下的最小和最大接觸壓力值。

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)主要由集電裝置固定裝置、XZ軸二維移動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓力測(cè)量裝置等組成，如圖5所示。XZ軸二維移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠配合步進(jìn)電機(jī)的方式，在Z軸絲杠上安裝壓力測(cè)量裝置，替代滑塊安裝在壓力傳感器上，試驗(yàn)時(shí)與集電裝置受電滑塊接觸。通過(guò)兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)控制替代滑塊的初始位置。

圖5 集電裝置試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運(yùn)行的[3]，通常被用作定位和定速控制，具有慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)分為永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）等[4]，這里選擇性價(jià)比最高的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，第一要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率滿足負(fù)載所需的功率。而在選擇步進(jìn)電機(jī)的功率時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的矩頻特性能夠滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)動(dòng)可靠。一般認(rèn)為最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。

此試驗(yàn)移動(dòng)平臺(tái)主要受來(lái)自垂直Z軸的工作負(fù)載，但是作用力不大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42BYG250B，步距角為0.9°/1.8°，電流為1.5 A。

步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要靠驅(qū)動(dòng)器才行，驅(qū)動(dòng)器是一種能將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)角位移的器件。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，按照步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，順序分配脈沖，實(shí)現(xiàn)控制角位移、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向等目的[5-6]。選擇一款匹配的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般要從四個(gè)方面入手：

（1）步進(jìn)電機(jī)的額定電流；（2）需要的步距角大??；

（3）電源提供的交直流電壓；

（4）步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行中要達(dá)到一定速度時(shí)需要的電壓。

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)工作電流，選擇研控兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器YKC2405M。YKC2405M是等角度恒力矩細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電壓DC 20～50 V，采用單電源供電，適配電流在3.0 A以下、外徑42～86 mm的各種型號(hào)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用雙極恒流斬波方式，使電機(jī)噪音減小，電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)；驅(qū)動(dòng)電源電壓的增加使得電機(jī)的高速性能和驅(qū)動(dòng)能力大為提高。

為了提高步進(jìn)電機(jī)控制的精度，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在都具有細(xì)分功能，細(xì)分是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無(wú)關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次降為零（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級(jí)近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力會(huì)使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置（形成N個(gè)步距角）[7]。

驅(qū)動(dòng)器可以提供2細(xì)分到200細(xì)分共15種運(yùn)行模式，利用驅(qū)動(dòng)器面板上的八位撥碼開(kāi)關(guān)的第5、6、7、8位可組合出不同狀態(tài)。這里選擇將這4位分別調(diào)至ON/ON/OFF/ON，即使輸出電流選擇在16細(xì)分。

該驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流為3 A/相，通過(guò)選擇面板上八位撥碼開(kāi)關(guān)的第1、2、3位可以組合出8種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)從0.71 A到3 A。這里選擇的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A，所以需要將八位撥碼開(kāi)關(guān)的第1、2、3分別調(diào)至ON、OFF、ON。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)定表與電流表如圖6所示。

2.3 壓力檢測(cè)裝置

根據(jù)機(jī)電裝置最大工作接觸壓力值，結(jié)合滾珠絲杠滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，選擇懸臂梁式壓力傳感器，壓力傳感器的量程選擇0～10 kg，工作電壓10 V DC（最大12 V DC），輸出mV信號(hào)，輸出靈敏度（2.0±0.1）mV/V，懸臂梁式稱重壓力傳感器采用剪切或彎曲懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端固定，一端受力，外形高度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可用于各種拉伸力和壓縮力的承載和測(cè)量。

電阻應(yīng)變式力傳感器由彈性元件承受力并發(fā)生形變，使附著其上的電阻應(yīng)變器也發(fā)生形變，從而轉(zhuǎn)化為阻值變化[8]。同樣的輸入電壓下，輸出為毫伏（mV）信號(hào)，mV信號(hào)特別微小，容易受傳輸引線（電阻）、強(qiáng)電壓/電流（電磁）干擾，不能遠(yuǎn)傳，也不是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，不能被大部分的二次儀表、PLC等所采集。所以需要力傳感器與變送器配套使用，變送器又叫做信號(hào)放大器，可以將傳感器信號(hào)變送成標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V、0～10 V、4～20 mA信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，適合0～100 m以內(nèi)的信號(hào)傳輸，并且更容易被接收和采集。這里選擇的變送器輸入信號(hào)為0～20 mV DC，輸出信號(hào)為4～20mA，電源電壓為24V（DC）。

圖6 驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)定表與電流表

3 PLC控制與程序

3.1 PLC選型

考慮到力傳感經(jīng)變送器輸出的信號(hào)是模擬量信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作需要高速脈沖輸出，同時(shí)為方便以后功能的拓展等，選擇西門(mén)子S7-200 PLC。PLC的數(shù)字量輸出分為繼電器輸出和晶體管輸出兩種，繼電器輸出一般用于開(kāi)關(guān)頻率不高于0.5 Hz的場(chǎng)合，對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率高的應(yīng)用晶體管輸出，此外對(duì)PLC的輸入和輸出點(diǎn)要求不高，所以S7-226CN型CPU可以滿足要求。由于壓力變送器輸出的是4～20 mA信號(hào)，所以需要一個(gè)模擬量輸入擴(kuò)展模塊，通過(guò)查閱西門(mén)子PLC選型手冊(cè)，選擇EM231CN模塊。

