4車翻車機(jī)壓車器故障分析及改造措施

周 祥

（神華黃驊港務(wù)公司，河北滄州 061113）

4車翻車機(jī)壓車器故障分析及改造措施

周 祥

（神華黃驊港務(wù)公司，河北滄州 061113）

黃驊港4車翻車機(jī)在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的壓車梁抬起到位（打開狀態(tài)）和壓下到位（關(guān)閉狀態(tài)）信號(hào)不穩(wěn)定故障，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)變形過程進(jìn)行模擬分析并提出解決方案，降低設(shè)備故障率，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

翻車機(jī)；壓車梁；信號(hào)檢測(cè)裝置

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.51

0 引言

翻車機(jī)是一種大型、高效的機(jī)械化卸車設(shè)備，用于翻卸鐵路敞車。目前它是我國港口煤炭裝卸運(yùn)輸中廣泛采用的一種卸車設(shè)備。黃驊港3級(jí)4卸車系統(tǒng)由4臺(tái)4車式翻車機(jī)組成，額定翻卸能力25次/h（8000 t/h），能接卸萬t級(jí)重載列車。

1 翻車機(jī)壓車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

翻車機(jī)翻卸形式為O形轉(zhuǎn)子式，工作過程中由重車調(diào)車機(jī)牽引一節(jié)滿載敞車準(zhǔn)確定位于翻車機(jī)的平臺(tái)，壓車臂下落壓住敞車兩側(cè)車幫，靠車板在液壓缸的推動(dòng)下靠向車皮一側(cè)，然后在減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行翻卸。

圖1所示為壓車梁結(jié)構(gòu)。壓車系統(tǒng)是翻車機(jī)的重要機(jī)構(gòu)，是確保平臺(tái)上重車翻轉(zhuǎn)安全的重要保障，一套翻車機(jī)設(shè)有16組壓車裝置及4套靠車裝置。翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)前要求所有的壓車、靠車裝置能夠可靠地固定車廂。其中壓車器的作用是在翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)作業(yè)中，保證車皮在翻車機(jī)平臺(tái)內(nèi)為壓緊狀態(tài)，壓車臂作用于車皮頂部。黃驊港4車翻車機(jī)系統(tǒng)中，每節(jié)車皮上有4個(gè)液壓控制的壓車器壓住火車車皮，壓車臂的抬起和壓下動(dòng)作由一個(gè)液壓系統(tǒng)統(tǒng)一控制，壓車臂抬起時(shí)，稱為打開狀態(tài)，壓車在液壓控制壓下到位時(shí)，稱為關(guān)閉狀態(tài)。每套壓車梁都有相應(yīng)的關(guān)閉和打開信號(hào)，這些信號(hào)是進(jìn)行翻車作業(yè)的必要條件，但在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，如果壓車裝置在翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中，16套壓車裝置及信號(hào)檢測(cè)裝置不穩(wěn)定，將嚴(yán)重影響作業(yè)效率及設(shè)備安全。

圖1 壓車梁結(jié)構(gòu)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，計(jì)算機(jī)工具在提高社會(huì)生產(chǎn)力方面發(fā)揮了越來越重要的作用，特別是CAD/CAE/CAM在工業(yè)界的日益成熟和普及，極大地提高了工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。有限元分析技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為計(jì)算機(jī)輔助分析CAE的核心，用CAE方法可以減少或避免物理測(cè)試過程，通過計(jì)算機(jī)模擬最惡劣載荷和工況下零件或結(jié)構(gòu)的工作情況，準(zhǔn)確地計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就能評(píng)估數(shù)學(xué)模型的各項(xiàng)性能，及早發(fā)現(xiàn)問題，縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期。數(shù)值模擬方法在機(jī)械裝置模擬研究方面的分析有著自己特殊的優(yōu)勢(shì)，它只需要建造與實(shí)際相符的三維模型，然后導(dǎo)入有限元分析軟件內(nèi)進(jìn)行模擬運(yùn)算，就可以在提供在裝置變形過程中的各個(gè)物理量的詳細(xì)數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)。

