陳 凱

（山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，濟(jì)南 250022）

雙軸客運(yùn)專線軌排螺栓智能擰緊機(jī)研制

陳 凱

（山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，濟(jì)南 250022）

為適應(yīng)高速鐵路發(fā)展，改變現(xiàn)有軌道螺栓作業(yè)方式，設(shè)計(jì)提出了一種簡(jiǎn)單、可靠、效率高、扭矩大、無沖擊、噪音小、扭矩控制精度高的工務(wù)養(yǎng)護(hù)設(shè)備，該設(shè)備使用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用36V安全電壓鋰電池供電，通過高精度扭矩傳感器和專用控制器對(duì)兩側(cè)螺母同步擰緊控制，該設(shè)備提高了客運(yùn)專線軌排螺栓的擰緊質(zhì)量，大幅提升了作業(yè)效率，保障了行車安全。在對(duì)控制原理分析和設(shè)備實(shí)際工作過程介紹基礎(chǔ)上，給出一種雙軸客運(yùn)專線軌排螺栓智能擰緊設(shè)備設(shè)計(jì)方案。

軌排螺栓；擰緊機(jī)；控制器；鋰電池

0 引言

現(xiàn)有的軌排螺栓擰緊主要采取以T型手動(dòng)扳手手工操作和沖擊式內(nèi)燃機(jī)動(dòng)螺栓扳手兩種作業(yè)方式。手工擰緊的勞動(dòng)強(qiáng)度大、螺栓擰緊質(zhì)量無法保證；內(nèi)燃機(jī)動(dòng)螺栓扳手存在沖擊大、噪音大和螺栓擰緊精度低的缺陷[1]。市場(chǎng)急需一種螺栓擰緊精度高、無沖擊、噪音小的替代產(chǎn)品來保證客運(yùn)專線軌排螺栓的擰緊質(zhì)量，保障行車安全。

為適應(yīng)高速鐵路發(fā)展，改變現(xiàn)有軌道螺栓作業(yè)方式，本文設(shè)計(jì)提出了一種簡(jiǎn)單、可靠、效率高、扭矩大、無沖擊、噪音小、扭矩控制精度高的工務(wù)養(yǎng)護(hù)設(shè)備，該設(shè)備使用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用36V安全電壓鋰電池供電，通過高精度扭矩傳感器和專用控制器對(duì)兩側(cè)螺母同時(shí)擰緊控制，該設(shè)備提高了客運(yùn)專線軌排螺栓的擰緊質(zhì)量，大幅提升了作業(yè)效率，保障了行車安全。本設(shè)計(jì)通過與北京鐵路局工務(wù)養(yǎng)護(hù)相關(guān)單位的深入溝通交流及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，依托中車集團(tuán)公司在軌道交通裝備業(yè)的行業(yè)優(yōu)勢(shì)，研制了雙軸客運(yùn)專線軌排螺栓智能擰緊機(jī)，為國(guó)內(nèi)客運(yùn)專線建設(shè)提供高性能養(yǎng)護(hù)設(shè)備。

1 無砟軌道安裝方式及扭矩要求

我國(guó)目前客運(yùn)專線采用無砟軌道的安裝方式分為兩種：無砟軌道Ⅰ型和無砟軌道Ⅱ型。

無砟軌道Ⅰ安裝方式及扭矩要求[2～4]：

螺母中心距：237.5±0.5mm；

扭矩：80～120N·m；

軌道：60#鋼軌。

圖1 無砟軌道Ⅰ WJ-7型扣件安裝示意圖

無砟軌道Ⅱ安裝方式及扭矩要求：

螺旋道釘中心距（外側(cè)）：233.3±0.5mm；

扭矩：110～160N·m；

軌道：60#鋼軌。

圖2 無砟軌道Ⅱ WJ-8型扣件安裝示意圖

2 擰緊機(jī)的機(jī)構(gòu)及工作原理

本文提出的擰緊機(jī)系統(tǒng)主要由（如圖3所示）設(shè)備本體、設(shè)備框架、鋰電池、操作手柄、行走輪、顯示單元和扳套等部分組成。其中，兩根擰緊軸、控制器、直流驅(qū)動(dòng)器、輔助電氣等位于設(shè)備本體中，是設(shè)備的核心部分；設(shè)備框架采用焊接式框架，對(duì)整個(gè)設(shè)備起支撐作用；鋰電池是設(shè)備的動(dòng)力源，采用36V/100AH定制鋰電池，保證設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2000條螺栓擰緊作業(yè)；啟動(dòng)按鈕位于兩側(cè)的操作手柄上，擰緊結(jié)果通過顯示單元進(jìn)行顯示。

圖3 雙軸客運(yùn)專線軌排螺栓智能擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

設(shè)備工作過程如下：使用手柄推動(dòng)設(shè)備，設(shè)備通過行走輪在鋼軌上移動(dòng)，移動(dòng)到螺母扣件上方時(shí)，雙手通過手柄按壓將扳套套入兩側(cè)螺母中，按下手柄上的啟動(dòng)按鈕，設(shè)備本體中的擰緊軸驅(qū)動(dòng)扳套旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)螺母的擰緊作業(yè)，擰緊結(jié)果通過顯示單元指示燈顯示，擰緊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在控制中，擰緊結(jié)束后提起手柄準(zhǔn)備進(jìn)入下一組作業(yè)，擰緊過程數(shù)據(jù)和參數(shù)配置等功能通過手持PDA顯示實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備擰緊軸由直流無刷伺服電機(jī)、精密行星減速機(jī)、傳感器、前體四部分組成，擰緊力矩在30N.m～300N.m可調(diào)，可滿足客運(yùn)專線兩種無砟軌道使用要求，擰緊精度3%，自由轉(zhuǎn)速100r/min，整機(jī)重量小于75kg。

