智慧化客車上水裝置的研究與設(shè)計(jì)

王健，趙夢(mèng)，丁道祥，王偉

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

列車上水是鐵路旅客運(yùn)輸中的一項(xiàng)重要工作，當(dāng)列車到達(dá)上水車站時(shí)，車站作業(yè)人員為每節(jié)車體的水箱注水，以保證旅客的用水需求。目前全路各鐵路局的大多數(shù)車站已開(kāi)始安裝智能化客車上水裝置,可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)收管、遠(yuǎn)程遙控上水和停水、冬季自動(dòng)加熱。但是，上水作業(yè)時(shí)仍需由人工將上水軟管接到客車水箱的注水口上，當(dāng)開(kāi)始溢流時(shí)，關(guān)閉上水栓閥門，拔下上水軟管，上水作業(yè)結(jié)束。該方式具有浪費(fèi)水資源、損壞路基、勞動(dòng)強(qiáng)度高、存在安全隱患等許多弊端。

為了改變此種狀況，本文提出了一種智慧化客車上水的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)上水裝置自動(dòng)識(shí)別車體注水口位置，上水軟管與車體注水口自動(dòng)對(duì)接，自動(dòng)判斷水箱滿水、脫管及收管。

1 作業(yè)環(huán)境

由于車站線路兩線間的設(shè)備多、路面不平坦、冬季易結(jié)冰，若采用移動(dòng)式機(jī)器人自動(dòng)上水，對(duì)機(jī)器人的要求非常高，必須適應(yīng)崎嶇路面和冰面的路況，否則容易發(fā)生機(jī)器人的傾覆事故。若采用在高站臺(tái)側(cè)面上安裝移動(dòng)式上水接口的方式，借助某些技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索車體的注水口，這需要將高站臺(tái)做成中空，里面放置給水設(shè)備和管道，僅適用于新建的客運(yùn)高站臺(tái)車站。

從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，采用軌旁限界外安裝固定式導(dǎo)軌的方案，適用于各種類型車站的站臺(tái)，施工難度小、成本低，安全性和可靠性高。

2 技術(shù)方案

智慧化客車上水裝置共分為3部分：機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、識(shí)別對(duì)接及水滿判斷。

根據(jù)車站作業(yè)的環(huán)境特點(diǎn)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分采用軌旁安裝導(dǎo)軌，機(jī)械臂沿導(dǎo)軌移動(dòng)的技術(shù)方案；識(shí)別對(duì)接采用射頻識(shí)別和接近傳感器的技術(shù)方案；水滿判斷采用無(wú)線收發(fā)的技術(shù)方案。

2.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1.1 導(dǎo)軌

在軌旁符合限界要求的位置安裝金屬導(dǎo)軌（如圖1所示），導(dǎo)軌用于承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置即機(jī)械臂。本方案采用線性導(dǎo)軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。

導(dǎo)軌作為導(dǎo)向裝置，應(yīng)具有下列性能。

導(dǎo)向精度：主要指導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軌跡的精確度，直接關(guān)系著上水軟管與注水口的自動(dòng)對(duì)接能否成功。影響導(dǎo)向精度的主要因素有：導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌及其支撐部件的剛性，靜態(tài)（動(dòng)態(tài)）壓導(dǎo)軌之間的油膜厚度及其剛度。

精度保持性：主要由導(dǎo)軌的耐磨性決定。耐磨性與導(dǎo)軌的材料、導(dǎo)軌副的摩擦性質(zhì)、導(dǎo)軌上的壓強(qiáng)及其分布規(guī)律等因素有關(guān)。

圖1 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)圖

剛度：包括導(dǎo)軌的自身剛度和接觸剛度。主要取決于導(dǎo)軌的形狀、支撐構(gòu)建的尺寸和連接方式以及應(yīng)力條件等因素。

低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性：當(dāng)可移動(dòng)導(dǎo)軌用于低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生摩擦自激振動(dòng)，即爬行現(xiàn)象。爬行會(huì)降低定位精度或增加被加工工件表面的粗糙度。

2.1.2 機(jī)械臂

機(jī)械臂主要包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)及夾取機(jī)構(gòu)共4部分，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)械臂各個(gè)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)全部由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成，各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作指令由控制終端通過(guò)電機(jī)控制器來(lái)下達(dá)。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要功能是當(dāng)接到“上水”命令后，帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)及夾取機(jī)構(gòu)進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，使伸縮機(jī)構(gòu)靠近注水口。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定于導(dǎo)軌上，主要原理是通過(guò)同步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速齒輪組帶動(dòng)安裝于其上的機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

2.3 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)的功能主要是用于調(diào)整上水軟管與車體注水口的相對(duì)高度。

升降機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、輔助杠、承重平臺(tái)、上下底座組成。其原理是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)承重平臺(tái)的上升和下降，如下圖4所示。

圖4 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.4 伸縮機(jī)構(gòu)

