機(jī)車車輛車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究

張大清，王肇凱，劉天童

(中車大連機(jī)車車輛有限公司 機(jī)車開發(fā)部，遼寧 大連 116021)

目前，各國(guó)使用自動(dòng)車鉤的機(jī)車車輛的連掛和解鎖均為人工手動(dòng)操作，且要對(duì)車鉤三態(tài)作用做靜態(tài)檢查。這種人工手動(dòng)操作簡(jiǎn)單直觀，但不能滿足工作人員不宜接近的連掛、解鎖現(xiàn)場(chǎng)，連掛、解鎖頻繁的場(chǎng)合以及無(wú)人駕駛機(jī)車車輛的要求，如冶煉爐前運(yùn)輸機(jī)車車輛、調(diào)車場(chǎng)調(diào)車機(jī)車、無(wú)人駕駛智能機(jī)車車輛等。這些情況下車鉤緩沖裝置的最佳操作方案為遠(yuǎn)程控制，并對(duì)車鉤狀態(tài)和機(jī)車車輛連掛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這種需求已經(jīng)在某些機(jī)車車輛上有具體體現(xiàn)，需要具體技術(shù)或產(chǎn)品支持。

1 車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能

車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是：根據(jù)有線或無(wú)線操控指令，由自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)完成車鉤的解鎖或打開動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛的連掛或解編；通過遠(yuǎn)程監(jiān)控信號(hào)判斷車鉤是否按照指令完成動(dòng)作并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[1]，如鎖閉、解鎖、全開動(dòng)作；通過遠(yuǎn)程監(jiān)控信號(hào)確認(rèn)車鉤連掛狀態(tài)，如連掛鎖閉、連掛解鎖、非連掛狀態(tài)。實(shí)施鉤緩裝置遠(yuǎn)程控制時(shí)，操作人員均會(huì)遠(yuǎn)離車鉤和手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，以無(wú)線指令或有線指令操控的方式完成與手動(dòng)操控相同的動(dòng)作。鉤緩裝置遠(yuǎn)程控制的具體方式主要有4種：微機(jī)操控、車端操控、移動(dòng)便攜式操控和控制室操控。

圖1為機(jī)車車輛車鉤緩沖裝置過程控制示意圖。

圖1 機(jī)車車輛車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制示意圖

(1) 微機(jī)操控。

通過加裝在機(jī)車微機(jī)內(nèi)的控制模塊對(duì)車鉤控制機(jī)構(gòu)發(fā)布有線指令，完成對(duì)車鉤的操控。這是最基礎(chǔ)的控制方式，也是其他更高級(jí)控制方式的基礎(chǔ)。同時(shí)可通過車鉤狀態(tài)監(jiān)控探測(cè)器的反饋信號(hào)監(jiān)控鉤緩系統(tǒng)工作狀態(tài)。對(duì)于車輛，需要加單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)微機(jī)操控。

(2) 車端操控。

通過加裝在車端特定區(qū)域的控制設(shè)備，在車旁或車端進(jìn)行車鉤動(dòng)作控制及狀態(tài)監(jiān)控，這是一種有線操控。對(duì)于機(jī)車，實(shí)施車端操控需要加裝一個(gè)控制面板及狀態(tài)監(jiān)控顯示面板；對(duì)于車輛，車端控制設(shè)備可與單片機(jī)統(tǒng)籌考慮。

(3) 移動(dòng)便攜式操控。

在機(jī)車車輛附近實(shí)施移動(dòng)無(wú)線操控，即通過操作者攜帶的移動(dòng)便攜設(shè)備與車端控制設(shè)備(車輛)或主控微機(jī)(機(jī)車)進(jìn)行無(wú)線通信，發(fā)布車鉤操作指令，并通過機(jī)車車輛控制設(shè)備反饋的車鉤狀態(tài)信號(hào)監(jiān)控車鉤的工作狀態(tài)。這是半智能控制方式，由操作人員遠(yuǎn)距離判斷機(jī)車車輛的位置及工作需求。