2 問題

2.1 翻車機(jī)壓車臂下壓到位信號(hào)不穩(wěn)定

翻車機(jī)壓車梁壓車到位信號(hào)裝置有兩種，靠車板側(cè)如圖2所示，非靠車板側(cè)如圖3所示，該裝置是確認(rèn)壓車梁壓下到位的信號(hào)檢測(cè)裝置。當(dāng)壓車梁壓下到位時(shí)，壓車信號(hào)檢測(cè)板被接近開關(guān)檢測(cè)到，確認(rèn)壓車梁已經(jīng)壓車到位。這時(shí)翻車機(jī)才可以正常作業(yè)，否則如果翻車機(jī)控制系統(tǒng)沒有檢測(cè)到該信號(hào)，說明壓車梁沒有壓到位，此時(shí)翻車機(jī)翻車作業(yè)火車就有脫軌危險(xiǎn)。因此，程序中規(guī)定沒有檢測(cè)到有壓車信號(hào)不允許翻車作業(yè)。

2.2 翻車機(jī)壓車臂抬起到位信號(hào)不穩(wěn)定

圖2 靠車板側(cè)壓車梁壓下信號(hào)檢測(cè)裝置

圖3 非靠車板側(cè)壓車梁壓下信號(hào)檢測(cè)裝置

翻車機(jī)將平臺(tái)內(nèi)重車翻卸完成后，壓車臂需要抬起，靠車板收回，并有相應(yīng)的檢測(cè)開關(guān)，以保證壓車臂和靠車板已經(jīng)抬起和收回到位。如在壓車臂和靠車板不到位的情況下牽引下一節(jié)車皮進(jìn)入翻車機(jī)平臺(tái)，車皮與翻車機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)相撞將導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，壓車臂抬起信號(hào)的穩(wěn)定是保證順利進(jìn)行下一個(gè)作業(yè)循環(huán)的關(guān)鍵因素。

翻車機(jī)原始設(shè)計(jì)中，壓車梁抬起信號(hào)檢測(cè)裝置均將檢測(cè)開關(guān)的感應(yīng)擋鐵焊接在壓車梁主鋼結(jié)構(gòu)上，設(shè)備使用初期滑道壓車梁與滑道的間隙較小，位置感應(yīng)擋鐵按照與接近開關(guān)感應(yīng)距離進(jìn)行布置。長期作業(yè)過程中，由于壓車器動(dòng)作頻繁導(dǎo)致滑道磨損，壓車梁與滑道的間隙變大，造成壓車梁動(dòng)作過程中晃動(dòng)較大，翻車過程中接近開關(guān)和被檢測(cè)的鋼結(jié)構(gòu)距離較近，導(dǎo)致抬起誤信號(hào)的出現(xiàn)，同時(shí)由于PLC程序中安全保護(hù)的連鎖控制，一旦出現(xiàn)誤信號(hào)，設(shè)備立即停止翻車機(jī)，嚴(yán)重影響正常翻車作業(yè)。

3 原因分析

3.1 理論分析

黃驊港4車翻車機(jī)正式運(yùn)行以來，經(jīng)常出現(xiàn)的翻車機(jī)壓車梁壓下信號(hào)故障主要有2種。

（1）發(fā)生在翻車機(jī)非靠車板側(cè)，主要是由于該檢測(cè)裝置在壓到位時(shí)，檢測(cè)桿沒有壓到火車車皮的中心，導(dǎo)致壓車梁壓下信號(hào)檢測(cè)裝置壓到車皮后，檢測(cè)桿壓偏，檢測(cè)裝置內(nèi)軸發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，檢測(cè)開關(guān)將一直處于被觸發(fā)狀態(tài)，出現(xiàn)誤信號(hào)。

（2）發(fā)生在靠車板一側(cè)，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)考察后發(fā)現(xiàn)在火車車皮上的煤較多時(shí)，壓下裝置被煤墊起，桿內(nèi)彈簧壓到極限后軸向仍受較大的力，同時(shí)軸桿下壓中心與所壓到車皮位置有一定的距離，檢測(cè)桿壓偏。

