趙 劍，馬 泳

（北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司工程機(jī)械研發(fā)中心，北京 100072）

快速多功能綜合作業(yè)車（以下簡(jiǎn)稱作業(yè)車）是北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司從德國(guó)GBM公司買入技術(shù)，通過公司自行技術(shù)創(chuàng)新、制造的作用于新型高速電氣化鐵路的綜合作業(yè)車。其在以下幾種情況會(huì)出現(xiàn)車體傾斜的情況：

（1）在旋轉(zhuǎn)和升降作業(yè)平臺(tái)向一側(cè)伸出作業(yè)時(shí)；

（2）在高空作業(yè)斗向一側(cè)伸出作業(yè)時(shí)；

（3）在作業(yè)車過彎時(shí)；

（4）在強(qiáng)風(fēng)從側(cè)面吹向作業(yè)車時(shí)。

考慮極端情況，作業(yè)車在過彎時(shí)，旋轉(zhuǎn)和升降作業(yè)平臺(tái)、高空作業(yè)斗均向彎道內(nèi)側(cè)伸出作業(yè)，并且有強(qiáng)風(fēng)由彎道外側(cè)吹向內(nèi)側(cè)，此時(shí)作業(yè)車將發(fā)生嚴(yán)重傾斜，并可能導(dǎo)致作業(yè)車側(cè)翻，引發(fā)作業(yè)安全事故發(fā)生。如何保證作業(yè)車車體存在傾斜的工況下能安全作業(yè)，將是本文重點(diǎn)考慮的問題。由此提出了作業(yè)車在恒低速作業(yè)時(shí)能自動(dòng)調(diào)平功能的設(shè)想。

1 概述

1.1 作業(yè)車轉(zhuǎn)向架工作狀態(tài)說(shuō)明

作業(yè)車的運(yùn)行模式選擇分為牽引模式和作業(yè)模式。當(dāng)作業(yè)車處于牽引模式情況時(shí)，作業(yè)車運(yùn)行速度較快，此時(shí)為保證行車安全，作業(yè)車轉(zhuǎn)向架（如圖1所示）中六支撐油缸均不起支撐作用，車架、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱間為柔性連接；當(dāng)作業(yè)車處于作業(yè)模式時(shí)，此時(shí)為一恒低速運(yùn)行狀況，為保證作業(yè)人員安全，轉(zhuǎn)向架六支撐油缸將工作，所有一級(jí)支撐油缸將完成軸箱與構(gòu)架間的剛性支撐，所有二級(jí)支撐油缸將完成構(gòu)架與車架間的剛性支撐，通過兩級(jí)支撐，完成車架與鐵軌間的剛性支撐。

圖1 作業(yè)車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

1.2 自動(dòng)調(diào)平功能方案引入

當(dāng)作業(yè)車處于作業(yè)模式時(shí)，旋轉(zhuǎn)和升降作業(yè)平臺(tái)、高空作業(yè)斗均有可能工作，并且側(cè)向伸出值較大，此時(shí)由于力矩作用，作業(yè)機(jī)具伸出側(cè)壓力會(huì)大于另一側(cè)，如作業(yè)車正在彎道作業(yè)，由于彎道處存在軌道高度差，外側(cè)軌道高于內(nèi)側(cè)軌道，此時(shí)壓力差會(huì)更加明顯，如大于某一值，作業(yè)車則可能出現(xiàn)側(cè)翻。由此，作業(yè)車具備自動(dòng)調(diào)平功能十分重要。因原車已經(jīng)具有起剛性支撐作用的油缸，所以本自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)將在此基礎(chǔ)上對(duì)液壓部分進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平功能。

1.3 自動(dòng)調(diào)平功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)想

在車體與轉(zhuǎn)向架之間中心位置橫向加裝水平類傳感器，此傳感器在車體出現(xiàn)傾斜時(shí)能返回傾斜角度值數(shù)據(jù)，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)指導(dǎo)一、二級(jí)支撐油缸伸縮行程量，通過調(diào)節(jié)左右兩側(cè)一、二級(jí)油缸伸縮來(lái)達(dá)到調(diào)平車體的目的，后文將就此設(shè)想進(jìn)行論證。自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)示意圖，如圖2所示（單轉(zhuǎn)向架）。