(4) 控制室操控。

是固定的遠(yuǎn)程無(wú)線操控方式，即通過控制室微機(jī)系統(tǒng)與場(chǎng)內(nèi)機(jī)車車輛的鉤緩裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信，發(fā)布指令執(zhí)行開鉤操作，并通過車鉤狀態(tài)監(jiān)控探測(cè)器反饋信號(hào)監(jiān)控鉤緩系統(tǒng)工作狀態(tài)。這是一種全智能的程序控制方式，需要精確定位機(jī)車車輛位置，并準(zhǔn)確定義機(jī)車車輛工作需求。

以上4種控制方式各有特點(diǎn)，可針對(duì)不同的機(jī)車車輛應(yīng)用需求情況靈活配置，推薦配置如表1所示。表1中，標(biāo)記*號(hào)的為高端控制方式，多種控制方式同時(shí)存在時(shí)，高端控制方式為主控方式，其余按表中敘述的先后順序備份控制方式。

表1 不同應(yīng)用工況下控制方式推薦配置

2 系統(tǒng)組成

機(jī)車車輛無(wú)論采用哪種控制方式，都需要子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：基礎(chǔ)車鉤緩沖裝置、車鉤自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)。圖2為車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成及關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖2 車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成及關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.1 基礎(chǔ)車鉤緩沖裝置

基礎(chǔ)車鉤緩沖裝置是機(jī)車車輛的基本配置，包括車鉤、緩沖器、手動(dòng)開鉤機(jī)構(gòu)等，可實(shí)現(xiàn)車鉤的連掛，并可實(shí)施手動(dòng)操作。用于配置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)車上的基礎(chǔ)車鉤緩沖裝置，其車鉤、緩沖器等主要零部件沒有變化，但為了配合自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，車鉤提桿機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行調(diào)整，以滿足一套開鉤機(jī)構(gòu)兼容手動(dòng)和自動(dòng)操作的要求，且兩種操作方式互不干涉。研究和試驗(yàn)表明，通過機(jī)械設(shè)計(jì)可以滿足上述要求。

2.2 車鉤自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)

車鉤自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)加裝在基礎(chǔ)車鉤緩沖裝置上，是以電源或氣源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車鉤動(dòng)作的機(jī)械機(jī)構(gòu)(含電氣元件)，可通過執(zhí)行遠(yuǎn)程指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解鎖或打開車鉤。車鉤自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)由推桿、連接器、分段式車鉤提桿組成，整套機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)車車輛端板上。推桿通過連接器與車鉤提桿連接，以電源或氣源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)推動(dòng)車鉤提桿，提起鉤鎖，實(shí)現(xiàn)車鉤開啟。圖3為車鉤自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 車鉤自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

需要注意的是，電動(dòng)或氣動(dòng)推桿與手動(dòng)提桿操作上有較大區(qū)別：手動(dòng)提桿操作是通過手感觸覺結(jié)合目測(cè)觀察來(lái)掌控提桿力度和動(dòng)作幅度，而推桿的動(dòng)作幾乎是剛性的，且行程精確。因此，自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要細(xì)致掌握不同車鉤的開鉤力度和開鉤時(shí)提桿轉(zhuǎn)動(dòng)行程，準(zhǔn)確設(shè)置推桿機(jī)構(gòu)的功率、推力和行程，且推桿行程應(yīng)比提桿轉(zhuǎn)動(dòng)行程大。同時(shí)，在連接器上設(shè)置緩沖彈簧和復(fù)位行程開關(guān)，確保每次動(dòng)作都能頂推到位，且沒有過大的力傳遞出去，以避免推桿力量過大損壞車鉤零部件，或者推桿力量不足或行程不夠打不開車鉤。另外，需要將手動(dòng)提桿改良為分段式車鉤提桿機(jī)構(gòu)，以避免手動(dòng)操作和自動(dòng)操作的相互干涉，這樣既保留兩側(cè)手動(dòng)操作，又可兼容連接器連接推桿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打開車鉤。

