張 騰，夏 青

（重慶機(jī)電裝備技術(shù)研究院有限公司，重慶 401123）

單軌轉(zhuǎn)向架換輪平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 騰，夏 青

（重慶機(jī)電裝備技術(shù)研究院有限公司，重慶 401123）

單軌換輪裝置的分離是單軌車輛維護(hù)中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)將轉(zhuǎn)向架與車體分離，從而完成輪胎的定期充氣、檢查及更換。主要介紹換輪轉(zhuǎn)向架換輪工作原理、工藝流程及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

單軌；轉(zhuǎn)向架；換輪；控制系統(tǒng)

0 引言

在城市軌道交通系統(tǒng)中，跨座式單軌交通是一種典型制式，具有線路占地少、線路構(gòu)造簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)彎半徑小、舒適性高、景觀性好等特點(diǎn)，尤其適合山地城市、地形復(fù)雜城市和建筑集中度高的城區(qū)和城郊。隨著重慶軌道交通的大力發(fā)展，單軌車次及車輛數(shù)逐步增加。在單軌車輛的維護(hù)中，因列車采用橡膠輪胎，磨損較大，需要定期對(duì)輪胎進(jìn)行充氣、檢查，查看輪胎是否需要更換，換輪任務(wù)繁重。國(guó)內(nèi)外均有類似設(shè)備，但國(guó)外設(shè)備價(jià)格昂貴，存在設(shè)備供貨周期長(zhǎng)、設(shè)備維護(hù)不便等諸多問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)可靠性高、簡(jiǎn)便、高效且易于維護(hù)的轉(zhuǎn)向架換輪平臺(tái)勢(shì)在必行。

1 換輪平臺(tái)組成及工作原理

換輪平臺(tái)由沉降梁、沉降梁旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、沉降梁定位插銷機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、升降平臺(tái)、水平保持機(jī)構(gòu)、平臺(tái)定位插銷機(jī)構(gòu)以及車體支撐裝置組成，包含驅(qū)動(dòng)裝置、防護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。

系統(tǒng)采用液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于油缸的作用，鉸鏈機(jī)構(gòu)作圓周運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)沉降梁作以滑動(dòng)軸承為中心的圓周運(yùn)動(dòng)，把油缸的直線推動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沉降梁的圓周運(yùn)動(dòng)。

換輪前，啟動(dòng)液壓工作站，電控系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋信號(hào)判斷沉降梁、支撐裝置和各插銷位置是否準(zhǔn)確，對(duì)不正確位置進(jìn)行復(fù)位后，發(fā)出車輛準(zhǔn)許進(jìn)入信號(hào)。換輪時(shí)，單軌車輛首先進(jìn)入沉降梁位置，由架車裝置支撐單軌車輛，驅(qū)動(dòng)升降平臺(tái)將轉(zhuǎn)向架及沉降梁本體下降至指定位置，進(jìn)而控制液壓系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)沉降梁旋轉(zhuǎn)45°工位，與維修工位軌梁對(duì)接，從而使換輪得以實(shí)現(xiàn)。水平保持機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、限位緩沖機(jī)構(gòu)用于旋轉(zhuǎn)梁旋轉(zhuǎn)到位后的定位、鎖緊及緩沖，用于保證系統(tǒng)的精度及安全。

2 換輪工藝流程

在充分了解并掌握轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組成的基礎(chǔ)上，擬訂了轉(zhuǎn)向架與車體相分離及換輪工藝流程，如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用靜液壓的方式傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足轉(zhuǎn)向架分離裝置的工作要求。換輪裝置中比較重要的是平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)，主要承受來(lái)至沉降梁、平臺(tái)以及轉(zhuǎn)向架等的載荷，采用兩個(gè)單級(jí)同步液壓油缸驅(qū)動(dòng)，升降距離約為2200mm。升降時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)要求沖擊小、并確保定位準(zhǔn)確。為保證平臺(tái)的水平位置，機(jī)構(gòu)同時(shí)采用了水平保持機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行剛性同步，從而保證平臺(tái)在做上下運(yùn)動(dòng)時(shí)保持水平同步。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 換輪工藝流程

當(dāng)液壓站啟動(dòng)以后，油箱里的液壓油由液壓泵經(jīng)過(guò)高壓過(guò)濾器打入液壓系統(tǒng)回路，為轉(zhuǎn)向架分離裝置的各個(gè)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。系統(tǒng)壓力由電磁溢流閥的設(shè)定值決定。各個(gè)液壓回路通過(guò)電磁換向閥的運(yùn)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)各自要求的功能。

3.1 換輪裝置的升降運(yùn)動(dòng)

轉(zhuǎn)向架分離裝置的升降運(yùn)動(dòng)主要是操作兩個(gè)單級(jí)同步油缸來(lái)完成的。上升運(yùn)動(dòng)，如圖3所示，當(dāng)兩個(gè)比例電磁閥開(kāi)啟左位，油液經(jīng)過(guò)液壓鎖進(jìn)入液壓缸油路，液壓缸位移傳感器反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例閥放大器，控制兩個(gè)比例閥的開(kāi)口，從而使得兩只缸完成同步上升動(dòng)作。系統(tǒng)上升油路2位2通電磁換向閥為油缸上升輔助調(diào)速功能，常位為常開(kāi)，控制其為右位時(shí)，上升油液經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流。壓力補(bǔ)償器保證比例閥進(jìn)出口的壓力差，使得其不受油缸負(fù)載變化的影響。序號(hào)13為液壓鎖，比例閥不運(yùn)作時(shí)油缸能自鎖在某個(gè)位置。下降運(yùn)動(dòng)：比例閥切換到右位，油缸開(kāi)始下降，序號(hào)24為節(jié)流閥，輔助調(diào)節(jié)下降速度，同時(shí)提供回油路背壓。在斷電等緊急情況下，本系統(tǒng)設(shè)置了緊急油口，保證該裝置的正常升降。

