羊懷茂 梁 銘

(中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所 陜西 西安 710054)

25T型客車密接式車鉤是用于車體連掛的車鉤緩沖裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)運(yùn)裝客車【2004】36號《關(guān)于印發(fā)25T型客車鉤緩裝置技術(shù)審查意見和技術(shù)條件的通知》，該裝置在新造的25T型新型160 km/h速度等級客車上使用，主要由車鉤安裝吊掛機(jī)構(gòu)、緩沖器和連掛機(jī)構(gòu)等三部分組成。依據(jù)《鐵路客車段修規(guī)程》(鐵總運(yùn)【2014】349號)普速列車段修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，客車高級修時需在具有檢修資質(zhì)的段修基地對密接式車鉤進(jìn)行拆卸和安裝，因此，密接式車鉤檢修是客車檢修的重要環(huán)節(jié)，也是確保鐵路安全運(yùn)營的重要措施之一。

圖1 25T密接式車鉤結(jié)構(gòu)圖

目前，密接式車鉤檢修有兩種方式。全國多數(shù)車輛段對密接式車鉤輔助檢修設(shè)備采取傳統(tǒng)的工器具進(jìn)行，以叉車改裝為主要手段，該方式雖能將車鉤從車體端部拆卸，但需要過渡車鉤，對操作人員的要求較高，尤其是在安裝時難以保證安裝孔位的密貼與對齊。有少數(shù)車輛段采取簡易支架和叉車混合的形式組織日常檢修作業(yè)，該方式需要車間頂部桁車、叉車及簡易支架協(xié)同作業(yè)，其中簡易支架主要用于人工以絲桿的形式調(diào)節(jié)車鉤與車體的相對位置。檢修設(shè)備的落后嚴(yán)重限制了車輛檢修效率，為進(jìn)一步解決密接式車鉤檢修設(shè)備效率低、多器具混合等問題，本文設(shè)計(jì)了一種用于25T型客車密接式車鉤運(yùn)載及專用輔助拆裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車鉤檢修作業(yè)全過程自動化，為智能化檢修提供基本輔助設(shè)備。

1 密接式車鉤運(yùn)載及輔助拆裝設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

經(jīng)過分析現(xiàn)場作業(yè)流程及周圍環(huán)境等信息，確定了基本的技術(shù)需求：(1)運(yùn)輸以直流伺服電機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)公鐵轉(zhuǎn)換及單獨(dú)運(yùn)行，在鋼軌運(yùn)行時鐵輪起導(dǎo)向及牽引作用；(2)行駛方式為全向移動，具備前后、左右、斜向、自旋、多擋位切換等模態(tài)；(3)控制方式以無線遙控為主，手動隨機(jī)控制為輔，根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近距離控制；(4)設(shè)計(jì)承載量為3.3 t，最大負(fù)載1.8 t，行駛速度最大1 m/s，最大爬坡角度為5°，連續(xù)工作時間為3 h；(5)單次檢修作業(yè)時間不超過6 min。經(jīng)過分析采用麥克納姆輪、直流伺服電動缸、公鐵轉(zhuǎn)換車輪及PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上述要求，研制一種新型自走行密接式車鉤檢修設(shè)備，并提出一種與之相適應(yīng)的檢修作業(yè)方法。

1.2 總體設(shè)計(jì)