3.2 有限元模擬仿真

（1）對(duì)靠車板側(cè)壓車到位信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行模擬分析。利用有限元分析軟件Deforn-3D對(duì)整個(gè)壓車梁下壓過程中的受力及變形過程進(jìn)行模擬分析，由于Deform-3D軟件不具備較強(qiáng)的三維模型造型功能，采用三維建模軟件pro/e進(jìn)行壓車梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的三維模型的建立，并保存為STL文件格式，通過Deform-3D軟件的前處理器的模型輸入接口得到有限元軟件中。

如圖4所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)靠車板側(cè)壓車梁檢測(cè)裝置進(jìn)行模型建立同時(shí)導(dǎo)入進(jìn)有限元軟件中，將進(jìn)行受力分析的桿件劃分為18 248個(gè)單元。模擬溫度設(shè)置為20°C，收斂法為牛頓迭代法，干涉深度為單元體邊長相對(duì)0.6長時(shí)。壓下裝置內(nèi)壓桿材料分別選用45#鋼，因此在軟件中選用和這種鋼物理性能相似的材料分別為AISI-1045COLD[70F(20C)]。模擬過程中其他部分設(shè)置為剛體。

按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況模擬當(dāng)靠車板側(cè)壓車梁下壓到極限位置后繼續(xù)下壓，圖5為該桿內(nèi)金屬流動(dòng)圖，顯示軸兩端變形嚴(yán)重，與現(xiàn)場(chǎng)軸發(fā)生塑性變形情況基本一致。因此，可以判斷該軸上端彈簧在壓下過程中已被壓至極限，桿繼續(xù)受軸向力發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致壓車到位檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)故障。

（2）對(duì)非靠車板側(cè)的壓車梁壓下到位信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖6為三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件后的圖形。

技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)考察后發(fā)現(xiàn)在火車車皮上的煤較多，導(dǎo)致壓下裝置被煤墊起，在桿內(nèi)彈簧壓到極限后軸向仍受較大的力，同時(shí)軸桿下壓中心與所壓到車皮位置有一定的距離，導(dǎo)致檢測(cè)桿壓偏，因此推斷檢測(cè)桿發(fā)生塑性變形是檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)故障的直接原因。

壓下裝置內(nèi)彈簧壓到極限位置后，壓桿繼續(xù)承受軸向方向的力，超過屈服極限后發(fā)生塑性變形，模擬發(fā)現(xiàn)該桿在軸端變形較大。中間軸在軟件模擬過程中的某一時(shí)刻的應(yīng)力分，在壓車梁下壓過程中檢測(cè)桿由于所壓位置沒有壓在軸部正下方，導(dǎo)致左側(cè)受力較大，當(dāng)壓桿壓車極限位置處后，繼續(xù)下壓，導(dǎo)致中間軸桿發(fā)生塑性變形，發(fā)生塑性變形后軸端部應(yīng)力值較大，見圖7。

圖4 靠車板側(cè)三維模型

圖5 壓桿金屬流動(dòng)

圖6 非靠車板側(cè)三維模型

圖7 壓桿應(yīng)變分析

圖8顯示檢測(cè)桿已發(fā)生變形，軸部出現(xiàn)彎曲，狀況與現(xiàn)場(chǎng)軸發(fā)生塑性變形情況一致。由此可以判斷該軸變形原因是由于軸上端彈簧在壓下過程中已被壓至極限，繼續(xù)受軸向力測(cè)桿發(fā)生塑性變形；由于軸發(fā)生變形，在壓車裝置的軸套中卡死而無法再彈出，接近開關(guān)一直處于被觸發(fā)狀態(tài)，最終導(dǎo)致翻車機(jī)作業(yè)停止。

4 改造措施

4.1 壓車臂下壓到位檢測(cè)裝置

（1）改造靠車板側(cè)壓車到位信號(hào)檢測(cè)裝置。改造后的靠車板側(cè)壓車到位信號(hào)檢測(cè)裝置將彈簧安裝在軸桿外側(cè)，而不是在原來裝置軸的頂部，如圖9所示。因此不會(huì)再出現(xiàn)由于檢測(cè)桿壓到車皮上的煤，引起軸桿壓縮彈簧到極限位置后繼續(xù)受力變形的問題。同時(shí)新檢測(cè)裝置采用開放式結(jié)構(gòu)，可以防止套筒內(nèi)進(jìn)煤卡煤故障的發(fā)生，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)更便于檢修人員檢查更換彈簧。