2.3 車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)分兩部分：車鉤狀態(tài)監(jiān)控和機(jī)車車輛連掛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由若干傳感器或探頭監(jiān)控車鉤三態(tài)和機(jī)車車輛位置，并將監(jiān)控信號(hào)反饋到車端控制設(shè)備、移動(dòng)便攜設(shè)備或控制室。圖4為車鉤狀態(tài)及連掛狀態(tài)監(jiān)控方案。

(1) 車鉤狀態(tài)監(jiān)控方案。車鉤狀態(tài)監(jiān)控即實(shí)時(shí)監(jiān)控車鉤所處狀態(tài)(鎖閉、解鎖、全開)，并將狀態(tài)信號(hào)反饋到人機(jī)對(duì)話控制終端。決定車鉤狀態(tài)的源頭零件是鉤鎖和鉤舌，故應(yīng)分別針對(duì)鉤鎖和鉤舌進(jìn)行車鉤狀態(tài)監(jiān)控。本文推薦的方案是：分別采用2個(gè)鉤舌位置傳感器和2個(gè)鉤鎖位置傳感器，2個(gè)鉤舌位置傳感器分別探測(cè)鉤舌全開位和閉鎖位，2個(gè)鉤鎖位置傳感器均用于探測(cè)鉤鎖位置，由主信號(hào)傳感器反饋鉤鎖位置狀態(tài)，在主信號(hào)傳感器發(fā)生故障時(shí)另一個(gè)鉤鎖位置傳感器(補(bǔ))仍有可靠信號(hào)傳輸。需要注意的是，車鉤上安裝的傳感器需要無(wú)損安裝，安裝后和安裝過程中不能破壞車鉤原有結(jié)構(gòu)，避免在C級(jí)鋼或E級(jí)鋼車鉤上實(shí)施焊接工序而影響車鉤材質(zhì)性能和車鉤的功能[2]。

(2) 機(jī)車車輛連掛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控方案。機(jī)車車輛連掛信息傳感器采用超聲波距離傳感器，用以探測(cè)前方是否有機(jī)車或車輛，并將信號(hào)傳遞給人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)。如果連掛信息傳感器安裝在機(jī)車車輛端部中間位置，探測(cè)距離要足夠補(bǔ)償緩沖器行程的影響；如果連掛信息傳感器安裝在機(jī)車車輛端部?jī)蓚?cè)，建議在車鉤左右兩側(cè)對(duì)稱布置，這是為了防止機(jī)車車輛通過曲線而導(dǎo)致一側(cè)傳感器探測(cè)失真時(shí)，另一側(cè)仍有可靠信號(hào)反饋。

在這套狀態(tài)監(jiān)控方案中，傳感器的安裝位置和其探測(cè)距離密切相關(guān)，應(yīng)在選型時(shí)重點(diǎn)關(guān)注，要考慮緩沖器行程對(duì)連掛信息傳感器探測(cè)效果的影響和機(jī)車車輛應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境(粉塵、聲、光、熱等)對(duì)傳感器的影響，本文推薦超聲波距離傳感器，并避免使用激光類的傳感器。另外，連掛信息傳感器信號(hào)還可與機(jī)車車輛智能控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛連接異常情況突發(fā)時(shí)的應(yīng)急處理。

2.4 人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)

人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)是遠(yuǎn)程指令終端，也是監(jiān)控信號(hào)反饋后的遠(yuǎn)程顯示終端，由一系列操作界面和信息顯示模塊組成，包括遠(yuǎn)程操作無(wú)線控制器、車旁便攜操作無(wú)線控制器、車端操作控制盒(有線)和微機(jī)控制模塊。人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供動(dòng)作操作面板，給出操作提示，準(zhǔn)確顯示監(jiān)控信號(hào)，并兼?zhèn)浞勒`操作保護(hù)功能。

