梁 銘 羊懷茂

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

0 引言

密接式車鉤是高速列車的重要連掛裝置，更高的速度等級對密接式車鉤的性能及檢修效率提出了更高的要求，尤其是檢修輔助工裝的更新?lián)Q代則起到至關(guān)重要的作用。目前，國內(nèi)多數(shù)車輛段密接式車鉤檢修工器具仍以傳統(tǒng)器具搬運為主，多器具交叉混合使用使得效率很低，尤其是操作人員的勞動安全性難以保證。因此，設(shè)計一套用于鐵路客車密接式車鉤檢修的專用器具對提高車輛檢修智能化水平、減輕作業(yè)勞動強度、提高作業(yè)效率具有重要意義。

本文設(shè)計的運載平臺采用全向移動機器人及公鐵轉(zhuǎn)換技術(shù)，運用麥克納姆輪、直流伺服電動缸及公鐵轉(zhuǎn)換車輪，實現(xiàn)車鉤運載及拆裝的一體化作業(yè)，設(shè)計方案主要由4個具備減振浮動功能的麥克納姆動力輪組、4個帶動力的鐵輪升降輪組、2個縱向頂升機構(gòu)、1個橫向微調(diào)機構(gòu)及車架組成，通過自動控制實現(xiàn)平臺的全方位移動和旋轉(zhuǎn)及車鉤的頂升及橫向微調(diào)，通過公鐵轉(zhuǎn)換裝置切換實現(xiàn)車鉤的拆裝與搬運。

1 密接式車鉤運載平臺總體方案設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

運載平臺設(shè)計方案主要由4個具備減振浮動功能的麥克納姆動力輪組、4個帶動力的鐵輪升降輪組、2個縱向頂升機構(gòu)、1個橫向微調(diào)機構(gòu)及車架等組成，圖1為運載平臺結(jié)構(gòu)示意圖。麥克納姆輪減振輪組分別由帶減速器的直流伺服電動機驅(qū)動，采用單支撐鉸接裝置實現(xiàn)麥克納姆輪在地面不平整工況下空載及滿載均能與地面接觸。鐵輪升降裝置主要用于實現(xiàn)運載平臺在鐵軌與地面之間切換，通過滾珠絲桿和限位裝置實現(xiàn)鐵輪的升降，同時4套鐵輪組件中的2套配有電動機驅(qū)動，實現(xiàn)鐵輪在軌道的運動。縱向頂升機構(gòu)由2套直流伺服電缸及其他輔助支撐結(jié)構(gòu)組成，達(dá)到車鉤的縱向移動，同時在電缸執(zhí)行機構(gòu)上部設(shè)有橫向微調(diào)裝置，該裝置采用滾珠絲桿驅(qū)動的燕尾形承重滑臺實現(xiàn)車鉤安裝時與尾部安裝孔位完全重合。

圖1 運載平臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 運載平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

經(jīng)過分析控制工藝文件及負(fù)載情況，采用PLC作為主控制器，I/O輸入口共有48個，輸出口32個。另外，還需要增加一定數(shù)量的擴展板，控制系統(tǒng)中共計6組直流伺服電動機，步進(jìn)電動機2組，光電開關(guān)5組，超聲波傳感器6組，鐳射燈4套，三色燈1組，觸摸顯示屏1套，數(shù)據(jù)傳輸采用RS485通訊，無線發(fā)射終端和接收端1組，最終實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程及本地操控設(shè)備，電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

運載平臺控制系統(tǒng)所選的PLC 應(yīng)具備直流供電、支持?jǐn)U展I/O模塊功能、支持RS485通訊、主機I/O口至少16個、經(jīng)濟成本低等功能，綜合考慮選用臺達(dá)AS228T-A PLC作為主控制器，同時選用AS16M10N-A和AS16N01T-A這個2個I/O擴展板，通過RS485和Modbus通訊方式進(jìn)行指令及反饋信息交流.該控制器有6軸200 kHz脈沖輸出信號，4軸200 kHz高速計時器，16個數(shù)字量輸入口，12個數(shù)字量輸出口，2個I/O擴展模塊分別有16個輸入口和輸出口。

