水電站清污機(jī)大車定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉仁武 謝智峰

摘要：系統(tǒng)主要通過水電站清污機(jī)大車桁架與對稱式雙筒液壓減震器的裝配，以及大車在行駛過程中液壓減震器與清污孔口位置處限位座的接觸，來達(dá)到大車減速至準(zhǔn)確停止在限位座處來進(jìn)行清污的目的。該定位系統(tǒng)主要利用了液壓減震器的阻尼特性，同時(shí)考慮到液壓減震器在水平放置下也具有較穩(wěn)定的工作特性，然后通過液壓減震器的壓縮行程和伸張行程的不同阻尼力以達(dá)到大車減速運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定工作特性。解決了目前還在應(yīng)用人工操作式清污機(jī)的水電站在清污機(jī)大車定位上需要有人值守、人工定位時(shí)間過長、定位效率低等問題，是一套非常實(shí)用并簡便的控制系統(tǒng)，很大程度上提高了水電站的清污效率。

關(guān)鍵詞：清污機(jī);限位座;減震器;阻尼

引言

清污機(jī)作為一種大型機(jī)械行車，按照一定的生產(chǎn)工藝制造出來，其目的是為了在軌道上保持一種“走—停車對正—清污操作”的一種工作狀態(tài)，但由于清污機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，操作流程復(fù)雜，導(dǎo)致其在實(shí)際工作過程中與理論工作狀態(tài)有很大誤差，尤其清污機(jī)質(zhì)量較大導(dǎo)致其慣性偏大，在實(shí)際人工操作中會帶來很大的停車定位誤差，嚴(yán)重影響著清污機(jī)清污效率，并且由于清污機(jī)短時(shí)間內(nèi)的頻繁使用都會導(dǎo)致車身本身的振動(dòng)較大，給人工停車產(chǎn)生很大的影響。爭對這樣的問題，結(jié)合各國相關(guān)技術(shù)人員在行車定位上不斷的探索和研究，設(shè)計(jì)一套基于液壓減震器的定位系統(tǒng)有著非常高的借鑒和使用價(jià)值。

1 定位系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1清污機(jī)大車組成及其工作過程

大車的行車結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及主動(dòng)輪、從動(dòng)輪以及限位裝置組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用2組功率為4kw且裝有5檔速度可調(diào)的施耐德變頻器來控制大車行車機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪采用材料為ZG430-640的鑄鋼來提高車輪表面的耐磨強(qiáng)度和壽命，限位裝置主要由行程限位開關(guān)也叫接近開關(guān)和緩沖器組成，行程限位開關(guān)的目的是使驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生斷電然后大車在自由滑行狀態(tài)下與緩沖器接觸使大車停止在適當(dāng)位置。

1.2對稱式雙筒液壓減震器與大車的裝配

如下圖1.2所示，大車與對稱式雙筒液壓減震器的裝配主要是通過V型連桿和液壓裝置連接起來，連桿的一端與減震器中端連接，中端與轉(zhuǎn)動(dòng)中心的定位銷連接，末端與活塞桿連接，主要的工作過程就是當(dāng)大車行駛至下一個(gè)清污孔口前，液壓裝置發(fā)生動(dòng)作（未動(dòng)作是指活塞桿在最底端）即活塞桿往上推使連桿轉(zhuǎn)動(dòng)以確保減震器向橫梁外側(cè)運(yùn)動(dòng)，然后使其與限位座接觸來確保大車的減速以及停車。

1.3 限位座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其位置選取

限位座主要采用成本低廉硬度較高的35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，其結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)如下圖1.3所示，底座直接與地接觸并通過螺栓和螺母與地面裝配并固定，其上方與減震器接觸這一側(cè)采用圓形結(jié)構(gòu)的合金鋼與主體焊接，同時(shí)裝有5厘米厚的高橡膠緩沖墊（圖中未畫出）來降低其磨損度，減緩其大車對限位座的沖擊力以降低限位座帶來的疲勞損壞。

