基于麥克納姆輪的公鐵兩用客車(chē)密接式車(chē)鉤運(yùn)載平臺(tái)設(shè)計(jì)*

梁 銘 羊懷茂

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

0 引言

密接式車(chē)鉤是高速列車(chē)的重要連掛裝置，更高的速度等級(jí)對(duì)密接式車(chē)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(guó)內(nèi)多數(shù)車(chē)輛段密接式車(chē)鉤檢修工器具仍以傳統(tǒng)器具搬運(yùn)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(dòng)安全性難以保證。因此，設(shè)計(jì)一套用于鐵路客車(chē)密接式車(chē)鉤檢修的專(zhuān)用器具對(duì)提高車(chē)輛檢修智能化水平、減輕作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)載平臺(tái)采用全向移動(dòng)機(jī)器人及公鐵轉(zhuǎn)換技術(shù)，運(yùn)用麥克納姆輪、直流伺服電動(dòng)缸及公鐵轉(zhuǎn)換車(chē)輪，實(shí)現(xiàn)車(chē)鉤運(yùn)載及拆裝的一體化作業(yè)，設(shè)計(jì)方案主要由4個(gè)具備減振浮動(dòng)功能的麥克納姆動(dòng)力輪組、4個(gè)帶動(dòng)力的鐵輪升降輪組、2個(gè)縱向頂升機(jī)構(gòu)、1個(gè)橫向微調(diào)機(jī)構(gòu)及車(chē)架組成，通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的全方位移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)及車(chē)鉤的頂升及橫向微調(diào)，通過(guò)公鐵轉(zhuǎn)換裝置切換實(shí)現(xiàn)車(chē)鉤的拆裝與搬運(yùn)。

1 密接式車(chē)鉤運(yùn)載平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

運(yùn)載平臺(tái)設(shè)計(jì)方案主要由4個(gè)具備減振浮動(dòng)功能的麥克納姆動(dòng)力輪組、4個(gè)帶動(dòng)力的鐵輪升降輪組、2個(gè)縱向頂升機(jī)構(gòu)、1個(gè)橫向微調(diào)機(jī)構(gòu)及車(chē)架等組成，圖1為運(yùn)載平臺(tái)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用單支撐鉸接裝置實(shí)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(shí)現(xiàn)運(yùn)載平臺(tái)在鐵軌與地面之間切換，通過(guò)滾珠絲桿和限位裝置實(shí)現(xiàn)鐵輪的升降，同時(shí)4套鐵輪組件中的2套配有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鐵輪在軌道的運(yùn)動(dòng)?？v向頂升機(jī)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(chē)鉤的縱向移動(dòng)，同時(shí)在電缸執(zhí)行機(jī)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(dòng)的燕尾形承重滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)車(chē)鉤安裝時(shí)與尾部安裝孔位完全重合。

圖1 運(yùn)載平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 運(yùn)載平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)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(gè)，輸出口32個(gè)。另外，還需要增加一定數(shù)量的擴(kuò)展板，控制系統(tǒng)中共計(jì)6組直流伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2組，光電開(kāi)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(wú)線發(fā)射終端和接收端1組，最終實(shí)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(jì)如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)載平臺(tái)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(jī)I/O口至少16個(gè)、經(jīng)濟(jì)成本低等功能，綜合考慮選用臺(tái)達(dá)AS228T-A PLC作為主控制器，同時(shí)選用AS16M10N-A和AS16N01T-A這個(gè)2個(gè)I/O擴(kuò)展板，通過(guò)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(hào)，4軸200 kHz高速計(jì)時(shí)器，16個(gè)數(shù)字量輸入口，12個(gè)數(shù)字量輸出口，2個(gè)I/O擴(kuò)展模塊分別有16個(gè)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(jī)操作等界面。選用DOP-107DV型號(hào)觸摸屏，通過(guò)DOPSoft軟件設(shè)置具體按鈕的功能。同時(shí)，為保證設(shè)備的安全操作，對(duì)設(shè)備的使用權(quán)限進(jìn)行限制，在進(jìn)入設(shè)備時(shí)需采用觸摸屏輸入賬號(hào)和密碼后才能進(jìn)入控制系統(tǒng)，同時(shí)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(huì)出現(xiàn)“檢測(cè)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(dòng)機(jī)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(wú)線遙控方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，無(wú)線遙控器主要由搖桿、按鍵開(kāi)關(guān)、模式切換開(kāi)關(guān)、指示燈等組成，其中搖桿用于控制平臺(tái)的全方位移動(dòng)，每個(gè)方向設(shè)置3個(gè)擋位用于調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，其余工作模式采用按鈕實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在控制系統(tǒng)中設(shè)有本地操作界面，目的在于無(wú)線控制器故障、低電量或需要實(shí)現(xiàn)微小距離時(shí)的設(shè)備操控，其功能形式與按鈕基本相同。

2 密接式車(chē)鉤運(yùn)載平臺(tái)減振浮動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

