張 旭,劉超穎,2,吳文江,龍海潮,郭 斌

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.河北中醫(yī)學(xué)院,石家莊 050200； 3.石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心,石家莊 050043)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，以及社會對運(yùn)輸需求量的持續(xù)增加，鐵路交通迅猛興起。截至2015年底，中國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12.1萬km，居世界第二位[1]。根據(jù)國家鐵路“十三五”規(guī)劃綱要，到2020年，中國高速鐵路營業(yè)里程將達(dá)到3萬km[2]。絕緣子作為極其重要的絕緣器件，在鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中被大量使用。暴露在外界的絕緣子常年遭受大氣污穢的污染，導(dǎo)致表面積污，在雨雪、大霧等氣候條件下很容易引起大面積污閃導(dǎo)致中斷行車的事故，給鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的威脅[3]。

定期清掃絕緣子是預(yù)防污閃事故最直接有效的方式，目前國內(nèi)外清潔絕緣子的設(shè)備主要分為接觸式清洗設(shè)備和噴射式水清洗設(shè)備。在接觸式清洗設(shè)備中：半自動的清洗刷需人工手持瞄準(zhǔn)，人工干預(yù)過多；韓國的絕緣子清洗機(jī)器人自動化程度高，但是其造價昂貴，清洗效率低[4-8]。在噴射式水清洗設(shè)備中：高壓清洗機(jī)沖洗，清潔效果明顯，但是要求近距離和人工手持操作；西南交通大學(xué)研究的KJ系列水沖洗裝置得到很好的應(yīng)用，但是操作難度大，對人員的素質(zhì)要求高，受人為因素影響大[9-10]。

針對現(xiàn)狀，石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心、北京鐵路局石家莊供電段和河北宇牛電氣設(shè)備有限公司共同協(xié)作，立項研制了絕緣子快速清掃裝置。為了實現(xiàn)裝置的自動化控制，設(shè)計了一種基于PLC的控制系統(tǒng)，利用PLC的可調(diào)整性和易操作性，大大提高了清掃工作的效率和質(zhì)量。

1 裝置的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

鐵路絕緣子清掃裝置機(jī)械系統(tǒng)包括上臂、下臂、電柜箱、液壓站和底盤五大部分，裝置整體示意如圖1所示。下臂負(fù)責(zé)清掃斜腕臂絕緣子，采用滑動軸承，由下臂升降液壓缸驅(qū)動上升和下降；下臂刷頭與斜腕臂保持相同傾角，由電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。上臂負(fù)責(zé)清掃橫腕臂絕緣子，采用可折疊穿過式四桿結(jié)構(gòu)，其高度和臂長可調(diào)，將接觸線、承力索、腕臂、定位器等構(gòu)件囊括在大臂和小臂之間，滿足線路中水平和豎直方向上所有極限尺寸，避免裝置在線路上行走時發(fā)生碰撞；由上臂升降液壓缸驅(qū)動其上升和下降，上臂刷頭同樣由電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。上臂、下臂、電柜箱、液壓站4部分共同組成機(jī)架，由機(jī)架翻轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動機(jī)架平臥和直立，實現(xiàn)機(jī)架的折疊，以減小設(shè)備體積、便于運(yùn)輸。底盤負(fù)責(zé)承載所有機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，保障上臂在展開時不會觸碰到接觸網(wǎng)，而上臂在工作時又能與橫腕臂絕緣子對正；由電機(jī)驅(qū)動齒輪帶動機(jī)架旋轉(zhuǎn)，并由機(jī)架移動液壓缸驅(qū)動機(jī)架在底盤上微調(diào)[11]。