1.4 接近開關(guān)位置的選取以及工作過程

接近開關(guān)也叫限位開關(guān)應(yīng)采用電容式傳感器共倆個(gè)，分別為直流三線制常閉型與常開型，其感應(yīng)的物體為非金屬，檢測距離為1-10mm，主要控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的通斷來節(jié)省電源和減少人工操作的不穩(wěn)定性。在本文應(yīng)用中為了確保接近開關(guān)工作的穩(wěn)定性而減少外界的干擾，選用的感應(yīng)距離為4mm和8mm，其中常開型為8mm，常閉型為4mm，其位置安裝如下圖1.4所示。

2 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

2.1 定位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本定位系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)如下圖2.1所示，以開環(huán)控制為例，其中大車在運(yùn)行時(shí)所處的位置作為輸入量，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源通斷的接近開關(guān)作為控制器，執(zhí)行器這里即可以指執(zhí)行初始定位工作的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以是指完成主要定位工作的對稱式雙筒液壓減震器，軌道車作為被控對象，輸出量就是大車減速后自然停止的指定位置。

2.2 定位系統(tǒng)流程

定位系統(tǒng)流程如下圖2.3所示，其工作原理及其工作過程可歸納出以下幾點(diǎn)：

（1）首先由駕駛室操作人員確定大車行駛的正逆方向，啟動(dòng)正向或反向驅(qū)動(dòng)電源。

（2）當(dāng)大車行駛至所需清污孔口前的上一孔口位置處，啟動(dòng)液壓裝置電源來使減震器伸出。

（3）隨著大車的行駛，減震器不斷與限位座靠近，接近開關(guān)發(fā)生動(dòng)作動(dòng)作，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電，大車進(jìn)入自由滑行的初始狀態(tài)，接下來減震器與限位器接觸，減震器壓縮，大車在合適的阻尼力下減速運(yùn)行并穩(wěn)定停止。

（4）當(dāng)大車完全停止后，大車會在減震器彈簧反彈的作用力下對大車進(jìn)行逆向的推動(dòng)，但是由于減震器里面伸張閥的存在會阻止彈簧的還原，但同時(shí)要保證減震器收起后彈簧又會慢慢還原，因此可以歸納出如下圖2.2所示的簡單力學(xué)示意圖。

（5）當(dāng)清污機(jī)完成該孔口的清污工作時(shí)，減震器會在液壓裝置的控制下進(jìn)行收起，上圖2.2所示減震器會在伸張閥阻尼作用下慢慢的伸張還原至原先狀態(tài)以進(jìn)行下一個(gè)清污孔口的清污工作。

2.3 定位系統(tǒng)可靠性分析

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是使感應(yīng)和制動(dòng)技術(shù)在大車定位的運(yùn)用進(jìn)行一定的優(yōu)化和改進(jìn)，為了達(dá)到提高定位的準(zhǔn)確性來降低全自動(dòng)化控制對大車定位的控制誤差以及控制程序的繁瑣的目的。減震器首先是運(yùn)用于汽車或者大型機(jī)械車的行車減震作用，因此其承受的荷載大小以及其本身使用的性質(zhì)完全適用于本文在水電站進(jìn)行清污工作的清污機(jī)的減速作用，有區(qū)別的是減震器在平常的運(yùn)用中所受的力為垂直荷載，而在本文中的運(yùn)用是水平荷載，但并沒有改變減震器的使用性質(zhì)。且比較重要的一點(diǎn)是可對減震器的阻尼力進(jìn)行設(shè)計(jì)即只需調(diào)節(jié)壓縮閥以及伸張閥閥片的彎曲度來改變阻尼力的大小，同時(shí)彈簧的彈性系數(shù)也可以選取，因此在對于在低速運(yùn)動(dòng)下的清污機(jī)進(jìn)行阻尼減速作用時(shí)比較合適的，其可靠性較高且應(yīng)用簡便，尤其其較低的應(yīng)用成本相對其他定位技術(shù)有較大的優(yōu)勢，且非常適合當(dāng)前水電站清污機(jī)還處于不斷優(yōu)化下的人工定位操作。