圖8 壓桿彎曲變形

圖9 改造后壓車梁壓下信號(hào)檢測(cè)裝置

新式壓車梁壓下信號(hào)檢測(cè)裝置在壓車梁下壓時(shí)，裝置壓下信號(hào)檢測(cè)桿將壓在車皮上，軸將向上運(yùn)動(dòng)，上部彈簧被壓縮，當(dāng)檢測(cè)板達(dá)到接近開關(guān)位置處時(shí)，接近開關(guān)將信號(hào)傳回PLC模塊，此時(shí)確認(rèn)已壓車到位；翻車機(jī)作業(yè)完畢后壓車梁抬起，彈簧釋放，檢測(cè)桿恢復(fù)到初始位置。

（2）改造非靠車板側(cè)壓車梁檢測(cè)裝置。①將壓車信號(hào)檢測(cè)裝置向翻車機(jī)平臺(tái)內(nèi)側(cè)平移10 cm，保證壓車梁在下壓過程中不會(huì)壓偏。②由于于火車定位不準(zhǔn)經(jīng)常造成壓車梁壓到火車四角角鐵上，導(dǎo)致壓車梁低位信號(hào)丟失；由于在于壓車梁壓彈裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)彈性不夠，造成壓車梁經(jīng)?；貜棽坏轿?。對(duì)此，將壓彈裝置處圓管更換為“T”形鐵，既減少了壓到火車車廂兩側(cè)的接觸面積，又可以集中“T”形鐵應(yīng)力壓碎車幫處積煤，減少信號(hào)丟失故障的發(fā)生。

4.2 臂抬起到位檢測(cè)裝置

原始設(shè)計(jì)壓車梁的位置檢測(cè)裝置均將檢測(cè)開關(guān)的感應(yīng)擋鐵焊接在壓車梁主鋼結(jié)構(gòu)上，在設(shè)備使用初期由于滑道壓車梁與滑道的間隙標(biāo)準(zhǔn)為6 mm，位置感應(yīng)擋鐵按照與接近開關(guān)感應(yīng)距離4 mm進(jìn)行布置，長期作業(yè)過程中由于壓車器在液壓缸的拉動(dòng)下頻繁的做伸縮動(dòng)作，由于動(dòng)作頻繁導(dǎo)致滑道磨損，壓車梁與滑道的間隙變大，最大可達(dá)到20 mm，且由于翻車機(jī)的交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致部分滑道緊固螺栓松動(dòng)，造成壓車梁動(dòng)作過程中晃動(dòng)較大，特別是向下壓車過程中由于晃動(dòng)原因常將接近開關(guān)切斷，其次，在翻車機(jī)作業(yè)過程中由于晃動(dòng)造成信號(hào)丟失，導(dǎo)致自動(dòng)循環(huán)中斷，嚴(yán)重影響翻車機(jī)作業(yè)效率。由于出現(xiàn)故障次數(shù)較多，維修耗費(fèi)大量人力物力，維修需由技術(shù)人員登上翻車機(jī)或進(jìn)行封點(diǎn)監(jiān)護(hù)作業(yè)，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