圖2 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)示意圖

1.4 使用環(huán)境

根據(jù)前文的描述，可以看出調(diào)平系統(tǒng)主要作用的環(huán)境為：當(dāng)作業(yè)車正處于作業(yè)模式，且作業(yè)車正在過彎，且旋轉(zhuǎn)和升降作業(yè)平臺(tái)、高空作業(yè)斗兩種作業(yè)機(jī)具均伸向彎道內(nèi)側(cè)時(shí)，此時(shí)如作業(yè)車傾斜角度大于某一值，調(diào)平系統(tǒng)將開始作用。

兩級(jí)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)作用于轉(zhuǎn)向架軸箱與構(gòu)架、構(gòu)架與車體之間。

2 技術(shù)方案

要實(shí)現(xiàn)車體調(diào)平，本方案采用了電液控制液壓自動(dòng)調(diào)平。調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括如下四部分：十二個(gè)支撐油缸，每轉(zhuǎn)向架分布六個(gè)，布置如圖1所示；油缸所對(duì)應(yīng)的電磁比例方向閥；一個(gè)傾角傳感器，安裝于車體下端橫向中間位置；一套PLC控制器。

下面從自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)兩方面進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 車體自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)

本方案要用于作業(yè)車在作業(yè)模式下的車體調(diào)平，方案的提出是從安全考慮，所以本方案不僅要解決車體調(diào)平的問題，更重要的是調(diào)平過程的平穩(wěn)性、可靠性以及快速性。根據(jù)需求進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

（1）系統(tǒng)原理

車體自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。液壓系統(tǒng)由四個(gè)閥控油缸支路組成，每一支路由一個(gè)電磁比例方向閥控制。四支路共用液壓泵站，該泵站能提供大流量壓力油，便于實(shí)現(xiàn)油缸的快速伸縮。四支路中，缸 e、f、g、h所在支路用于左側(cè)一級(jí)支撐，即左側(cè)前后兩轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱間的支撐；缸i、j、k、l所在支路用于右側(cè)一級(jí)支撐，即右側(cè)前后兩轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱間的支撐；缸a、b所在支路用于左側(cè)二級(jí)支撐，即左側(cè)前后兩轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的支撐；缸c、d所在支路用于右側(cè)二級(jí)支撐，即右側(cè)前后兩轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的支撐。通過兩級(jí)支撐左右油缸的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)車體左右的調(diào)平。

圖3 車體自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)原理圖

（2）自動(dòng)調(diào)平動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

從前文所述得知，自動(dòng)調(diào)平功能模塊工作在作業(yè)車處于作業(yè)模式下。十二個(gè)油缸作用之一，實(shí)現(xiàn)車體與鋼軌間剛性支撐；作用之二，實(shí)現(xiàn)車體左右側(cè)調(diào)平。當(dāng)作業(yè)車選取為作業(yè)模式時(shí)，六油缸均伸出一定值，以便實(shí)現(xiàn)作業(yè)車作業(yè)時(shí)的剛性支撐，當(dāng)車體出現(xiàn)傾斜情況時(shí)，通過傳感器采集到車體傾斜信號(hào)，如向左側(cè)傾斜，則電磁比例方向閥A、B協(xié)調(diào)工作，兩閥均Ⅰ端導(dǎo)通，油泵對(duì)作業(yè)車左側(cè)六油缸下側(cè)充油，油缸伸出，調(diào)平車體；或電磁比例方向閥C、D協(xié)調(diào)工作，兩閥均Ⅱ端導(dǎo)通，油泵對(duì)作業(yè)車右側(cè)六油缸上側(cè)充油，油缸縮回，調(diào)平車體；反之，車體出現(xiàn)向右側(cè)傾斜情況時(shí)，油泵對(duì)作業(yè)車右側(cè)六油缸下側(cè)充油，油缸伸出，調(diào)平車體；或油泵對(duì)作業(yè)車左側(cè)六油缸上側(cè)充油，油缸縮回，調(diào)平車體。此處僅說(shuō)明液壓系統(tǒng)工作原理，具體動(dòng)作時(shí)是一個(gè)很復(fù)雜的過程，將受PLC控制，下文中將有詳細(xì)描述。

2.2 車體自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)

2.2.1 控制系統(tǒng)組成

考慮到作業(yè)車需要高安全性，對(duì)控制的平穩(wěn)、精準(zhǔn)、無(wú)差錯(cuò)性要求很高，而PLC抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)單、可維護(hù)性好，所以控制系統(tǒng)采用PLC；由于要采集到水平傾斜信號(hào)，出于可操作性、準(zhǔn)確性考慮，選用水平傾角數(shù)字傳感器。水平傾角數(shù)字傳感器將車體的傾斜情況以角度值形式反饋給PLC，經(jīng)PLC控制程序運(yùn)算處理后，轉(zhuǎn)化為對(duì)閥的控制信號(hào)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后對(duì)閥進(jìn)行控制，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