3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

該控制系統(tǒng)采用自主設(shè)計(jì)的控制器為主控單元，以鋰電池作為動(dòng)力來源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用36V直流電機(jī)，整個(gè)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。顯示面板、操作按鈕通過IO連接到控制器上，PDA通過RS232總線與控制板連接，控制器通過AD輸入實(shí)時(shí)采集傳感器的反饋值，通過反饋值控制兩個(gè)直流驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作。

3.1 控制器

圖4 控制系統(tǒng)框架圖

控制器采用基于Rabbit RCM3110模塊設(shè)計(jì)，控制器的主控板上設(shè)計(jì)資源有：3路12位模擬量輸入、8路IO輸入、16路IO輸出、1路串行通訊端口。3路模擬量輸入分別用兩個(gè)扭矩傳感器和電池電量采集，IO用于控制電機(jī)和外圍的顯示燈與控制按鈕，生產(chǎn)數(shù)據(jù)保存在RCM3110 RAM中，控制器設(shè)置掉電保持電路，通過紐扣電池（CR2032）確保數(shù)據(jù)不丟失。

圖5 控制單元結(jié)構(gòu)圖

3.2 主控盒

控制器、驅(qū)動(dòng)器放置在主控盒中，主控盒采用IP67防水設(shè)計(jì)，通過防水接頭與外圍的電源、面板按鈕、電機(jī)、傳感器部分連接，確保整體設(shè)備能夠適應(yīng)操作現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境。主控盒分布結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 主控盒分布

3.3 手持式PDA

本設(shè)計(jì)通過RS232將PDA連接到設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控。PDA采用3.5英寸觸屏屏，操作系統(tǒng)為WINCE6.0，具有802.11b/g無線模塊，可以通過無線與其他系統(tǒng)相連接，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到上游設(shè)備中。

圖7 智能手持PDA

4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該擰緊設(shè)備控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)部分：控制器程序和PDA程序。程序之間通過Modbus RTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖8所示。控制器軟件是軟件系統(tǒng)的核心，控制整個(gè)擰緊過程與輔助處理；PDA軟件用于實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的查詢顯示，數(shù)據(jù)的采集等增值功能。

圖8 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

4.1 ModbusRTU通訊

Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。它分為串行鏈路上的Modbus RTU與TCP/IP 上的Modbus TCP[5]，本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通訊協(xié)議。

本文設(shè)計(jì)的設(shè)備將控制器作為Modbus從站，PDA作為通訊主站，通訊過程如圖9所示。

圖9 控制單元結(jié)構(gòu)圖

4.2 控制器軟件

控制器軟件基于UCOSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用C語言進(jìn)行編寫，主要完成雙軸擰緊過程的處理，伺服電機(jī)速度與角度的控制。

螺栓擰緊過程可分為認(rèn)帽→高速預(yù)緊→低速終擰→合格后卸荷幾個(gè)部分，為了提高螺栓擰緊的精度和效率，我們對(duì)雙軸螺栓擰緊過程進(jìn)行同步處理，即每個(gè)擰緊部分均需等待兩軸全部工作到達(dá)后再進(jìn)行下一步動(dòng)作。用戶可以根據(jù)產(chǎn)品的工藝需求通過PDA設(shè)定扭矩控制值。

圖10 控制器程序結(jié)構(gòu)

4.3 PDA軟件

PDA軟件基于Windows CE操作系統(tǒng)，采用Visual C#進(jìn)行編寫。程序分為狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備控制、參數(shù)配置和數(shù)據(jù)庫(kù)四個(gè)部分。狀態(tài)監(jiān)控用于實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的狀態(tài)，包含擰緊結(jié)果、扭矩、角度、故障信息等；設(shè)備控制對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制、調(diào)整、測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整；參數(shù)配置用于對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)配置修改；數(shù)據(jù)庫(kù)主要功能為對(duì)控制板采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采集擰緊過程數(shù)據(jù)曲線。

圖11 PDA軟件界面

5 結(jié)束語

本文介紹了一種雙軸客運(yùn)專線軌排螺栓智能擰緊設(shè)備控制系統(tǒng)。在對(duì)系統(tǒng)控制原理分析和設(shè)備實(shí)際工作過程介紹基礎(chǔ)上，給出一種雙軸客運(yùn)專線軌排螺栓智能擰緊設(shè)備設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)通過與北京鐵路局工務(wù)養(yǎng)護(hù)相關(guān)單位合作開發(fā)方式，已成通過了用戶的使用鑒定，通過本文設(shè)計(jì)的設(shè)備的應(yīng)用，可大幅提高高速鐵路軌排鋪設(shè)及檢修的控制精度和生產(chǎn)效率，穩(wěn)定施工質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1] 張忠,董國(guó)興.GLZ-2A自動(dòng)軌道螺栓作業(yè)機(jī)[J].中國(guó)鐵路,2005(2):62-64.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)函[2005].754號(hào)客運(yùn)專線無砟軌道設(shè)計(jì)指南[S].北京: 中國(guó)鐵道出版社,2005.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2007].47號(hào)新建時(shí)速300～350km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[4] 李中華.CRTSⅠ型與CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,27(1):22-28.

[5] 陳凱,邊群星.基于以太網(wǎng)總線的全自動(dòng)汽車U形螺栓擰緊機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2014,(14):06-08.

Development of intelligent tightening machine for rail bolts of double-axle passenger dedicated line

CHEN Kai

TP273

：B

1009-0134(2017)06-0095-03

2017-02-18

陳凱（1981 -），男，山東臨邑人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事工廠自動(dòng)化及應(yīng)用工程研究。