基于WINCC的機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸距自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究

盧寧，王筱琲，任麗娜

(1.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044;2.中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100038)

轉(zhuǎn)向架裝配過程中的軸距差是影響轉(zhuǎn)向架運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的重要因素，是關(guān)系到列車能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

過大的左右軸距差會(huì)致使列車在轉(zhuǎn)向時(shí)候受力不均，輪緣交替沖擊鐵軌，極大地磨損車輪以及鐵軌，給列車的正常運(yùn)行以及鐵軌的工作狀態(tài)埋下隱患。同時(shí)，在列車轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向架的軸距差過大也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向失準(zhǔn)，給鐵軌施加過大的力，導(dǎo)致列車出軌，造成極為重大的人身以及國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)分析:2 400 mm軸距的轉(zhuǎn)向架軸距差如達(dá)到1 mm，便將嚴(yán)重影響車輛行駛的平穩(wěn)性。

近年來，中國(guó)的機(jī)車經(jīng)歷了6次大提速。機(jī)車速度提高的同時(shí)成倍放大了轉(zhuǎn)向架軸距差過大的不安全隱患，因此對(duì)機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸距測(cè)量設(shè)備提出了更為嚴(yán)格的要求。

1 轉(zhuǎn)向架軸距測(cè)量原理

目前在鐵路車場(chǎng)、機(jī)務(wù)段使用的轉(zhuǎn)向架軸距測(cè)量方式均為使用測(cè)量尺的人工輔助測(cè)量方式，具有以下幾個(gè)缺點(diǎn):(1)測(cè)量過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力;(2)由于人工測(cè)量的隨機(jī)性很強(qiáng)，不同人員甚至同一人員使用相同的測(cè)量工具對(duì)同一軸距的測(cè)量結(jié)果都會(huì)有較大的隨機(jī)誤差，因此不易保證測(cè)量精度;(3)測(cè)量尺的智能性較低，測(cè)量數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)共享，不適應(yīng)管理系統(tǒng)信息化的發(fā)展方向;(4)轉(zhuǎn)向架做靜載試驗(yàn)的過程中，人工測(cè)量軸距的方法實(shí)現(xiàn)起來有很大的困難，甚至無法實(shí)現(xiàn)。因此根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)一種高精度的自動(dòng)軸距測(cè)量系統(tǒng)。

基于WINCC的機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸距的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由底座、橫移溜板、V型測(cè)塊、水平導(dǎo)軌、豎直導(dǎo)軌、相對(duì)式磁柵尺、升降油缸、PLC及上位機(jī)WINCC等組成。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 軸距測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在左、右兩條軌道內(nèi)側(cè)地坑中對(duì)稱安裝軸距自動(dòng)測(cè)量裝置，分別測(cè)量轉(zhuǎn)向架左、右側(cè)的軸距及軸距差。

工作原理:利用V型測(cè)塊對(duì)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)進(jìn)行定位，使V型測(cè)塊中心線與輪對(duì)中心線重合。通過磁柵尺檢測(cè)V型測(cè)塊位移，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至PLC，由PLC及WINCC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算轉(zhuǎn)向架軸距以及軸距差。對(duì)于裝配失誤造成軸距差超差的轉(zhuǎn)向架，WINCC給出報(bào)警信號(hào)并進(jìn)行記錄。

2 轉(zhuǎn)向架車軸中心的定位

轉(zhuǎn)向架軸距測(cè)量的重點(diǎn)是找準(zhǔn)輪對(duì)車軸的中心位置。轉(zhuǎn)向架輪對(duì)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架輪對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在機(jī)車入場(chǎng)檢修過程中，會(huì)將轉(zhuǎn)向架進(jìn)行拆解，通過車床或不落輪鏇對(duì)車輪的輪緣和踏面進(jìn)行修正，工藝上視修正后的輪緣、踏面為絕對(duì)圓。因此，輪緣、踏面的對(duì)稱中心線即為車軸的中心線。

該軸距測(cè)量系統(tǒng)采用V型測(cè)塊機(jī)構(gòu)對(duì)車軸中心進(jìn)行找正，V型測(cè)塊移動(dòng)的機(jī)械設(shè)計(jì)采用連桿完成。V型測(cè)塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 V型測(cè)塊機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