2.2.2 控制邏輯流程

車體自動(dòng)調(diào)平算法流程如圖5所示，其中α為傾斜角度，t1為調(diào)平時(shí)左側(cè)充油時(shí)間，t2為調(diào)平時(shí)右側(cè)充油時(shí)間，Δt為一個(gè)設(shè)定單位充油時(shí)間。

圖5 車體自動(dòng)調(diào)平控制算法流程圖

因用于調(diào)平功能的十二個(gè)油缸不只用于調(diào)平，還將實(shí)現(xiàn)車體與鋼軌間的剛性連接，所以此處設(shè)置兩時(shí)間參數(shù)，原始值為零，為實(shí)現(xiàn)調(diào)平對(duì)相應(yīng)油缸充油時(shí)，時(shí)間遞增，只有時(shí)間參數(shù)值大于零時(shí)，才能從相應(yīng)的油缸下端放油，當(dāng)時(shí)間參數(shù)遞減至零時(shí)，則不能繼續(xù)放油，如此則確保了先前用于剛性支撐時(shí)油缸的油量不變。具體實(shí)現(xiàn)見如下描述：

經(jīng)水平傾角數(shù)字傳感器直接采集到的數(shù)字信號(hào)（設(shè)定車體出現(xiàn)左向傾斜時(shí)水平傾角數(shù)字傳感器得到為正角度值），傳遞給PLC進(jìn)行運(yùn)算處理，然后進(jìn)行調(diào)平。調(diào)平因角度值的不一樣會(huì)有以下三種情況：

（1）如果α>0，則證明車體向左傾斜，時(shí)間參數(shù)t2可能存在兩種情況：如果t2≥0，此時(shí)則證明右側(cè)油缸未因調(diào)平而充油，此時(shí)要實(shí)現(xiàn)調(diào)平，只能對(duì)左側(cè)油缸充油，此時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為閥A、B的控制信號(hào)，此時(shí)閥A、B的I端通電，即對(duì)車體左側(cè)上下兩級(jí)六油缸充油，時(shí)間參數(shù)t1以Δt遞增，以實(shí)現(xiàn)調(diào)平。當(dāng)PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時(shí)，調(diào)平停止；t2>0，此時(shí)證明右側(cè)油缸之前因調(diào)平已經(jīng)有充油，此時(shí)要實(shí)現(xiàn)調(diào)平，則對(duì)右側(cè)油缸放油即可，此時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為閥C、D的控制信號(hào)，此時(shí)閥C、D的Ⅱ端通電，即對(duì)車體右側(cè)六油缸放油，時(shí)間參數(shù)t2以Δt遞減，以實(shí)現(xiàn)調(diào)平。當(dāng)時(shí)間參數(shù)t2遞減至0時(shí)仍未實(shí)現(xiàn)調(diào)平，則回到條件t2≥0繼續(xù)調(diào)平動(dòng)作，當(dāng)PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時(shí)，調(diào)平停止；

（2）如果α<0，則證明車體向右傾斜，時(shí)間參數(shù)t1可能存在兩種情況：如果t1≥0，此時(shí)則證明左側(cè)油缸未因調(diào)平而充油，此時(shí)要實(shí)現(xiàn)調(diào)平，只能對(duì)右側(cè)油缸充油，此時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為閥C、D的控制信號(hào)，此時(shí)閥C、D的I端通電，即對(duì)車體右側(cè)六油缸充油，時(shí)間參數(shù)t2以Δt遞增，以實(shí)現(xiàn)調(diào)平。當(dāng)PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時(shí)，調(diào)平停止；如果t1>0，此時(shí)則證明左側(cè)油缸之前因調(diào)平已經(jīng)有充油，此時(shí)要實(shí)現(xiàn)調(diào)平，則對(duì)左側(cè)油缸放油即可，此時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為閥A、B的控制信號(hào)，此時(shí)閥A、B的Ⅱ端通電，即對(duì)車體右側(cè)六油缸放油，時(shí)間參數(shù)t1以Δt遞減，以實(shí)現(xiàn)調(diào)平，當(dāng)時(shí)間參數(shù)t1遞減至0時(shí)仍未實(shí)現(xiàn)調(diào)平，則回到條件t1≥0繼續(xù)調(diào)平動(dòng)作，當(dāng)PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時(shí)，調(diào)平停止。

