單軌機(jī)車換輪平臺(tái)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊永剛，孫雋

(1. 重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶401331; 2. 重慶交通大學(xué)教育技術(shù)中心，重慶400074)

換輪平臺(tái)是單軌機(jī)車維修基地的一種專用液壓設(shè)備，其主要功能是用于拆裝機(jī)車輪胎架，以實(shí)現(xiàn)更換或者維修機(jī)車輪胎。該裝置主要由沉降梁升降機(jī)構(gòu)、沉降梁升降平臺(tái)定位插銷機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)等幾大部分組成。

1 換輪平臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作過程

換輪平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 換輪平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

換輪平臺(tái)的工作過程如下:啟動(dòng)液壓工作站，電氣系統(tǒng)確定沉降梁位置，發(fā)出機(jī)車進(jìn)入信號(hào)，機(jī)車進(jìn)入沉降梁位置，拔平臺(tái)定位銷(缸)，沉降梁升高20 mm (目的是卸下輪胎架)，沉降梁下降到位，升降平臺(tái)定位銷(缸)插入，回轉(zhuǎn)臺(tái)在回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)±45°回轉(zhuǎn)到位，推輪胎架進(jìn)入檢修臺(tái)，進(jìn)行更換輪胎或充氣。(充氣完畢后，以上步驟可逆，直至裝上輪胎架，整個(gè)一次作業(yè)算完成。)

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù):

(1)沉降梁平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)。平臺(tái)質(zhì)量及機(jī)車車廂質(zhì)量約有15 t，升降行程2 900 mm，平臺(tái)下降到位時(shí)間約2.5 min，上升到位約5 min。

(2)沉降梁平臺(tái)插銷定位機(jī)構(gòu)。插銷缸推拉負(fù)載約30 kN，伸縮行程200 mm，伸縮時(shí)間各為3.5 s。

(3)沉降梁回轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)推動(dòng)缸負(fù)載約120 kN，行程850 mm，回轉(zhuǎn)時(shí)間20 s 左右(回轉(zhuǎn)角0 ～±45°)。

系統(tǒng)液壓原理圖如圖2 所示。

圖2 換輪平臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 升降機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于升降平臺(tái)負(fù)載和位移都比較大，所以要求平臺(tái)在升降過程中速度換接必須平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，因此選擇采用液壓驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)。該回路采用兩個(gè)三級(jí)液壓缸來實(shí)現(xiàn)沉降梁的升降，三級(jí)缸的同步及調(diào)速采用電液比例調(diào)速閥組來實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)的三級(jí)缸承受的負(fù)載大，垂直安裝，所以采用單作用缸，下行靠自重來完成，由于行程大，只能是自行設(shè)計(jì)，由專門液壓元件生產(chǎn)企業(yè)制造。在選擇同步方式時(shí)，考慮了幾種同步方式，經(jīng)綜合比較，最后確定了采用電液比例調(diào)速閥組16，17。該比例閥性能雖然比不上伺服閥，但其同步精度達(dá)到了0.5 mm，完全滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，與伺服閥相比較，其費(fèi)用低，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。該電液比例調(diào)速閥組16 使用了一個(gè)普通調(diào)速閥，17 使用了一個(gè)比例調(diào)速閥，它們裝在由8 個(gè)單向閥組成的橋式回路中，分別控制缸B1 和缸B2 的動(dòng)作。當(dāng)缸B1 和B2 的活塞出現(xiàn)位置誤差時(shí)候，檢測(cè)裝置就會(huì)發(fā)出信號(hào)，調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的開口，使缸B2 活塞跟上缸B1 的活塞運(yùn)動(dòng)而保證了兩缸的同步。