集密接式車鉤運(yùn)載與拆裝一體化作業(yè)的智能化設(shè)備，主要由驅(qū)動與減振系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、公鐵轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、車鉤縱向與橫向調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車架與外殼等部分組成。圖2為密接式車鉤運(yùn)載與拆裝智能設(shè)備結(jié)構(gòu)。該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)由多個獨(dú)立的裝置組成，每個裝置都設(shè)有單獨(dú)的驅(qū)動及動力裝置，根據(jù)需要獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各自的功能。驅(qū)動與減振系統(tǒng)是設(shè)備主要的驅(qū)動與安全保障部件，該部分采用4套獨(dú)立的麥克納姆輪組成，4套電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，同時設(shè)置減振與浮動裝置，采用輕質(zhì)彈簧及其調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地面的穩(wěn)定三自由度隨意運(yùn)動；動力系統(tǒng)是設(shè)備能源與動力的供應(yīng)站，由蓄電池及其管理系統(tǒng)組成；控制系統(tǒng)主要任務(wù)是控制全車的啟動、停車、控制模式切換、調(diào)速及設(shè)置、安全檢測與監(jiān)控等；公鐵轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由4個同步升降的鐵輪、限位裝置、鐵輪位置提醒裝置等組成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備同時具備公路與鐵路的走行功能；縱向及橫向調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為設(shè)備的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由電缸及其輔助支撐裝置、橫行微調(diào)裝置、限位裝置組成，該裝置在車鉤安裝時的橫向與縱向位置能根據(jù)需要調(diào)節(jié)；車架與外殼為設(shè)備的主要骨架，檢測模塊均安裝在外合體及車架[1]。

1—橫向微調(diào)裝置；2—螺栓承接孔；3—縱向頂升裝置；4—人機(jī)交互界面；5—能源供應(yīng)裝置；6—走行輪浮動裝置；7—外殼體；8—鐵輪升降裝置；9—電控箱；10—主車架。圖2 密接式車鉤運(yùn)載與拆裝智能設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.3 重要結(jié)構(gòu)工作原理

在密接式車鉤運(yùn)載與拆裝智能設(shè)備的多個重要結(jié)構(gòu)中，重點(diǎn)描述鐵輪升降、縱向起升及橫向微調(diào)的基本工作原理。鐵輪升降裝置主要實(shí)現(xiàn)鐵輪在軌升降，當(dāng)激光標(biāo)定提示設(shè)備已經(jīng)具備在軌落輪時，啟動縱向起升電機(jī)，當(dāng)升降裝置觸發(fā)各自的下限位傳感器時停止運(yùn)行；縱向起升裝置主要實(shí)現(xiàn)車鉤的縱向調(diào)節(jié)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的高度，當(dāng)觸發(fā)調(diào)節(jié)按鈕后該裝置自動起升，觸發(fā)上限位傳感器時停止運(yùn)行，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)脈沖時間實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)； 橫向微調(diào)裝置實(shí)現(xiàn)安裝車鉤時的微小調(diào)節(jié)，采用絲桿驅(qū)動和布置同側(cè)紅外傳感器的形式，預(yù)先設(shè)定運(yùn)行距離，根據(jù)反饋信號實(shí)現(xiàn)移動精確距離和往復(fù)運(yùn)動，作業(yè)結(jié)束后該裝置自動回歸初始位置。

1.4 走行浮動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)全部麥克納姆輪發(fā)揮作用時，才會按既定的路線行駛，但實(shí)際中由于地面不平整性、各輪承受載荷不均勻等原因，行駛時很難保證所有的麥克納姆輪均發(fā)揮作用，存在單輪不著地的情況，這就造成設(shè)備對地形適應(yīng)性不理想，運(yùn)動軌跡很難精確控制，存在偏差。因此，需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)麥克納姆輪減振浮動系統(tǒng)[2-3]。經(jīng)過比選，設(shè)計(jì)了減振浮動裝置的運(yùn)動簡圖如圖3所示，由圖可知：

圖3 減振浮動裝置示意簡圖

(1)

式中：F為單個麥克納姆輪的受力；F1為鉸鏈端的受力；F2為彈簧端的總受力；L1為鉸鏈端軸承中心到麥克納姆輪中心的距離；L2為彈簧端中心到麥克納姆輪中心的距離。

設(shè)備的技術(shù)參數(shù)要求設(shè)備浮動機(jī)構(gòu)留有10 mm的伸縮量，由胡克定律可得：

(2)