在控制系統(tǒng)操作面板中，設(shè)置有登錄、控制形式切換、參數(shù)設(shè)置、故障診斷、本機操作等界面。選用DOP-107DV型號觸摸屏，通過DOPSoft軟件設(shè)置具體按鈕的功能。同時，為保證設(shè)備的安全操作，對設(shè)備的使用權(quán)限進(jìn)行限制，在進(jìn)入設(shè)備時需采用觸摸屏輸入賬號和密碼后才能進(jìn)入控制系統(tǒng)，同時系統(tǒng)進(jìn)行各部件狀態(tài)檢查。若部件異常則不能進(jìn)入操作系統(tǒng)，不會出現(xiàn)“檢測成功進(jìn)入系統(tǒng)”字樣。圖3為控制系統(tǒng)自檢界面及各電動機和傳感器狀態(tài)反饋顯示界面。

圖3 控制系統(tǒng)自檢及狀態(tài)反饋界面

采用無線遙控方式實現(xiàn)運載平臺的運動，無線遙控器主要由搖桿、按鍵開關(guān)、模式切換開關(guān)、指示燈等組成，其中搖桿用于控制平臺的全方位移動，每個方向設(shè)置3個擋位用于調(diào)節(jié)運動速度，其余工作模式采用按鈕實現(xiàn)，同時在控制系統(tǒng)中設(shè)有本地操作界面，目的在于無線控制器故障、低電量或需要實現(xiàn)微小距離時的設(shè)備操控，其功能形式與按鈕基本相同。

2 密接式車鉤運載平臺減振浮動裝置設(shè)計

如圖4所示，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垂直方向具有一定的緩沖作用。為節(jié)省橫向空間，設(shè)計方案中減速器采用垂直傳動方式進(jìn)行，但并未影響力矩的傳遞，兩側(cè)板用于支承彈簧和減速器，鉸鏈回轉(zhuǎn)機構(gòu)內(nèi)置深溝球軸承及防塵軸承端蓋，彈簧支承座嵌有彈簧伸縮量微調(diào)機構(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)有定位于連接孔位，以確定驅(qū)動輪間的相對位置。圖5為減振浮動裝置三維設(shè)計圖。

圖4 減振浮動裝置原理示意簡圖

圖5 減振浮動裝置三維效果圖

3 密接式車鉤運載平臺公鐵轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計

為滿足設(shè)備在鐵軌的運動及定位需要，設(shè)計了如圖6所示的公鐵轉(zhuǎn)換裝置，該裝置主要由鐵輪、滾珠絲桿、電動機及減速器、光軸、錐齒輪組、連接件等組成。由于車鉤安裝時需要進(jìn)行軌道方向的位置校正，同時使車架的空間結(jié)構(gòu)更緊湊，方案中將步進(jìn)電動機與減速器形成動力源，該動力源置于2驅(qū)動裝置幾何中部，采用錐齒輪傳動并驅(qū)動兩側(cè)鐵輪的垂直升降，車體兩側(cè)對稱布置該升降裝置，升降裝置采用滾珠絲桿聯(lián)動鐵輪升降，兩側(cè)設(shè)置鍍鉻光軸起導(dǎo)向和支撐作用，鐵輪位于裝置底部，預(yù)留安裝電動機位置。當(dāng)工作時，車架四角設(shè)置十字激光束用以確定車體與鐵軌的位置關(guān)系；當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時，啟動鐵輪升降，升降完畢后啟動鐵輪行走，完成車鉤沿軌道的移動。