如圖10所示，改進(jìn)后的新型壓車梁中抬起到位信號(hào)檢測(cè)裝置由兩種粗細(xì)不同的鍍鋅鋼管、感應(yīng)擋鐵、油缸卡環(huán)、接近開關(guān)支座等部件組成，其中DN25鍍鋅鋼管為機(jī)械結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌，沿管道長度方向開有1個(gè)10 mm的通槽，利用2個(gè)卡環(huán)將鋼管固定在壓車器油缸缸筒上；DN15鍍鋅鋼管為此機(jī)械結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在合適位置焊接1塊8 mm厚的感應(yīng)擋鐵，利用卡環(huán)將其固定在壓車器油缸的缸桿上，并沿導(dǎo)軌開槽插入導(dǎo)軌（DN25鍍鋅鋼管）中，使其能在導(dǎo)軌靈活運(yùn)動(dòng)。使壓車梁上下動(dòng)作，分別在壓車梁高、中、低3個(gè)位置感應(yīng)擋鐵的對(duì)應(yīng)位置設(shè)3個(gè)接近開關(guān)支座（可利用卡環(huán)固定在液壓油缸鋼筒上，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在固定位置焊接接近開關(guān)支座），由于液壓油缸鋼筒和活塞的間隙精度，不存在晃動(dòng)問題，解決信號(hào)不穩(wěn)定問題。

4.3 壓車臂鋼結(jié)構(gòu)

改造前設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后經(jīng)常出現(xiàn)部分壓車梁晃動(dòng)情況，這種情況的發(fā)生一方面會(huì)導(dǎo)致壓車信號(hào)的丟失，影響卸車效率。同時(shí)，設(shè)備也存在一定的安全隱患。改造前定位塊裝置如圖11所示，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)壓車梁晃動(dòng)原因是內(nèi)部定位塊松動(dòng)造成。定位塊由沉頭螺栓安裝在壓車梁框架內(nèi)部，如果要緊固松動(dòng)的定位塊螺栓，必須要先將壓車梁鋼結(jié)構(gòu)與下面連接的液壓油缸脫開，然后再將壓車梁整體吊出，同時(shí)由于有些定位塊安裝在壓車梁鋼結(jié)構(gòu)的中間部位，無法進(jìn)行緊固。

改造后定位塊裝置如圖12所示，新式壓車器定位裝置為整體結(jié)構(gòu)，將定位塊的沉頭螺栓安裝在接近框體上端和下端，同時(shí)在壓車梁鋼結(jié)構(gòu)框體上焊接定位槽，使定位塊只能在定位槽內(nèi)移動(dòng)，保障了定位塊的穩(wěn)定性，解決原來壓車器定位塊無法緊固的問題，同時(shí)當(dāng)定位塊出現(xiàn)磨損時(shí)易于更換。

圖10 改造后的壓車梁抬起到位信號(hào)檢測(cè)裝置

圖11 改造前壓車梁定位塊

4.4 壓車信號(hào)檢測(cè)裝置擋板

圖12 改造后壓車梁定位塊

黃驊港務(wù)公司4車翻車機(jī)每個(gè)壓車器的頂端都有1個(gè)接近開關(guān)，用來控制閉端壓車器的關(guān)閉信號(hào)，每次翻車機(jī)翻車時(shí)，物料都會(huì)沖擊閉端壓車器頂端接近開關(guān)的連接電纜，電纜磨損嚴(yán)重，翻車機(jī)頻繁出現(xiàn)壓車器沒有關(guān)閉信號(hào)的故障?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)壓車梁的接近開關(guān)經(jīng)常多次沒有信號(hào)，查看接近開關(guān)連接線已斷。于是在原來的接近開關(guān)前端焊接鐵板，豎直焊接厚8 mm，長寬均為500 mm的鋼板，并且在鋼板一側(cè)焊接2個(gè)三角形鋼板，用來加強(qiáng)整個(gè)防砸裝置的剛度和強(qiáng)度，防止煤炭翻卸時(shí)砸到接近開關(guān)，同時(shí)將接近開關(guān)連接線縮短到鐵板內(nèi)，用夾子固定，防止開關(guān)活動(dòng)。翻車機(jī)翻車時(shí)，物料只會(huì)沖擊壓車器信號(hào)線的鋼板，保護(hù)了接近開關(guān)的連接電纜，提高設(shè)備穩(wěn)定性，保證設(shè)備的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)作業(yè)效率。

［1］李春亭.三車翻車機(jī)主鋼結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析和優(yōu)化［J］.鐵道車輛，2004，（9）：7-9.

［2］王金福，李繼.翻車機(jī)卸車系統(tǒng)的改進(jìn)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，1999，7（11）：33-35.

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〔編輯 李 波〕