（3）如果α=0，則證明車體水平，此時(shí)不用調(diào)平。因閥為電磁比例方向閥，所以還可以通過PLC根據(jù)傾斜角度大小對(duì)閥的流量進(jìn)行控制，當(dāng)傾斜角度較小，閥流量變小，當(dāng)傾斜角度較大，則閥流量變大。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸的快速充放油。

2.3 方案論證

因用于剛性支撐的油缸設(shè)置分兩級(jí)，所以自動(dòng)調(diào)平方案也采用兩級(jí)調(diào)平，根據(jù)調(diào)平液壓及控制系統(tǒng)描述，可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)一、二級(jí)油缸相對(duì)應(yīng)電磁比例方向閥的流速，以達(dá)到一、二級(jí)同時(shí)、等行程調(diào)平。此方案液壓系統(tǒng)主要應(yīng)該考慮以下幾種參照因素：缸徑、油缸承重、所需供油泵提供的動(dòng)力、充油速度以及缸行程。論證計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 論證計(jì)算參數(shù)表

（1）油缸的選擇

根據(jù)作業(yè)車總體布置及限界的規(guī)定，以及考慮控制方便，所有六缸均選擇缸徑為100 mm，設(shè)缸徑為φ缸。

（2）油缸承重

作業(yè)車整車重約8×104kg，減去轉(zhuǎn)向架重量約1.2×104kg，設(shè)二級(jí)支撐由四個(gè)油缸實(shí)現(xiàn)，所以二級(jí)支撐中每個(gè)油缸承重設(shè)為M，約為1.7×104kg。一級(jí)支撐由八個(gè)油缸支撐，所以只要二級(jí)支撐油缸滿足承重要求，一級(jí)支撐八油缸承重更能滿足要求。

因F=M×10 N/kg=1.7×105N

所以P=F/S=21.7 MPa

因兩級(jí)調(diào)平時(shí)，一、二級(jí)油缸同時(shí)、等行程，所以油缸行程計(jì)算時(shí)考慮兩級(jí)總體行程，即H2。

根據(jù)H1=180 mm、W2=1435 mm、W=2 400 mm、H1/H2=W2/W。

所以，得出H2≈301 mm≈300 mm

根據(jù)計(jì)算過程，此H2為充分調(diào)平狀態(tài)兩側(cè)兩級(jí)油缸行程差，考慮減除一定角度內(nèi)不用調(diào)平的高度差，再分至兩級(jí)，考慮兩級(jí)油缸安裝位置關(guān)系，以及前期用于剛性支撐所需行程，給出充分余量，每級(jí)調(diào)平則只需要行進(jìn)200 mm，設(shè)為H3。

因R=50 mm、V缸=H3πR2

所以V缸=1570 ml。

因 L=70m、ν車 =2.8 m/s

可以計(jì)算出作業(yè)車以作業(yè)速度從直道進(jìn)入彎道內(nèi)軌道最大超高處的時(shí)間，此時(shí)間即為油缸為實(shí)現(xiàn)調(diào)平，充油至最大行程時(shí)的充滿油所需時(shí)間，設(shè)為t，所以 t=L/ν車 =25 s。

因L為極限值，所以此時(shí)間也為極限時(shí)間，即充滿油最快要求的時(shí)間。

考慮其中最多充油量的支路B或D，因其有四個(gè)油缸，所以充油為量為4×V缸，所以充油最快速度即為ν充=4×V缸/t=251.2 ml/s。得出電磁比例方向閥最大流量要求即為此要求，同時(shí)得出ν閥=251.2 ml/s。

經(jīng)過計(jì)算，由假設(shè)論證的油缸的選擇缸行程，油缸選擇不是問題；由油缸的承重可以得出，需要供油泵能提供的動(dòng)力為21.7 MPa，目前市場(chǎng)上能提供此動(dòng)力的泵很常見，所以供油泵可以實(shí)現(xiàn)；由充油速度可以得出，電磁比例方向閥最大流量要求為251.2 ml/s，查相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)，大量型號(hào)可滿足此要求，所以電磁比例方向閥實(shí)現(xiàn)也較容易。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)前文論證，本方案從理論上講，滿足作業(yè)車在作業(yè)模式、彎道作業(yè)時(shí)發(fā)生傾斜情況下的自動(dòng)調(diào)平功能需求。

[1]李 光，等.靜壓樁機(jī)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的研制[J].建筑機(jī)械，2001，（6）：32-33.