動(dòng)車開(kāi)閉機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：文章對(duì)目前我國(guó)高鐵及動(dòng)車前端模塊采用的一種開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、控制方式及工作原理等做了詳細(xì)介紹，從安裝調(diào)試、可靠性、可維護(hù)性、可操作性等方面論述了該種開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)單的分析。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車；高鐵；開(kāi)閉機(jī)構(gòu)；發(fā)展趨勢(shì)

1 概述

隨著我國(guó)高鐵及動(dòng)車技術(shù)的不斷發(fā)展，其組成部件的高端化、自動(dòng)化要求也在不斷提高。文章介紹的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)為動(dòng)車和高鐵前端部件，為自動(dòng)化裝置，其作為列車的最前端模塊在列車單列運(yùn)行時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，和車體頭罩形成完整的列車空氣動(dòng)力學(xué)外形，減小風(fēng)阻風(fēng)噪，并保護(hù)前端車鉤等機(jī)構(gòu)；在兩列車連掛運(yùn)行或檢修牽引時(shí)，開(kāi)閉機(jī)構(gòu)將活動(dòng)艙門(mén)打開(kāi)，露出車鉤進(jìn)行連掛。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)安裝在列車組最前端，主要由機(jī)架組成、旋轉(zhuǎn)艙門(mén)（左右共兩扇）、電路系統(tǒng)組成及氣路系統(tǒng)組成等四大部分構(gòu)成。列車司機(jī)可直接在司機(jī)室內(nèi)控制開(kāi)閉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)打開(kāi)及關(guān)閉動(dòng)作，在無(wú)動(dòng)力的情況下可通過(guò)專用工具在列車前端手動(dòng)打開(kāi)及關(guān)閉開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，同時(shí)在其打開(kāi)及關(guān)閉時(shí)都具有鎖閉功能。

2 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

（1）機(jī)構(gòu)的組成。該種開(kāi)閉機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架組成、旋轉(zhuǎn)艙門(mén)（左右共兩扇）、電路系統(tǒng)組成及氣路系統(tǒng)組成等四大部分構(gòu)成。通過(guò)電路系統(tǒng)控制電磁閥開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸供氣，通過(guò)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)將氣缸的伸長(zhǎng)縮短動(dòng)作轉(zhuǎn)化為活動(dòng)艙門(mén)的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的打開(kāi)及關(guān)閉動(dòng)作。左右旋轉(zhuǎn)艙門(mén)直接安裝到機(jī)架組成的轉(zhuǎn)臂上，與機(jī)架組成、電路系統(tǒng)組成、氣路系統(tǒng)組成一同安裝在車體的預(yù)留接口上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

（2）安裝與調(diào)節(jié)。由于活動(dòng)艙門(mén)須與車體頭罩進(jìn)行裝配，為美觀性達(dá)到最佳，需保證活動(dòng)艙門(mén)和車體頭罩之間的間隙均勻，故機(jī)構(gòu)中分別設(shè)計(jì)了前后、左右、上下以及平面旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)艙門(mén)與車體頭罩配合時(shí)各個(gè)方向的微調(diào)。開(kāi)閉機(jī)構(gòu)單個(gè)艙門(mén)上配有長(zhǎng)度可微調(diào)的轉(zhuǎn)臂，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)短以調(diào)節(jié)單個(gè)艙門(mén)的旋轉(zhuǎn)角度，安裝調(diào)節(jié)十分便捷。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

該種動(dòng)車開(kāi)閉機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)：兩旋轉(zhuǎn)艙門(mén)開(kāi)口距離1326±10mm；滿足車鉤擺角上下±6°，左右±12°；額定電壓110V DC，額定功率44W；使用環(huán)境-20℃- +60℃；使用壽命大于30年。

3 具體功能原理的剖析

3.1 控制原理簡(jiǎn)介

該種開(kāi)閉機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)控制原理，通過(guò)電信號(hào)的反饋實(shí)現(xiàn)邏輯動(dòng)作。電路系統(tǒng)中存在的PLC等控制系統(tǒng)對(duì)電磁閥進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)雙作用擺動(dòng)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械系統(tǒng)中通過(guò)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)將氣缸推桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)臂又與旋轉(zhuǎn)艙門(mén)相連接，進(jìn)而帶動(dòng)艙門(mén)的運(yùn)動(dòng)。

3.2 機(jī)構(gòu)的鎖閉

該種開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在打開(kāi)及關(guān)閉到位后均具有鎖閉功能，鎖閉功能采用機(jī)械自鎖原理實(shí)現(xiàn)，不依賴任何動(dòng)力，該種功能較之前的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)采用的靠工作狀態(tài)的氣缸來(lái)鎖閉的方式在性能上有了較大的提高，增加了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 信號(hào)的反饋