3.2 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC數(shù)字量輸入、輸出信號(hào)如表1所示。

3.3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制功能的實(shí)現(xiàn)，主要是靠其內(nèi)部存儲(chǔ)的程序進(jìn)行控制的。使用一根PPI/PP電纜，一端連接在上位機(jī)上，一端連接在PLC的PORT口上，就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC的通信。STEP7-Micro/WIN軟件是Siemens公司專門(mén)為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)編程軟件。該軟件功能強(qiáng)大、界面友好，通過(guò)PPI通信協(xié)議，能方便地進(jìn)行各種編程操作，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)PLC程序執(zhí)行情況的監(jiān)控[9]。

表1 PLC數(shù)字量輸入、輸出

試驗(yàn)時(shí)模擬接觸網(wǎng)的替代模塊，需要分別測(cè)試集電裝置升至295 mm、330 mm、365 mm、400 mm、435 mm時(shí)各高度的靜接觸壓力，以及在處于標(biāo)準(zhǔn)工作高度365 mm時(shí)，不同速度上下運(yùn)行時(shí)的動(dòng)接觸壓力。替代模塊簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)位移圖如圖7所示。

圖7 替代模塊運(yùn)動(dòng)位移圖

西門(mén)子S7-226CN自帶位置控制模塊可以選擇配置PLC內(nèi)置PTO/PWM操作，指定Q0.0為X軸步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生器，Q0.1為Z軸步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生器，分別配置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)定義，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。這里簡(jiǎn)介Q0.0運(yùn)動(dòng)包絡(luò)配置方式，如圖8所示。

圖8 Q0.0運(yùn)動(dòng)包絡(luò)配置方式

根據(jù)X軸運(yùn)動(dòng)位移與速度要求，定義6個(gè)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，包絡(luò)0～4選擇操作模式為相對(duì)位置，包絡(luò)5選擇操作模式為單速連續(xù)旋轉(zhuǎn)。每個(gè)包絡(luò)的具體目標(biāo)速度與位移設(shè)置如表2所示。Q0.1運(yùn)動(dòng)包絡(luò)設(shè)定方式類似于Q0.1，只是具體運(yùn)動(dòng)包絡(luò)參數(shù)不一樣，Q0.1的每個(gè)包絡(luò)具體目標(biāo)速度與位移設(shè)置如表3所示。

表2 Q0.0運(yùn)動(dòng)包絡(luò)定義

表3 Q0.1運(yùn)動(dòng)包絡(luò)定義

每次試驗(yàn)之前，需要確保X、Z軸歸零，程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)是否到位，如果沒(méi)有歸零到位，需按下復(fù)位按鈕進(jìn)行X、Z軸歸零復(fù)位。在確認(rèn)兩軸都復(fù)位后，按下試驗(yàn)開(kāi)始按鈕，整個(gè)試驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行，可以通過(guò)數(shù)顯表觀測(cè)實(shí)時(shí)的接觸壓力值。

配置好位置控制模塊后，PLC會(huì)生成相應(yīng)的子程序，在使用這些子程序時(shí)，需要先啟用和初始化PTO輸出。

X、Z軸運(yùn)動(dòng)控制程序都是后一個(gè)模塊使能位為前一個(gè)模塊的完成位，依次執(zhí)行。這里給出了X、Z軸第一段運(yùn)動(dòng)控制程序，如圖9、圖10所示。

圖9 X軸第一段運(yùn)動(dòng)控制程序

圖10 Z軸第一段運(yùn)動(dòng)控制程序

最大、最小接觸壓力值采用比較法獲得，用兩個(gè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)分別存放最大值與最小值，通過(guò)與實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行比較，更新數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)數(shù)據(jù)。

部分壓力測(cè)量程序如圖11所示。

4 結(jié)語(yǔ)

軌道交通已成為市民出行中必不可少的代步工具，為保證跨座式單軌車輛的正常運(yùn)行，對(duì)于車輛集電裝置的維護(hù)顯得十分重要。

作為集電裝置維修檢查的重中之重，接觸壓力試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^準(zhǔn)確地檢測(cè)出集電裝置各工況下的受力情況，反映潛在的問(wèn)題隱患，做到減少甚至避免車輛運(yùn)行時(shí)由于機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)磨損、緊固件松動(dòng)、應(yīng)力損傷等情況引起的集電裝置軸承架斷裂、支撐桿斷裂等嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行安全的事故[10]。

本文通過(guò)對(duì)集電裝置接觸壓力試驗(yàn)原理的分析，確定了利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)方式，在滾珠絲杠配合步進(jìn)電機(jī)組成的二維移動(dòng)平臺(tái)與力傳感器共同作用下，實(shí)時(shí)測(cè)量出集電裝置在各個(gè)工作高度時(shí)的靜接觸壓力以及在標(biāo)準(zhǔn)工作高度時(shí)不同運(yùn)行速度下的動(dòng)接觸壓力；介紹了滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、力傳感器和PLC選型思路，編寫(xiě)了步進(jìn)電機(jī)控制程序、壓力檢測(cè)程序等。

圖11 壓力測(cè)量程序

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