圖3 轉(zhuǎn)向架分離裝置升降運(yùn)動(dòng)液壓回路

3.2 換輪裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

轉(zhuǎn)向架分離裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要由一個(gè)數(shù)字油缸來(lái)完成驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。液壓系統(tǒng)主要有比例閥、壓力補(bǔ)償器等組成。比例閥主要控制數(shù)字缸的轉(zhuǎn)速，在各時(shí)間段通過(guò)比例控制器對(duì)數(shù)字油缸伸縮速度進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)滿足要求的沉降梁勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。配置的壓力補(bǔ)償器主要對(duì)比例閥進(jìn)出口（P—A，P—B）進(jìn)行保壓，使得數(shù)字缸的負(fù)載對(duì)比例閥無(wú)影響，確保比例閥控制的準(zhǔn)確性。

圖4 轉(zhuǎn)向架分離裝置旋轉(zhuǎn)液壓回路

3.3 換輪裝置的插銷運(yùn)動(dòng)

為確保轉(zhuǎn)向架分離裝置的升降定位和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)定位，本套液壓系統(tǒng)采用了插銷機(jī)械精確定位。而各個(gè)插銷的運(yùn)作則均由插銷液壓缸來(lái)完成。如圖5所示，液壓系統(tǒng)設(shè)置了旋轉(zhuǎn)定位插銷和平臺(tái)插銷。當(dāng)旋轉(zhuǎn)油缸完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，油液經(jīng)過(guò)電磁換向閥的換位進(jìn)入兩個(gè)旋轉(zhuǎn)定位插銷缸，完成旋轉(zhuǎn)插銷定位。旋轉(zhuǎn)插銷缸的運(yùn)作速度由進(jìn)油和回油路上的單向節(jié)流閥無(wú)級(jí)可調(diào)。同理，水平插銷的運(yùn)作是在轉(zhuǎn)向架完成上升后進(jìn)行的，四個(gè)插銷經(jīng)過(guò)電磁閥的換位同時(shí)推動(dòng)水平插銷完成水平機(jī)械定位，確保了轉(zhuǎn)向架的安全。四個(gè)水平插銷速度也是無(wú)級(jí)可調(diào)的。

3.4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)換輪裝置的作用、功能及要求，進(jìn)行了相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。

電氣控制系統(tǒng)主要有控制柜與操作臺(tái)，以控制液壓泵站的工作、閥的動(dòng)作、油缸行程控制、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置檢測(cè)及控制、相關(guān)的信號(hào)指示等。操作臺(tái)設(shè)置在八字形中央，立式按鈕結(jié)構(gòu)，由簿鋼板、鋼管焊接而成。

控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC），配合各位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)和執(zhí)行元件，保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性及調(diào)試的方便性。

圖5 轉(zhuǎn)向架分離裝置插銷液壓回路

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旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)及定位。采用模擬量輸出模塊（-10V～+10V）驅(qū)動(dòng)數(shù)字伺服缸，保證運(yùn)行的平穩(wěn)性，并采用高速脈沖計(jì)數(shù)模塊，配合減速位置開(kāi)關(guān)，確保定位的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性，使其定位精度滿足與PC梁對(duì)接時(shí)的左右錯(cuò)位不大于3mm。

升降臺(tái)上下。為了克服運(yùn)行速度的變化及到位的平穩(wěn)，在中間增加檢測(cè)開(kāi)關(guān)，配合液壓系統(tǒng)，使升降臺(tái)的速度可變，到位平穩(wěn)。

油壓檢測(cè)。用壓力繼電器檢測(cè)液壓系統(tǒng)的壓力，確保壓力到達(dá)后才能進(jìn)行轉(zhuǎn)向架分離操作；并在操作中，由于壓力失壓，可停止操作，保證系統(tǒng)的安全性。

操作?？煞謩e操作各個(gè)油缸單獨(dú)動(dòng)作，也可按換輪工藝進(jìn)行分步自動(dòng)操作，可適應(yīng)各種操作的要求；且在操作時(shí)由PLC自動(dòng)確定操作的可行性（例如沒(méi)有拔銷時(shí)，不能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或升降操作）。

狀態(tài)顯示。對(duì)各種運(yùn)行狀態(tài)和位置進(jìn)行顯示，以便操作者及時(shí)、清楚地了解設(shè)備的情況。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)運(yùn)用高精度電液比例控制技術(shù)及雙缸同步控制策略、精確回轉(zhuǎn)定位及安全自鎖等關(guān)鍵技術(shù)，具有位置狀態(tài)的檢測(cè)和多種安全保護(hù)裝置，以確保人員、車輛和設(shè)備的安全。經(jīng)過(guò)單軌轉(zhuǎn)向架換輪現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)測(cè)試運(yùn)用，系統(tǒng)高效、可靠，完全滿足單軌車輛車體與轉(zhuǎn)向架分離和轉(zhuǎn)向架的換輪作業(yè)要求。該裝置的研究實(shí)現(xiàn)，對(duì)助推軌道交通站場(chǎng)關(guān)鍵裝備國(guó)產(chǎn)化、本地化具有重要意義。

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Design of control system for change-wheel bogies platform in monorail train

ZHANG Teng, XIA Qing

TP271

：B

1009-0134(2017)03-0043-04

2016-12-23

張騰（1988 -），男，重慶人，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制和嵌入式系統(tǒng)。