式中：Pm為最小工作載荷時彈簧受力，Xm為最小工作載荷時彈簧的變形量；Pn為最大工作載荷時彈簧受力，Xn為最大工作載荷時彈簧的變形量；K為彈簧剛度系數(shù)。依據(jù)本方案中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，在理想狀態(tài)下得到單個車輪所受載荷為8 kN，經(jīng)過計(jì)算可得單個彈簧所受力為2 527 N。

在設(shè)計(jì)時，麥克納姆輪徑向一端由軸承構(gòu)成鉸鏈回轉(zhuǎn)，另一端的2根矩形彈簧可使麥克納姆輪在縱向具有一定的緩沖作用。為節(jié)省橫向空間，設(shè)計(jì)方案中減速器采用垂直傳動方式進(jìn)行，但并不影響力矩的傳遞，兩側(cè)板用于支撐彈簧和減速器，鉸鏈回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)置深溝球軸承及防塵軸承端蓋，彈簧支撐座嵌有彈簧伸縮量微調(diào)機(jī)構(gòu)，用于提升麥克納姆輪與頂板的自然距離，上連接板與車架連接，設(shè)有定位用連接孔位，以確定驅(qū)動輪間的相對位置。圖4為減振浮動裝置結(jié)構(gòu)圖。

2 密接式車鉤運(yùn)載及輔助拆裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的中樞，而控制器則是系統(tǒng)的核心，具備精確的位置控制能力，抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，滿足設(shè)備傳動與控制性能需求并符合現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)需要及規(guī)章要求。本文采用臺達(dá)AS228T-A PLC(Programmable Logic Controller )作為核心控制器，同時選用AS16M10N-A和AS16N01T-A兩個I/O擴(kuò)展板，為實(shí)現(xiàn)無線和本地控制方式的切換，設(shè)有無線控制器，使整個控制系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)，更加安全和便捷[4-6]。

圖4 減振浮動裝置結(jié)構(gòu)圖

密接式車鉤運(yùn)載及輔助拆裝設(shè)備控制系統(tǒng)硬件部分如圖5所示，該系統(tǒng)主要由PLC、繼電器、空氣開關(guān)、限位開關(guān)、超聲波傳感器、電機(jī)驅(qū)動、機(jī)械防撞、信號燈、觸摸屏、無線接收與發(fā)射終端等組成，通過RS485和Modbus通訊方式與PLC進(jìn)行指令及信息交流，并將相關(guān)信息在觸摸屏顯示。直流伺服電機(jī)、接近開關(guān)、機(jī)械防撞裝置將反饋信號傳遞給PLC，以提示操作者反應(yīng)，使整個設(shè)備能夠按照需要高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 PLC控制流程設(shè)計(jì)

密接式車鉤運(yùn)載與拆裝智能設(shè)備的安裝工作流程為：在安裝車鉤時，先將設(shè)備行駛到車鉤檢修間由頂部桁車將車鉤吊至設(shè)備，此時電缸處于縮回狀態(tài)，該過程中應(yīng)將車鉤銷軸落入設(shè)備螺栓承接孔，車鉤另一端由大托板承接，然后將設(shè)備行駛到安裝位置，使設(shè)備以最小速度垂直鐵路軌道行駛， 并開啟設(shè)備底部對準(zhǔn)光標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)與軌道內(nèi)邊緣對齊時， 將控制手柄切換至鐵輪升降狀態(tài)，啟動鐵輪下降，當(dāng)顯示

圖5 設(shè)備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

屏提示落輪完成時，啟動鐵輪走行裝置，將設(shè)備在軌運(yùn)行至距安裝位置的適當(dāng)距離處，啟動縱向頂升裝置，同時調(diào)整車鉤尾部安裝座，當(dāng)孔位全部對齊時，停止起升，此時人工安裝緊固螺栓，當(dāng)需要孔位調(diào)整時，啟動橫向微調(diào)裝置，使緊固螺栓完全穿過孔位，車鉤安裝完成后設(shè)備退出軌道。依據(jù)工作流程設(shè)計(jì)了如圖6所示的控制程序，該設(shè)備所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，需實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，對直流伺服電機(jī)采用方向和脈沖的控制方式，步進(jìn)電機(jī)采取脈沖的形式實(shí)現(xiàn)各種形式和速度的運(yùn)動。