每種鉤緩裝置遠(yuǎn)程控制方式都包含一種人機(jī)對(duì)話界面，也對(duì)應(yīng)一臺(tái)設(shè)備，且每臺(tái)設(shè)備的應(yīng)用條件不同，人機(jī)對(duì)話的界面也有所差異，但其中包含的信息是相同的。例如：車旁便攜操作無(wú)線控制器和車端操作控制盒上可能只有按鈕和狀態(tài)指示燈，而遠(yuǎn)程操作無(wú)線控制器、微機(jī)控制模塊中可能包含狀態(tài)圖示等更加直觀的圖像信息和觸屏指令開關(guān)，但無(wú)論是按鈕還是觸屏指令開關(guān)，或者是狀態(tài)指示燈和狀態(tài)圖示，傳遞給操作者的信息都是一樣的，這些內(nèi)容都應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中予以定義。

人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)應(yīng)對(duì)機(jī)車車輛兩端或者不同機(jī)車車輛的車鉤控制和監(jiān)控信號(hào)予以區(qū)別，防止操作混淆，發(fā)生意外。此外，人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)還應(yīng)附帶一些必要的輔助功能，如：防誤操作功能、行車安全自鎖功能、語(yǔ)音播報(bào)功能和狀態(tài)警報(bào)功能等等，這些輔助功能的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)比較成熟，技術(shù)方案兌現(xiàn)沒有很大難度。

3 車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

車鉤自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)是車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)包括若干關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)方案將解決系統(tǒng)研制過程中的具體問題。這些關(guān)鍵技術(shù)主要有：

(1) 電動(dòng)/氣動(dòng)推桿上部連接器的緩沖技術(shù)及行程復(fù)位技術(shù)；

(2) 遠(yuǎn)程控制機(jī)構(gòu)與手動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的兼容技術(shù)；

(3) 傳感器在車鉤上的無(wú)損安裝技術(shù)；

(4) 狀態(tài)監(jiān)控信號(hào)的判斷邏輯及人機(jī)對(duì)話界面技術(shù)；

(5) 線路條件下車鉤控制機(jī)構(gòu)和監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性保障技術(shù)。

4 研制實(shí)例及其驗(yàn)證

根據(jù)以上技術(shù)路線和設(shè)計(jì)方法對(duì)某型車鉤研制了遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，車鉤等基礎(chǔ)零部件根據(jù)用戶要求定制；自動(dòng)操作動(dòng)力源采用電動(dòng)推桿；連掛傳感器選用超聲波雷達(dá)；鉤鎖和鉤舌位置傳感器采用距離傳感器；電動(dòng)推桿與鉤提桿之間安裝緩沖連接器，并在連接器上安裝了復(fù)位行程開關(guān)；采用四段式提桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)與手動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的兼容；采用傳感器安裝支架，實(shí)現(xiàn)無(wú)損安裝；編寫系統(tǒng)控制邏輯，設(shè)計(jì)車端操作和微機(jī)內(nèi)的人機(jī)對(duì)話界面。對(duì)研制的車鉤緩沖裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)樣件進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和裝車驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用需求。

圖5為車鉤遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控主要零部件。圖6為車鉤遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控研制實(shí)例。

圖5 車鉤遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控主要零部件

圖6 車鉤遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控研制實(shí)例

5 結(jié)束語(yǔ)

鉤緩裝置遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)是機(jī)車車輛向自動(dòng)化、智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)，涉及了材料科學(xué)、機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微機(jī)無(wú)線和有線控制、編程及人機(jī)工程等多學(xué)科多領(lǐng)域。

研制實(shí)例及試驗(yàn)驗(yàn)證表明，本文提出的自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)等核心技術(shù)的技術(shù)路線正確，方法可行。