伸縮機(jī)構(gòu)的功能主要是用于調(diào)整上水軟管與車體注水口的水平距離。

伸縮機(jī)構(gòu)固定在升降機(jī)構(gòu)的承重平臺(tái)上，主要是應(yīng)用線性滑軌滾珠絲杠直線導(dǎo)軌，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾取機(jī)構(gòu)的前進(jìn)和后退，如圖5所示。

圖5 伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.5 夾取機(jī)構(gòu)

夾取機(jī)構(gòu)的功能主要是用于夾緊上水軟管，帶動(dòng)上水軟管與機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)。

夾取機(jī)構(gòu)固定在伸縮平臺(tái)上，其主要結(jié)構(gòu)是模仿人手抓取動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)人工轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)注水軟管，如圖6所示。

2.6 識(shí)別對(duì)接

2.6.1 注水口位置識(shí)別

注水口位置識(shí)別采用射頻識(shí)別技術(shù)，車輛注水口位置兩側(cè)一定距離內(nèi)，各固定1個(gè)RFID標(biāo)簽，上水裝置安裝標(biāo)簽掃描識(shí)別設(shè)備。

列車進(jìn)站停車后，上水裝置接收到“開(kāi)始上水”的指令，機(jī)械臂沿導(dǎo)軌向注水口位置運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)械臂上的標(biāo)簽掃描識(shí)別設(shè)備同時(shí)接收到車輛注水口兩側(cè)固定的2個(gè)RFID標(biāo)簽信息時(shí)，機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)，即上水裝置對(duì)準(zhǔn)注水口的位置。

圖6 夾取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.6.2 上水軟管與車體注水口的對(duì)接

機(jī)械臂的伸縮機(jī)構(gòu)共安裝4個(gè)接近傳感器，分為橫向識(shí)別1個(gè)、縱向識(shí)別2個(gè)、垂向識(shí)別1個(gè)。車輛注水口安裝4塊接近傳感器識(shí)別金屬板。

當(dāng)上水裝置成功對(duì)準(zhǔn)注水口位置后，機(jī)械臂的升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始上升一定距離并停止運(yùn)動(dòng)。伸縮機(jī)構(gòu)開(kāi)始伸長(zhǎng)直至橫向識(shí)別接近傳感器發(fā)出信號(hào)停止運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)上水軟管與車體注水口在橫向上對(duì)準(zhǔn)；機(jī)械臂開(kāi)始向無(wú)信號(hào)輸出的縱向識(shí)別接近傳感器方向運(yùn)行，直至2個(gè)縱向識(shí)別接近傳感器均發(fā)出信號(hào)，機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)上水軟管與車體注水口在縱向上對(duì)準(zhǔn)；機(jī)械臂的升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始上升，直至垂向識(shí)別接近傳感器發(fā)出信號(hào)停止運(yùn)動(dòng)，表明上水軟管與車體注水口自動(dòng)對(duì)接成功，開(kāi)始上水。

2.7 水滿判斷

水滿判斷是智慧化客車上水裝置的重要組成部分。當(dāng)客車水箱水滿時(shí)，自動(dòng)停止上水，從而達(dá)到避免水資源浪費(fèi)的目的，如圖7所示。

圖7 水滿判斷原理圖

水滿判斷的實(shí)現(xiàn)，主要是基于水位傳感器及無(wú)線收發(fā)裝置。首先，客車水箱內(nèi)安裝高精度水位傳感器，用于水箱內(nèi)水位的監(jiān)測(cè)；然后，客車上安裝的無(wú)線發(fā)射裝置將采集的水位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給地面的無(wú)線接收裝置；最后，控制終端接收地面無(wú)線接收裝置傳輸來(lái)的水滿信號(hào)控制客車上水栓停止上水。

3 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

智慧化客車上水裝置的研制目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)客車上水的全自動(dòng)化。當(dāng)列車進(jìn)站?？吭谡九_(tái)旁后，車站中控室的上水工作人員點(diǎn)擊控制主機(jī)的開(kāi)始按鈕，上水裝置自動(dòng)完成注水口位置的搜索、上水軟管與注水的對(duì)接、上水、水滿自動(dòng)停止、脫管及收管等工作。同時(shí)，智慧化上水裝置具備人工模式和自動(dòng)模式，在設(shè)備發(fā)生緊急故障時(shí)，能夠切換到人工模式，進(jìn)行人工手動(dòng)上水，保障客車上水工作的正常進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然鐵路客車上水裝置全自動(dòng)化的研究存在一定的技術(shù)難度，但是鐵路裝備的智慧化勢(shì)在必行。若智慧化客車上水裝置研制成功并投入使用，將大幅減少人力成本、縮短上水時(shí)間、提高車站的上水效率，節(jié)約大量的水資源，保障上水工作的安全快捷，徹底改變鐵路客車上水的面貌，在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)環(huán)境和社會(huì)也將產(chǎn)生很大的效益，為推動(dòng)鐵路裝備智慧化的發(fā)展起到積極作用。