在開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的推動(dòng)氣缸上安裝有檢測(cè)裝置，當(dāng)旋轉(zhuǎn)艙門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉到指定位置后將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給電路系統(tǒng)，系統(tǒng)接到信號(hào)后將整個(gè)系統(tǒng)與外界動(dòng)力進(jìn)行隔離，即處于“失電斷氣”狀態(tài)。該種設(shè)計(jì)避免了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間帶電以及氣缸長(zhǎng)時(shí)間處于充氣狀態(tài)，在保證產(chǎn)品安全性的同時(shí)能有效延長(zhǎng)電、氣元件的使用壽命，降低故障率。

4 操作的便捷性

該種開(kāi)閉機(jī)構(gòu)操作便捷只需單人即可。操作方式為兩種：自動(dòng)方式、手動(dòng)方式。自動(dòng)操作方式只需系統(tǒng)提供正常動(dòng)力，司機(jī)可在司機(jī)室內(nèi)通過(guò)操作按鈕控制其動(dòng)作，其打開(kāi)及關(guān)閉均為同一個(gè)按鈕，司機(jī)室面板上有相關(guān)的到位指示燈以供司機(jī)判斷開(kāi)閉機(jī)構(gòu)所處的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于“失電失氣”的情況下，操作人員可在司機(jī)室外車體最前端通過(guò)專用工具實(shí)現(xiàn)打開(kāi)或關(guān)閉動(dòng)作。不論自動(dòng)控制方式還是手動(dòng)控制方式均可實(shí)現(xiàn)單人在1分鐘內(nèi)完成開(kāi)閉機(jī)構(gòu)單次動(dòng)作。

5 系統(tǒng)的可靠性及可維護(hù)性設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)功能為打開(kāi)-打開(kāi)鎖閉，關(guān)閉-關(guān)閉鎖閉。為提高鎖閉的可靠性取替了以往依賴氣缸推桿直接鎖閉的設(shè)計(jì)方式改為用純機(jī)械原理進(jìn)行鎖閉，避免了氣缸在失去動(dòng)力后對(duì)鎖閉帶來(lái)的不利影響；系統(tǒng)內(nèi)僅采用了兩個(gè)氣缸便實(shí)現(xiàn)了動(dòng)作功能要求，因此所使用元件數(shù)目少，要求低，有效降低系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)；電、氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集成型設(shè)計(jì)，關(guān)鍵元器件采用國(guó)外進(jìn)口品牌，且電氣元件整體集成安裝在密封等級(jí)至少可達(dá)到IP65的電氣控制柜內(nèi)，有效防水、防塵，保護(hù)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.2 材料的選擇

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)零部件材料主要為玻璃鋼（旋轉(zhuǎn)艙門(mén)及環(huán)形頭罩的主要材料）、鋁合金、不銹鋼，滿足防銹、防火的要求。氣路管路采用金屬接頭和橡膠軟管組成，密封性能良好且有較強(qiáng)的抗老化性。產(chǎn)品進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：包括整體產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、電氣系統(tǒng)單獨(dú)的可靠性功能試驗(yàn)、玻璃鋼產(chǎn)品的防撞試驗(yàn)以及淋雨試驗(yàn)等。

5.3 系統(tǒng)的可維護(hù)性設(shè)計(jì)

考慮到電氣系統(tǒng)檢修和故障處理需要，在設(shè)計(jì)初期預(yù)留了檢修窗，位置見(jiàn)圖2序3示意，在操作人員需對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，可將活動(dòng)的檢修窗取下，用隨車常用的方孔鑰匙打開(kāi)電氣控制柜門(mén)來(lái)對(duì)電氣元件進(jìn)行維護(hù)和檢修，空間布局合理，操作方便。電氣系統(tǒng)內(nèi)的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得維修人員在查找、維修故障時(shí)簡(jiǎn)便省時(shí)。

6 開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向

考慮到開(kāi)閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)功能的單一性，目前動(dòng)車及高鐵上使用的結(jié)構(gòu)仍然過(guò)于復(fù)雜化，且左右方向打開(kāi)的開(kāi)閉形式對(duì)于列車左右方向的空間要求較高，為滿足車鉤左右方向的最大擺角要求，左右方向的打開(kāi)型式會(huì)導(dǎo)致開(kāi)閉機(jī)構(gòu)出現(xiàn)體積大、重量高等問(wèn)題，影響列車美觀性和整體的重量要求。隨著國(guó)內(nèi)高鐵及動(dòng)車技術(shù)日趨成熟，其部件的高端化、自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越凸顯，純手動(dòng)的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)也會(huì)難以滿足使用要求。綜上所述開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單化、輕量化、美觀性仍是開(kāi)閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)優(yōu)化內(nèi)容，自動(dòng)化和智能化設(shè)計(jì)是大勢(shì)所趨，同時(shí)上下開(kāi)閉形式的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)也會(huì)越來(lái)越凸顯。

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作者簡(jiǎn)介：呂文博：株洲九方裝備股份有限公司，助理工程師。