V型測(cè)塊在豎直方向可以由液壓油缸頂起，沿橫移溜板上的豎直導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng);與此同時(shí)，在水平方向隨橫移溜板沿水平導(dǎo)軌移動(dòng)，移動(dòng)過程中兩根桿自動(dòng)調(diào)節(jié)位置，可保持豎直方向與水平方向互不影響。此裝置為二自由度系統(tǒng)，測(cè)量時(shí)4個(gè)V型測(cè)塊升起，其斜面碰觸車輪，在其反作用力作用下，4個(gè)V型測(cè)塊和橫移溜板將左右微動(dòng)，直至4個(gè)V型測(cè)塊中心線與4個(gè)車輪中心線重合為止，以便測(cè)量軸距及軸距差。

3 軸距的測(cè)量與計(jì)算

轉(zhuǎn)向架軸距測(cè)量系統(tǒng)采用相對(duì)式磁柵尺作為測(cè)量元件。相對(duì)式磁柵尺由磁柵尺及磁柵尺讀頭組成。磁柵尺固定于測(cè)量系統(tǒng)底座側(cè)方。磁柵尺讀頭與橫移溜板固定，讀頭中心線與橫移溜板及V型測(cè)塊中心線重合。磁柵尺安裝位置圖4所示。

圖4 磁柵尺安裝位置圖

在軸距測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際工作過程，V型測(cè)塊升起找正車輪中心過程中，磁柵尺讀頭從初始標(biāo)定位置開始隨V型測(cè)塊及橫移溜板左右移動(dòng)，讀頭在磁柵尺上每移動(dòng)0.05 mm，讀頭將一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)送至PLC的高速計(jì)數(shù)器。高速計(jì)數(shù)器對(duì)磁柵尺傳送的正脈沖及負(fù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，脈沖數(shù)與單個(gè)脈沖移動(dòng)距離的乘積即為此V型測(cè)塊與標(biāo)定位置的相對(duì)距離。磁柵尺讀頭標(biāo)定位置與相對(duì)距離之和即為轉(zhuǎn)向架軸距。

4 使用結(jié)果與分析

機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸距自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向架空載和任意載荷作用下的軸距測(cè)量工作。測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初將以目前國(guó)內(nèi)使用的最大軸距轉(zhuǎn)向架為基礎(chǔ)，量程涵蓋不同軸距轉(zhuǎn)向架;測(cè)量過程中，只要在WINCC系統(tǒng)軟件設(shè)定需要測(cè)量的轉(zhuǎn)向架的理論軸距，就能夠保證位移測(cè)量元件的測(cè)量精度與測(cè)量量程無關(guān)，從而保證對(duì)不同型號(hào)轉(zhuǎn)向架軸距的準(zhǔn)確測(cè)量。

該設(shè)備使用專門定制的精加工測(cè)量輪(經(jīng)計(jì)量部門計(jì)量)作為轉(zhuǎn)向架軸距測(cè)量裝置的標(biāo)定設(shè)備。參數(shù):軸間距2 000 mm。測(cè)量輪結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測(cè)量輪結(jié)構(gòu)圖

該機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸距自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用鐵路車場(chǎng)、機(jī)務(wù)段實(shí)際生產(chǎn)過程中。鐵路車輛規(guī)范要求:機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸距差為1～3 mm，不同型號(hào)轉(zhuǎn)向架軸距差要求略有不同。經(jīng)上海地鐵2號(hào)線北翟路基地、北京地鐵太平莊、太平湖車輛段使用測(cè)試，軸距測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度±0.1 mm，重復(fù)精度0.01，完全滿足轉(zhuǎn)向架裝配過程中鐵路車輛規(guī)范對(duì)軸距測(cè)量的精度要求。

機(jī)車轉(zhuǎn)向架軸距自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的成功開發(fā)，使動(dòng)車、客車轉(zhuǎn)向架軸距測(cè)量更為簡(jiǎn)單，擺脫了過去需人工輔助測(cè)量、測(cè)量精確度差的難題，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)工時(shí)，完全滿足生產(chǎn)和安全需要。

軸距自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)最大測(cè)量誤差0.1 mm，系統(tǒng)精度高。

(2)軸距測(cè)量設(shè)備采用自動(dòng)測(cè)量方式，使用方便、效率高。

(3)對(duì)設(shè)備的剛度要求低，設(shè)備底座、V型測(cè)塊及橫移溜板不易變形。

(4)軸距測(cè)量結(jié)果顯示在WINCC系統(tǒng)控制臺(tái)上，并在軸距差不符合要求時(shí)報(bào)警，結(jié)果顯示明了，報(bào)警信號(hào)清晰。

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