4 密接式車鉤運載平臺減振車架及外殼設(shè)計

為滿足現(xiàn)場實際需要，考慮車體鐵軌行走需要及車鉤外形尺寸，車架不僅從強度及剛度滿足車體運載需要，也能保持各部分按照設(shè)計位置正常工作，各部分的質(zhì)量盡可能減輕，以避免增加車體額外負(fù)擔(dān)。設(shè)計車架功能區(qū)主要包括行走輪驅(qū)動裝置、鐵輪升降裝置、電源及驅(qū)動模塊放置等，承載質(zhì)量主要來源于承載物、電池、自身質(zhì)量等。車體采用對稱布置結(jié)構(gòu)，采用矩形管組合焊接而成，動力輪組沿車體中心線對稱布置，車架選用規(guī)格為40 mm×40 mm×4 mm的方管，底盤采用5 mm厚鋁板。為防止車體碰撞行人，在拐角處設(shè)置圓角。車體外殼的主要作用在于安全防護(hù)，同時方便控制系統(tǒng)及電源器件線路的拆裝、維修等。車體外輪廓部分無棱角突出，有效避免車體對外界的傷害，車體外殼體采用3 mm厚不銹鋼板經(jīng)折彎、剪裁制成，并預(yù)留傳感器、顯示屏、啟動按鈕等部位。圖7為車架結(jié)構(gòu)及各組件裝配效果圖。

圖7 車架結(jié)構(gòu)及各組件裝配效果圖

將車架的三維模型以x-t格式導(dǎo)入Ansys Workbench 中進(jìn)行有限元分析，并運用SpaceClaim對模型進(jìn)行簡化處理，設(shè)定車架材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235，根據(jù)模型特點及分析需要采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格控制尺寸為5 mm，經(jīng)過網(wǎng)格劃分共生成785 474個單元，131 888個節(jié)點，車架網(wǎng)格如圖8a所示。分析中主要進(jìn)行了車架的靜力分析，車體承受的外部載荷為1 500 N，通過重力加速度表示載荷的方向，以集中載荷的形式施加在車架上部2塊平板處，同時將車架部分區(qū)域采取固定的形式實現(xiàn)，將載荷及約束條件確定后，得到3種工況下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，得到結(jié)果圖8b～圖8d所示。由圖8b可知，滿載彎曲工況下，最大位移為1.4×10-6m，出現(xiàn)在車架承載平板的中部，主要原因在于施加重力較集中，變形量較小，滿足基本剛度要求。最大應(yīng)力為2.79 MPa，遠(yuǎn)小于車架所選材料的許用應(yīng)力（235 MPa），滿足車架的基本強度。最大應(yīng)變?yōu)?.52×10-5m，同樣出現(xiàn)在車架上部平板的中部位置，應(yīng)變位移較小，基本可以忽略不計。根據(jù)計算結(jié)果，將設(shè)計中的10 mm鋼板改為15 mm同規(guī)格的板材，經(jīng)過現(xiàn)場負(fù)載運行，可以提高設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。

圖8 車架網(wǎng)格及分析結(jié)果

5 密接式車鉤運載平臺制作與試驗

密接式車鉤運載與拆裝一體化作業(yè)的智能化設(shè)備的三維模型由Solidworks軟件建立，整車結(jié)構(gòu)為1 730 mm×1 200 mm×1 500 mm，4個動力輪組沿車體中線對稱布置，鐵輪升降裝置相對于車體兩側(cè)的中心間距為1 425 mm，人機交互界面位于車體正面。經(jīng)樣機制作及調(diào)試形成圖9所示情況，表1為樣機重要性能參數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場試驗樣機各部件性能可靠，功能穩(wěn)定，符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

圖9 樣機實物圖

表1 樣機性能參數(shù)

6 結(jié)論

本文從密接式車鉤運載與拆裝一體化作業(yè)的智能化設(shè)備整機結(jié)構(gòu)和實際應(yīng)用進(jìn)行分析，依據(jù)結(jié)構(gòu)化設(shè)計理念，分別對整機總體結(jié)構(gòu)、各組件結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能進(jìn)行詳細(xì)闡述，設(shè)計了一種用于車輛密接式車鉤檢修的公鐵切換裝置和減振浮動裝置，解決了密接式車鉤拆裝輔助設(shè)備自動化程度較低的問題。該設(shè)備的使用可進(jìn)一步減輕人工作業(yè)強度，應(yīng)用前景較為廣泛。