快速多功能綜合作業(yè)車自動調(diào)平功能研究

趙 劍，馬 泳

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

快速多功能綜合作業(yè)車（以下簡稱作業(yè)車）是北京二七軌道交通裝備有限責任公司從德國GBM公司買入技術，通過公司自行技術創(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出現(xiàn)車體傾斜的情況：

（1）在旋轉和升降作業(yè)平臺向一側伸出作業(yè)時；

（2）在高空作業(yè)斗向一側伸出作業(yè)時；

（3）在作業(yè)車過彎時；

（4）在強風從側面吹向作業(yè)車時。

考慮極端情況，作業(yè)車在過彎時，旋轉和升降作業(yè)平臺、高空作業(yè)斗均向彎道內(nèi)側伸出作業(yè)，并且有強風由彎道外側吹向內(nèi)側，此時作業(yè)車將發(fā)生嚴重傾斜，并可能導致作業(yè)車側翻，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)，將是本文重點考慮的問題。由此提出了作業(yè)車在恒低速作業(yè)時能自動調(diào)平功能的設想。

1 概述

1.1 作業(yè)車轉向架工作狀態(tài)說明

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

圖1 作業(yè)車轉向架結構

1.2 自動調(diào)平功能方案引入

當作業(yè)車處于作業(yè)模式時，旋轉和升降作業(yè)平臺、高空作業(yè)斗均有可能工作，并且側向伸出值較大，此時由于力矩作用，作業(yè)機具伸出側壓力會大于另一側，如作業(yè)車正在彎道作業(yè)，由于彎道處存在軌道高度差，外側軌道高于內(nèi)側軌道，此時壓力差會更加明顯，如大于某一值，作業(yè)車則可能出現(xiàn)側翻。由此，作業(yè)車具備自動調(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，所以本自動調(diào)平系統(tǒng)將在此基礎上對液壓部分進行改進，以實現(xiàn)自動調(diào)平功能。

1.3 自動調(diào)平功能實現(xiàn)的設想

在車體與轉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)傾斜時能返回傾斜角度值數(shù)據(jù)，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)指導一、二級支撐油缸伸縮行程量，通過調(diào)節(jié)左右兩側一、二級油缸伸縮來達到調(diào)平車體的目的，后文將就此設想進行論證。自動調(diào)平系統(tǒng)示意圖，如圖2所示（單轉向架）。

圖2 自動調(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：當作業(yè)車正處于作業(yè)模式，且作業(yè)車正在過彎，且旋轉和升降作業(yè)平臺、高空作業(yè)斗兩種作業(yè)機具均伸向彎道內(nèi)側時，此時如作業(yè)車傾斜角度大于某一值，調(diào)平系統(tǒng)將開始作用。

兩級自動調(diào)平系統(tǒng)作用于轉向架軸箱與構架、構架與車體之間。

2 技術方案

要實現(xiàn)車體調(diào)平，本方案采用了電液控制液壓自動調(diào)平。調(diào)平系統(tǒng)結構包括如下四部分：十二個支撐油缸，每轉向架分布六個，布置如圖1所示；油缸所對應的電磁比例方向閥；一個傾角傳感器，安裝于車體下端橫向中間位置；一套PLC控制器。

下面從自動調(diào)平液壓系統(tǒng)和自動調(diào)平控制系統(tǒng)兩方面進行說明。

2.1 車體自動調(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)需求進行了如下設計：

（1）系統(tǒng)原理

車體自動調(diào)平液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。液壓系統(tǒng)由四個閥控油缸支路組成，每一支路由一個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所在支路用于左側一級支撐，即左側前后兩轉向架構架與軸箱間的支撐；缸i、j、k、l所在支路用于右側一級支撐，即右側前后兩轉向架構架與軸箱間的支撐；缸a、b所在支路用于左側二級支撐，即左側前后兩轉向架構架與車體間的支撐；缸c、d所在支路用于右側二級支撐，即右側前后兩轉向架構架與車體間的支撐。通過兩級支撐左右油缸的調(diào)節(jié)實現(xiàn)車體左右的調(diào)平。

圖3 車體自動調(diào)平液壓系統(tǒng)原理圖

（2）自動調(diào)平動作實現(xiàn)

從前文所述得知，自動調(diào)平功能模塊工作在作業(yè)車處于作業(yè)模式下。十二個油缸作用之一，實現(xiàn)車體與鋼軌間剛性支撐；作用之二，實現(xiàn)車體左右側調(diào)平。當作業(yè)車選取為作業(yè)模式時，六油缸均伸出一定值，以便實現(xiàn)作業(yè)車作業(yè)時的剛性支撐，當車體出現(xiàn)傾斜情況時，通過傳感器采集到車體傾斜信號，如向左側傾斜，則電磁比例方向閥A、B協(xié)調(diào)工作，兩閥均Ⅰ端導通，油泵對作業(yè)車左側六油缸下側充油，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端導通，油泵對作業(yè)車右側六油缸上側充油，油缸縮回，調(diào)平車體；反之，車體出現(xiàn)向右側傾斜情況時，油泵對作業(yè)車右側六油缸下側充油，油缸伸出，調(diào)平車體；或油泵對作業(yè)車左側六油缸上側充油，油缸縮回，調(diào)平車體。此處僅說明液壓系統(tǒng)工作原理，具體動作時是一個很復雜的過程，將受PLC控制，下文中將有詳細描述。