圖1 絕緣子清掃裝置整體示意

對絕緣子進(jìn)行清掃時，可將鐵路絕緣子清掃裝置安裝固定在軌道車作業(yè)平臺上，軌道車可提供220 V交流電。工作過程主要由機(jī)架初始化、清掃、下一工位和機(jī)架復(fù)位4個階段組成。機(jī)架初始化動作包括：機(jī)架直立，上臂上升到位，機(jī)架正轉(zhuǎn)90°，下臂上升到位；清掃動作包括：在刷頭對準(zhǔn)絕緣子的情況下，刷頭正轉(zhuǎn)清掃，停止，反轉(zhuǎn)清掃；下一工位：在每基桿絕緣子清掃工作結(jié)束后，軌道車以5 km/h速度前行50～60 m對下一基桿絕緣子清掃，依次循環(huán)直至所有絕緣子清掃完畢；復(fù)位動作包括：機(jī)架反轉(zhuǎn)90°，下臂下降，上臂下降，機(jī)架平臥。應(yīng)用光電傳感器實現(xiàn)刷頭與絕緣子的對正，其余各個運(yùn)動狀態(tài)分別由接近開關(guān)來檢測。

2 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述鐵路絕緣子清掃裝置動作分析，設(shè)計的液壓傳動系統(tǒng)如圖2所示。為實現(xiàn)上臂、下臂、機(jī)架的往復(fù)動作，執(zhí)行元件采用雙作用式單桿液壓缸，方向控制閥采用三位四通電磁換向閥。上臂升降缸和機(jī)架垂直缸分別支撐整個大臂和機(jī)架的重力，液壓鎖保證這兩個油缸不會卸荷，單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)大臂和機(jī)架的重力對速度造成的影響。同時，分別為下臂升降缸和機(jī)架移動缸安裝單向節(jié)流閥，以保證下臂和機(jī)架平穩(wěn)的運(yùn)動。

圖2 液壓傳動系統(tǒng)

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件主要包括PLC、電機(jī)、光電傳感器、接近開關(guān)、無線遙控器等?？刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理

PLC的輸入信號包括：工作啟動、停止和急停信號，機(jī)架直立和側(cè)翻限位信號，機(jī)架正反轉(zhuǎn)限位信號，機(jī)架移動限位信號，上臂上升限位信號，下臂上升限位信號，上臂光電傳感器信號，自動/手動切換信號等共15個輸入信號。輸出信號包括：油泵啟動/停止信號，機(jī)架直立/側(cè)翻信號，機(jī)架正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號，機(jī)架前移/后移信號，上臂和下臂上升/下降信號，刷頭正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號，指示燈等共15個信號。

根據(jù)控制系統(tǒng)I/O點數(shù)、可操作性、穩(wěn)定性和后續(xù)可開發(fā)性等方面考慮，選用三菱FX3U-48MR/MT系列PLC。裝置采用無線遙控器作為控制終端，可以在50 m遠(yuǎn)的距離內(nèi)遙控操作裝置的各種動作。機(jī)架安裝攝像頭采集圖像信息，軌道車駕駛室內(nèi)的顯示器實時顯示裝置的工作狀況，以便于觀察工作情況和清掃效果[12]。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)思想，根據(jù)鐵路絕緣子快速清掃裝置的工作原理，將控制系統(tǒng)分為機(jī)架初始化、清掃和機(jī)架復(fù)位3個模塊[13]。

鐵路絕緣子快速清掃裝置按照指定的順序依次動作，F(xiàn)X系列可編程控制器設(shè)置有專門用于順序控制或稱為步進(jìn)控制的指令。FX-3U系列PLC有兩條步進(jìn)指令，同時輔之以大量的狀態(tài)器S，結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖很容易編寫出順序控制程序[14]。兩條步進(jìn)指令：STL和RET，STL是步進(jìn)開始指令，RET是步進(jìn)結(jié)束指令。每個狀態(tài)器有3個功能：驅(qū)動有關(guān)負(fù)載、指定轉(zhuǎn)移目標(biāo)和指定轉(zhuǎn)移條件[15]。