3 定位系統(tǒng)指示裝置

3.1接近開關(guān)動(dòng)作指示燈設(shè)計(jì)以及工作原理

接近開關(guān)在本文的運(yùn)用中主要實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，如下圖3.13所示，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)所接電源為交流220V，在下圖中簡單以AC表示，M代表驅(qū)動(dòng)電機(jī)，F(xiàn)U為熔斷器作用就是保護(hù)電機(jī)防止電機(jī)使用中出現(xiàn)電流過大以致?lián)p壞電機(jī)，SQ1和SQ2為接近開關(guān)，其中為SQ1常閉型，SQ2為常開型，SB為啟動(dòng)按鈕開關(guān)，KM為接觸器，KT為時(shí)間繼電器，SKT為時(shí)間繼電器的動(dòng)作開關(guān)，指示燈為動(dòng)作指示裝置用來提醒駕駛室操作人員以及現(xiàn)場工作人員。

其主要工作過程可以歸納出以下幾點(diǎn)：

（1）當(dāng)大車開始工作時(shí)，駕駛室操作人員摁下啟動(dòng)按鈕SB使大車開始加速并勻速行走，當(dāng)大車行駛到指定位置時(shí)減震器伸出，減震器慢慢靠近限位座時(shí)，處于減震器邊緣位置的接近開關(guān)SQ1和SQ2與限位座上的感應(yīng)物體接觸并使接近開關(guān)發(fā)生動(dòng)作。

（2）接近開關(guān)動(dòng)作時(shí)，先是SQ1斷開，驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電，而后在短時(shí)間內(nèi)SQ2閉合，該時(shí)間可以忽略不計(jì)，當(dāng)然倆接近開關(guān)動(dòng)作間隔時(shí)間的設(shè)定取決于倆接近開關(guān)相對于感應(yīng)物體的距離以及安裝的位置，上文中暫且只畫出單個(gè)接近開關(guān)的位置，另一接近開關(guān)可放置在減震器下方感應(yīng)距離的設(shè)定已在前文指出。

（3）此時(shí)時(shí)間繼電器KT接通電源且開關(guān)SKT處于延時(shí)斷開工作狀態(tài)，同時(shí)指示燈亮起，時(shí)間繼電器延時(shí)工作的時(shí)間設(shè)定值可通過下文計(jì)算得出。當(dāng)減震器工作完后使大車完全處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，時(shí)間繼電器動(dòng)作開關(guān)SKT開始斷開，指示燈熄滅。這樣一來大車完成一次基本的定位操作可以很清晰的通過該電路圖指示出來，有較高的運(yùn)行可靠性。

3.2 報(bào)警指示燈設(shè)計(jì)以及工作原理

如下圖3.2所示，其中KT1和KT2分別為倆動(dòng)作時(shí)間不一樣的時(shí)間繼電器，且KT1為延時(shí)斷開，而KT2延時(shí)閉合，其中SKT1和SKT2為對應(yīng)的動(dòng)作開關(guān)。

其主要工作過程就是當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)SB后，大車開始行駛，時(shí)間繼電器KT2接通電源開始進(jìn)入延時(shí)閉合工作，時(shí)間的設(shè)定取決于大車啟動(dòng)到減震器開始投入工作所需的時(shí)間而定，當(dāng)減震器開始工作時(shí)此時(shí)如果SQ1和SQ2其中任意一個(gè)未介入工作，則繼電器SQ1此時(shí)就會介入工作，SKT2會在設(shè)置好一定的延時(shí)時(shí)間后開始閉合，此時(shí)報(bào)警故障燈響起提示駕駛室操作人員，此時(shí)駕駛室操作人員應(yīng)斷開驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源啟動(dòng)按鈕SB，則大車依然還會繼續(xù)在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下進(jìn)行減速停車定位。

4 總結(jié)

本文介紹了清污機(jī)大車定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及具體的工作過程，主要體現(xiàn)出對稱式雙筒液壓減震器在本文應(yīng)用中相對于其他定位技術(shù)所體現(xiàn)的定位優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，成本較低，尤其其較高的應(yīng)用性是減震器在本文定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中比較獨(dú)特的一點(diǎn)。當(dāng)然還有一些問題還待解決，如該設(shè)計(jì)下的減震器外觀的結(jié)構(gòu)所形成的其重量是否會對原先在軌道上運(yùn)行的大車行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，還有定位中接近開關(guān)的動(dòng)作可靠性還需更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

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基金項(xiàng)目：江西科技學(xué)院自然科學(xué)課題（ZR1906）

作者簡介：

劉仁武，男，助教，碩士，研究方向?yàn)槠囍苿?dòng)。

謝智峰，男，助教，碩士，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用。