2.2 車體自動調(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，對控制的平穩(wěn)、精準、無差錯性要求很高，而PLC抗干擾能力強、可靠性高、系統(tǒng)開發(fā)簡單、可維護性好，所以控制系統(tǒng)采用PLC；由于要采集到水平傾斜信號，出于可操作性、準確性考慮，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控制程序運算處理后，轉化為對閥的控制信號，再經(jīng)D/A轉換后對閥進行控制，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)平時左側充油時間，t2為調(diào)平時右側充油時間，Δt為一個設定單位充油時間。

圖5 車體自動調(diào)平控制算法流程圖

因用于調(diào)平功能的十二個油缸不只用于調(diào)平，還將實現(xiàn)車體與鋼軌間的剛性連接，所以此處設置兩時間參數(shù)，原始值為零，為實現(xiàn)調(diào)平對相應油缸充油時，時間遞增，只有時間參數(shù)值大于零時，才能從相應的油缸下端放油，當時間參數(shù)遞減至零時，則不能繼續(xù)放油，如此則確保了先前用于剛性支撐時油缸的油量不變。具體實現(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（設定車體出現(xiàn)左向傾斜時水平傾角數(shù)字傳感器得到為正角度值），傳遞給PLC進行運算處理，然后進行調(diào)平。調(diào)平因角度值的不一樣會有以下三種情況：

（1）如果α>0，則證明車體向左傾斜，時間參數(shù)t2可能存在兩種情況：如果t2≥0，此時則證明右側油缸未因調(diào)平而充油，此時要實現(xiàn)調(diào)平，只能對左側油缸充油，此時數(shù)據(jù)經(jīng)運算處理，再經(jīng)D/A轉換，轉化為閥A、B的控制信號，此時閥A、B的I端通電，即對車體左側上下兩級六油缸充油，時間參數(shù)t1以Δt遞增，以實現(xiàn)調(diào)平。當PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時，調(diào)平停止；t2>0，此時證明右側油缸之前因調(diào)平已經(jīng)有充油，此時要實現(xiàn)調(diào)平，則對右側油缸放油即可，此時數(shù)據(jù)經(jīng)運算處理，再經(jīng)D/A轉換，轉化為閥C、D的控制信號，此時閥C、D的Ⅱ端通電，即對車體右側六油缸放油，時間參數(shù)t2以Δt遞減，以實現(xiàn)調(diào)平。當時間參數(shù)t2遞減至0時仍未實現(xiàn)調(diào)平，則回到條件t2≥0繼續(xù)調(diào)平動作，當PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時，調(diào)平停止；

（2）如果α<0，則證明車體向右傾斜，時間參數(shù)t1可能存在兩種情況：如果t1≥0，此時則證明左側油缸未因調(diào)平而充油，此時要實現(xiàn)調(diào)平，只能對右側油缸充油，此時數(shù)據(jù)經(jīng)運算處理，再經(jīng)D/A轉換，轉化為閥C、D的控制信號，此時閥C、D的I端通電，即對車體右側六油缸充油，時間參數(shù)t2以Δt遞增，以實現(xiàn)調(diào)平。當PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時，調(diào)平停止；如果t1>0，此時則證明左側油缸之前因調(diào)平已經(jīng)有充油，此時要實現(xiàn)調(diào)平，則對左側油缸放油即可，此時數(shù)據(jù)經(jīng)運算處理，再經(jīng)D/A轉換，轉化為閥A、B的控制信號，此時閥A、B的Ⅱ端通電，即對車體右側六油缸放油，時間參數(shù)t1以Δt遞減，以實現(xiàn)調(diào)平，當時間參數(shù)t1遞減至0時仍未實現(xiàn)調(diào)平，則回到條件t1≥0繼續(xù)調(diào)平動作，當PLC采集到的水平傾角數(shù)字傳感器值為0時，調(diào)平停止。

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

2.3 方案論證

因用于剛性支撐的油缸設置分兩級，所以自動調(diào)平方案也采用兩級調(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、二級油缸相對應電磁比例方向閥的流速，以達到一、二級同時、等行程調(diào)平。此方案液壓系統(tǒng)主要應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力、充油速度以及缸行程。論證計算參數(shù)如表1所示。

表1 論證計算參數(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，設缸徑為φ缸。

（2）油缸承重

作業(yè)車整車重約8×104kg，減去轉向架重量約1.2×104kg，設二級支撐由四個油缸實現(xiàn)，所以二級支撐中每個油缸承重設為M，約為1.7×104kg。一級支撐由八個油缸支撐，所以只要二級支撐油缸滿足承重要求，一級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

因兩級調(diào)平時，一、二級油缸同時、等行程，所以油缸行程計算時考慮兩級總體行程，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)計算過程，此H2為充分調(diào)平狀態(tài)兩側兩級油缸行程差，考慮減除一定角度內(nèi)不用調(diào)平的高度差，再分至兩級，考慮兩級油缸安裝位置關系，以及前期用于剛性支撐所需行程，給出充分余量，每級調(diào)平則只需要行進200 mm，設為H3。

因R=50 mm、V缸=H3πR2

所以V缸=1570 ml。

因 L=70m、ν車 =2.8 m/s

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

因L為極限值，所以此時間也為極限時間，即充滿油最快要求的時間。

考慮其中最多充油量的支路B或D，因其有四個油缸，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，同時得出ν閥=251.2 ml/s。

經(jīng)過計算，由假設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力為21.7 MPa，目前市場上能提供此動力的泵很常見，所以供油泵可以實現(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，查相關產(chǎn)品參數(shù)，大量型號可滿足此要求，所以電磁比例方向閥實現(xiàn)也較容易。

3 結束語

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)時發(fā)生傾斜情況下的自動調(diào)平功能需求。

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