圖4 程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖類似于順序功能圖SFC語言，具有直觀、簡單的特點，是設(shè)計PLC順序控制程序的有力工具。圖4所示給出了機(jī)架初始化自動運(yùn)行方式下的程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。狀態(tài)圖的工作方式是：由某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)后，前一狀態(tài)自動復(fù)位。S2是初始狀態(tài)，用雙線框表示。PLC啟動運(yùn)行時，特殊輔助繼電器M8002會接通一個脈沖，令狀態(tài)器S2置位。當(dāng)按下啟動按鈕時，狀態(tài)由S2向S20轉(zhuǎn)移，機(jī)架直立輸出Y0動作。當(dāng)機(jī)架上限位開關(guān)X1接通時，狀態(tài)器S20向S21轉(zhuǎn)移，機(jī)架直立輸出Y0斷開，上臂上升輸出Y1動作。當(dāng)上臂上限位開關(guān)X2接通時，狀態(tài)器S21向S22轉(zhuǎn)移，上臂上升輸出Y1斷開，機(jī)架正轉(zhuǎn)輸出Y2動作。當(dāng)90°角限位開關(guān)X3接通時，狀態(tài)器S22向S23轉(zhuǎn)移，機(jī)架正轉(zhuǎn)輸出Y2斷開，下臂上升輸出Y3動作。當(dāng)下臂上限位開關(guān)X4接通時，下臂上升輸出Y3斷開，機(jī)架初始化動作全部結(jié)束。

根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可以將其轉(zhuǎn)換成梯形圖，再寫出語句表，如圖5所示。

圖5 梯形圖與語句表

最后，使用三菱GX works2軟件將編好的程序下載到PLC進(jìn)行調(diào)試和仿真，以驗證程序的正確性和合理性，直到符合控制要求。

同樣，清掃和機(jī)架復(fù)位模塊的程序也依照該方法設(shè)計、編寫和仿真調(diào)試。

5 上線測試

圖6 上線測試

鐵路絕緣子快速清掃裝置在石家莊供電段所管轄的電氣化鐵路上進(jìn)行了現(xiàn)場清掃試驗，如圖6所示。測試結(jié)果表明：無線遙控器能靈敏地控制各個動作穩(wěn)步有序的響應(yīng)；液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定沒有沖擊，各個限位開關(guān)和傳感器也能精確的限定運(yùn)動的極限位置；每支絕緣子清掃15 s即可達(dá)到要求；每小時可以清掃40基支柱，80個絕緣子。總體來講，該控制系統(tǒng)表現(xiàn)良好、運(yùn)行可靠，各項指標(biāo)基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求。

6 結(jié)論

鐵道絕緣子快速清掃裝置控制系統(tǒng)結(jié)合了液壓、電氣、傳感器、視覺監(jiān)控、自動控制等多方面的技術(shù)，經(jīng)過實際使用，可知具有以下特點。

(1)操作方便、簡單。工作時由1人使用無限遙控器就可完成清掃操作，在雨雪天氣時，工作人員還可以在駕駛室進(jìn)行清掃操作，提高了天窗利用率，保證了操作人員的人身安全。

(2)工作效率高。電氣化鐵道絕緣子快速清掃裝置比人工清掃速度提高了60倍，節(jié)省了大量的人力和物力。

(3)清掃效果好。人工清掃絕緣子時絕緣子的污穢很難用手擦下來，清掃質(zhì)量難以保證，該裝置的使用，提高了絕緣子的清掃質(zhì)量，降低了絕緣子污閃事故的發(fā)生幾率，保證了電氣化鐵道的供電安全和列車安全正點運(yùn)行。

目前，鐵道絕緣子快速清掃裝置控制系統(tǒng)，只能控制該裝置對接觸網(wǎng)橫腕臂絕緣子、斜腕臂絕緣子進(jìn)行清掃，對懸式絕緣子還不能進(jìn)行機(jī)械化清掃。下一步的發(fā)展目標(biāo)是研發(fā)針對接觸網(wǎng)懸式絕緣子的快速清掃設(shè)備及控制系統(tǒng)，為電氣化鐵路的安全運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

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