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(jì)方案中減速器采用垂直傳動(dòng)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(jī)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(jī)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(chē)架連接，設(shè)有定位于連接孔位，以確定驅(qū)動(dòng)輪間的相對(duì)位置。圖5為減振浮動(dòng)裝置三維設(shè)計(jì)圖。

圖4 減振浮動(dòng)裝置原理示意簡(jiǎn)圖

圖5 減振浮動(dòng)裝置三維效果圖

3 密接式車(chē)鉤運(yùn)載平臺(tái)公鐵轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

為滿足設(shè)備在鐵軌的運(yùn)動(dòng)及定位需要，設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)及減速器、光軸、錐齒輪組、連接件等組成。由于車(chē)鉤安裝時(shí)需要進(jìn)行軌道方向的位置校正，同時(shí)使車(chē)架的空間結(jié)構(gòu)更緊湊，方案中將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與減速器形成動(dòng)力源，該動(dòng)力源置于2驅(qū)動(dòng)裝置幾何中部，采用錐齒輪傳動(dòng)并驅(qū)動(dòng)兩側(cè)鐵輪的垂直升降，車(chē)體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置該升降裝置，升降裝置采用滾珠絲桿聯(lián)動(dòng)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(dòng)機(jī)位置。當(dāng)工作時(shí)，車(chē)架四角設(shè)置十字激光束用以確定車(chē)體與鐵軌的位置關(guān)系；當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時(shí)，啟動(dòng)鐵輪升降，升降完畢后啟動(dòng)鐵輪行走，完成車(chē)鉤沿軌道的移動(dòng)。

4 密接式車(chē)鉤運(yùn)載平臺(tái)減振車(chē)架及外殼設(shè)計(jì)

為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，考慮車(chē)體鐵軌行走需要及車(chē)鉤外形尺寸，車(chē)架不僅從強(qiáng)度及剛度滿足車(chē)體運(yùn)載需要，也能保持各部分按照設(shè)計(jì)位置正常工作，各部分的質(zhì)量盡可能減輕，以避免增加車(chē)體額外負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)車(chē)架功能區(qū)主要包括行走輪驅(qū)動(dòng)裝置、鐵輪升降裝置、電源及驅(qū)動(dòng)模塊放置等，承載質(zhì)量主要來(lái)源于承載物、電池、自身質(zhì)量等。車(chē)體采用對(duì)稱(chēng)布置結(jié)構(gòu)，采用矩形管組合焊接而成，動(dòng)力輪組沿車(chē)體中心線對(duì)稱(chēng)布置，車(chē)架選用規(guī)格為40 mm×40 mm×4 mm的方管，底盤(pán)采用5 mm厚鋁板。為防止車(chē)體碰撞行人，在拐角處設(shè)置圓角。車(chē)體外殼的主要作用在于安全防護(hù)，同時(shí)方便控制系統(tǒng)及電源器件線路的拆裝、維修等。車(chē)體外輪廓部分無(wú)棱角突出，有效避免車(chē)體對(duì)外界的傷害，車(chē)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(dòng)按鈕等部位。圖7為車(chē)架結(jié)構(gòu)及各組件裝配效果圖。

圖7 車(chē)架結(jié)構(gòu)及各組件裝配效果圖

將車(chē)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(yùn)用SpaceClaim對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，設(shè)定車(chē)架材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235，根據(jù)模型特點(diǎn)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(guò)網(wǎng)格劃分共生成785 474個(gè)單元，131 888個(gè)節(jié)點(diǎn)，車(chē)架網(wǎng)格如圖8a所示。分析中主要進(jìn)行了車(chē)架的靜力分析，車(chē)體承受的外部載荷為1 500 N，通過(guò)重力加速度表示載荷的方向，以集中載荷的形式施加在車(chē)架上部2塊平板處，同時(shí)將車(chē)架部分區(qū)域采取固定的形式實(shí)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(chē)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(chē)架所選材料的許用應(yīng)力（235 MPa），滿足車(chē)架的基本強(qiáng)度。最大應(yīng)變?yōu)?.52×10-5m，同樣出現(xiàn)在車(chē)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(jì)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將設(shè)計(jì)中的10 mm鋼板改為15 mm同規(guī)格的板材，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載運(yùn)行，可以提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖8 車(chē)架網(wǎng)格及分析結(jié)果

5 密接式車(chē)鉤運(yùn)載平臺(tái)制作與試驗(yàn)

密接式車(chē)鉤運(yùn)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(chē)結(jié)構(gòu)為1 730 mm×1 200 mm×1 500 mm，4個(gè)動(dòng)力輪組沿車(chē)體中線對(duì)稱(chēng)布置，鐵輪升降裝置相對(duì)于車(chē)體兩側(cè)的中心間距為1 425 mm，人機(jī)交互界面位于車(chē)體正面。經(jīng)樣機(jī)制作及調(diào)試形成圖9所示情況，表1為樣機(jī)重要性能參數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樣機(jī)各部件性能可靠，功能穩(wěn)定，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖9 樣機(jī)實(shí)物圖

表1 樣機(jī)性能參數(shù)

6 結(jié)論

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