圖6 PLC控制流程設(shè)計(jì)

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

觸摸屏人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)主要包括創(chuàng)建畫面、按鈕、參數(shù)輸入、報警顯示、歷史報警記錄等功能元件，并使其與主控制器內(nèi)部地址一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)操作控制一體化。

圖7 人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7為人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用臺達(dá)DOP-107DV型號觸摸屏，手動運(yùn)行時在觸摸屏觸發(fā)啟停按鈕，通過DOPSoft軟件設(shè)置具體按鈕的功能及參數(shù)匹配，通過RS485接口與PLC連接。該系統(tǒng)主要包括電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置及實(shí)時監(jiān)控界面、故障報警及開機(jī)診斷、遠(yuǎn)程及本地控制方式的切換、電量顯示等功能。

3 密接式車鉤運(yùn)載及輔助拆裝設(shè)備試驗(yàn)

3.1 設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)

為驗(yàn)證該設(shè)備的各項(xiàng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，以國家工業(yè)機(jī)器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展相關(guān)技術(shù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，在某客車車輛段進(jìn)行常態(tài)化密接式車鉤檢修作業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)主要進(jìn)行了整機(jī)運(yùn)載(基本運(yùn)動及其精度測試、負(fù)載、空載)、通訊、故障提醒、公鐵轉(zhuǎn)換、日常作業(yè)流程探索等試驗(yàn)，驗(yàn)證各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)載試驗(yàn)中樣機(jī)在空載和負(fù)載情況下最大平均速度分別為1.2 m/s、1.03 m/s。在空載時，測試運(yùn)動速度分別為0.05 m/s、0.63 m/s、1.2 m/s，向前運(yùn)動時偏離基線值分別為15.2 mm、20.3 mm、51.3 mm，向后運(yùn)動時偏離基線值分別為35.1 mm、38.5 mm、36.1 mm。在負(fù)載時，載重為400 kg，測試運(yùn)動速度，分別為0.05 m/s、0.625 m/s、1.03 m/s，向前運(yùn)動時偏離基線值分別為34.8 mm、38.1 mm、57.5 mm，向后運(yùn)動時偏離基線值分別為39.6 mm、43.2 mm、44.2 mm。經(jīng)測試無線遙控與樣機(jī)間最大通訊距離為50 m，在制動試驗(yàn)中無負(fù)載最大速度正向定點(diǎn)停車測試中，到達(dá)終點(diǎn)時偏移量為75.3 mm，負(fù)載情況下偏移量為122.5 mm。原地旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)一周耗時28 s。報警裝置感應(yīng)距離為25 cm，停車距離10 cm，鐵輪降落時間為20 s，鐵輪在軌走行速度為0.05 m/s，公鐵轉(zhuǎn)換試驗(yàn)中，車體上軌時間平均為46 s，平均無故障作業(yè)時間為15 min，車鉤完整檢修作業(yè)耗時5 min30 s。

4 結(jié)論

根據(jù)需求研制了一種具備全向移動的密接式車鉤運(yùn)載及輔助拆裝設(shè)備，對其總體設(shè)計(jì)、重要部件結(jié)構(gòu)、工作原理及控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)說明?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明：該設(shè)備具備較大的承載能力，可將密接式車鉤運(yùn)送到指定安裝地點(diǎn)，可完成車鉤安裝孔位輔助自動對正要求，在車間內(nèi)部狹窄環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，運(yùn)載過程中速度可調(diào)，滿足不同的運(yùn)輸場合需要，設(shè)備平均無故障作業(yè)時間為15 min，車鉤完整檢修作業(yè)耗時5 min30 s。該設(shè)備已經(jīng)在現(xiàn)場得到實(shí)際應(yīng)用，取得了良好效果，在提高檢修作業(yè)自動化的同時節(jié)省了人力成本，降低了勞動強(qiáng)度，具有較高的推廣價值。