系統(tǒng)中18，19 是兩個(gè)限速切斷安全閥，這兩個(gè)閥在沉降梁升降過程中起安全保護(hù)作用，系統(tǒng)負(fù)載有150 kN，加之在換速時(shí)的慣性負(fù)載，在瞬時(shí)油管內(nèi)壓力可能劇增，導(dǎo)致管道破裂，平臺(tái)下墜，造成安全事故。限速切斷閥由阻尼器和切斷閥組成，阻尼器可以檢測(cè)管內(nèi)流量的劇增，并將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓差信號(hào)，切斷閥則可以通過這個(gè)壓差克服彈簧力，推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)切斷油路，對(duì)系統(tǒng)起到安全保護(hù)作用。

2.2 回轉(zhuǎn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)沉降梁下降到下極限位時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)在推動(dòng)缸作用下可以轉(zhuǎn)動(dòng)±45°，以便把輪胎架推移到檢修臺(tái)(正負(fù)各對(duì)應(yīng)一條檢修臺(tái))。由于負(fù)載較大，故采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)±45°屬曲線動(dòng)作，且要求旋轉(zhuǎn)精度高，故回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)用數(shù)字缸來實(shí)現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)油缸采用內(nèi)置傳感器的雙作用數(shù)字油缸，與電氣系統(tǒng)的接近開關(guān)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)沉降梁的±45°和0° 3 個(gè)工作位置的精確定位。

回轉(zhuǎn)臺(tái)液壓系統(tǒng)及控制原理方塊圖如圖3 所示。

圖3 回轉(zhuǎn)臺(tái)液壓系統(tǒng)及控制原理方塊圖

圖中輸入的位置指令由電壓Ui給出，輸出位置由位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)換為反饋電壓Uf，比較器用來測(cè)量輸入位置的指令電壓Ui與回轉(zhuǎn)臺(tái)輸出位置之間反饋電壓Uf的位置偏差電壓Uc，(Uc=Ui－Uf)。當(dāng)Uc=0 時(shí)，伺服放大器輸出電流為零，電液伺服閥處于零位，沒有流量流出，回轉(zhuǎn)臺(tái)不動(dòng)，停止在0°工作位。當(dāng)指令電壓Ui發(fā)生變化，而Uf未來的及發(fā)生變化之前，Uc≠0，此時(shí)，Uc經(jīng)伺服放大器放大后變?yōu)殡娏餍盘?hào)去控制電液伺服閥，電液伺服閥輸出壓力油到液壓缸，推動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)。隨著回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)，Ui→Uf，當(dāng)Ui= Uf時(shí)Uc=0，電液伺服閥恢復(fù)零位，液壓缸停止運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸回轉(zhuǎn)到位。

2.3 沉降梁平臺(tái)定位液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到當(dāng)沉降梁在兩極限位置時(shí)，由于平臺(tái)負(fù)載很大，在下極限位置設(shè)計(jì)了平臺(tái)限位塊 (見圖1中零件7)，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用液壓缸 (A1，A2，A3，A4)驅(qū)動(dòng)的4 個(gè)平臺(tái)定位插銷來實(shí)現(xiàn)定位。這4 個(gè)雙作用液壓缸也采用了同步回路來實(shí)現(xiàn)插銷和拔銷的同步。由于系統(tǒng)對(duì)插拔銷同步要求精度一般，所以采用了較為常見的性價(jià)比高、操作方便的分流集流閥(圖2 中元件7，8，9)來實(shí)現(xiàn)。其原理不再敘述。

以上各缸除數(shù)字缸外，其余各缸極限位置均采用光電開關(guān)來檢測(cè)?？刂葡到y(tǒng)選用了LG 公司的Master-K200S 的PLC 來實(shí)現(xiàn)，具體設(shè)計(jì)略。

3 結(jié)束語

該機(jī)車換輪平臺(tái)PLC 控液壓系統(tǒng)，是借鑒日本單軌列車同類設(shè)備的功能基礎(chǔ)上自主開發(fā)的。采用了電液伺服閥、比例閥以及限速切斷閥，使設(shè)備操作方便，安全可靠性大大提高，已在輕軌維修基地投入使用。

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