一種不落輪鏇床防護(hù)罩侵限自動(dòng)報(bào)警裝置的研制

黃海鑫，黃 升，陳科良，梁 糧，梁建民

（南寧軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

不落輪鏇床作為軌道交通重要的工藝設(shè)備之一，可為電客車平穩(wěn)運(yùn)行提供重要保障，能進(jìn)一步提高乘客在乘坐過(guò)程中的舒適感，是各地鐵公司必不可少的工藝設(shè)備之一。作為高精度機(jī)床，其維護(hù)保養(yǎng)要求較高[1]，因此，不落輪鏇床防護(hù)罩廣泛應(yīng)用于軌道交通中。

南寧地鐵3號(hào)線不落輪鏇床防護(hù)罩為封閉式結(jié)構(gòu)，主體采用不銹鋼結(jié)構(gòu)、弧形頂、陽(yáng)光板覆面，在股道線路方向兩端設(shè)計(jì)有端門，防護(hù)罩頂蓋為兩扇弧形頂，通過(guò)電機(jī)控制開(kāi)、合。南寧地鐵3號(hào)線電客車高約3.5 m，公鐵兩用車高約2.6 m，鏇床防護(hù)罩頂部（未打開(kāi)狀態(tài)）高約3.0 m，而鏇床保護(hù)罩需要手動(dòng)開(kāi)啟；在日常進(jìn)行電客車鏇削及測(cè)量作業(yè)時(shí)，需將電客車調(diào)至不落輪鏇床工作區(qū)域。根據(jù)作業(yè)要求，調(diào)車作業(yè)前，首先要將防護(hù)罩的前后端門和頂蓋打開(kāi)，而防護(hù)罩頂蓋位于股道上方高處，處于人的視覺(jué)盲區(qū)，而調(diào)車作業(yè)過(guò)程中，作業(yè)人員注意力往往集中在車輪與不落輪鏇床對(duì)位上，因此不落鏇床防護(hù)罩頂部蓋門是否打開(kāi)容易被忽略，屬于危險(xiǎn)源，若操作人員在調(diào)車作業(yè)前忽略了打開(kāi)防護(hù)罩頂蓋或頂蓋打開(kāi)不完全，都將引起防護(hù)罩頂蓋侵入地鐵線路限界，造成電客車與防護(hù)罩頂蓋發(fā)生碰撞，存在安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

因此，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際研制了一種不落輪鏇床防護(hù)罩侵限自動(dòng)報(bào)警裝置，能有效提醒作業(yè)人員在電客車通過(guò)鏇床前及時(shí)將防護(hù)罩打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)電客車與防護(hù)罩之間的聯(lián)防聯(lián)控功能，達(dá)到降低安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，有效避免因人為的不當(dāng)操作引發(fā)安全事故的目的。

1 自動(dòng)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)思路

不落輪鏇床所在庫(kù)區(qū)無(wú)接觸網(wǎng)，電客車無(wú)法自行提供動(dòng)力，進(jìn)行鏇輪作業(yè)時(shí)需要公鐵兩用車進(jìn)行調(diào)車作業(yè)。通常情況下公鐵兩用車高度比電客車低，即使在防護(hù)罩頂部未打開(kāi)的情況下也能正常通行，而電客車高度比防護(hù)罩高，在防護(hù)罩頂部未打開(kāi)到位的情況下不能正常通行，因此需要一種檢測(cè)裝置來(lái)判斷電客車是否可以安全通過(guò)，若電客車已經(jīng)運(yùn)行至緊急停車區(qū)域但防護(hù)罩未打開(kāi)到位，則能提醒作業(yè)人員將防護(hù)罩打開(kāi)。

該不落輪鏇床防護(hù)罩侵限自動(dòng)報(bào)警裝置（圖1）的核心元件是光電傳感器，其工作原理是通過(guò)遮擋光電傳感器發(fā)出的光能量后通過(guò)光電效應(yīng)改變電信號(hào)，原理如圖2所示。因此，在緊急停車區(qū)域前端位置設(shè)計(jì)一組光電傳感器，并在防護(hù)罩開(kāi)位的位置安裝限位開(kāi)關(guān)以檢測(cè)防護(hù)罩是否開(kāi)啟，只有同時(shí)滿足光電傳感器觸發(fā)和限位開(kāi)關(guān)未觸發(fā)兩個(gè)條件，聲光報(bào)警裝置才啟動(dòng)。

圖1 防護(hù)罩設(shè)計(jì)

圖2 報(bào)警裝置的工作原理

2 自動(dòng)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)方案

本裝置主要由電源轉(zhuǎn)換器（220 V轉(zhuǎn)24 V）、空氣開(kāi)關(guān)、24 V聲光報(bào)警燈、24 V對(duì)射式（遮光式）光電傳感器、機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)（防護(hù)罩）、24 V中間繼電器組成。其實(shí)施的特征是：限位開(kāi)關(guān)與光電傳感器接收端、繼電器、聲光報(bào)警器串聯(lián)，由限位開(kāi)關(guān)控制整條回路電源的通斷。光電傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)電客車車是否到達(dá)緊急停車區(qū)域，當(dāng)檢測(cè)到電客車時(shí)，光電傳感器信號(hào)輸出端輸出24 V控制繼電器線圈吸合，進(jìn)而控制聲光報(bào)警器報(bào)警，報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 報(bào)警裝置的結(jié)構(gòu)原理

3 關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)的安裝布局

為達(dá)到電客車與防護(hù)罩之間聯(lián)防聯(lián)控目的，故將限位開(kāi)關(guān)安裝于防護(hù)罩頂蓋開(kāi)位處，用于檢測(cè)防護(hù)罩是否侵限，當(dāng)防護(hù)罩頂蓋處于開(kāi)位時(shí)，限位開(kāi)關(guān)觸發(fā)，回路電源斷開(kāi)；光電傳感器安裝于防護(hù)罩前緊急停車區(qū)域前端處，用于檢測(cè)電客車是否到達(dá)緊急停車區(qū)域；當(dāng)防護(hù)罩未處于開(kāi)位時(shí)，電客車進(jìn)入緊急停車區(qū)域觸發(fā)光電傳感器，聲光報(bào)警器響起，提醒操作人員緊急制動(dòng)，將防護(hù)罩打開(kāi)。如圖4所示。

圖4 報(bào)警裝置的結(jié)構(gòu)布局

3.1 光電傳感器安裝位置的確定

光電傳感器的安裝位置應(yīng)考慮列車制動(dòng)距（S）及預(yù)留的安全距離（S1）。因此，光電傳感器距離防護(hù)罩的最短距離為S0=S+S1，制動(dòng)距離S可根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式來(lái)計(jì)算，其中αχ為受坡度、曲線阻力、風(fēng)阻力等影響的減速度。列車制動(dòng)距離公式經(jīng)推導(dǎo)、簡(jiǎn)化后按式（1）計(jì)算：

式中：S為列車制動(dòng)距離，m；V0為列車制動(dòng)時(shí)的速度，m/s；VT為列車制動(dòng)終點(diǎn)速度，m/s，TT=0；g′為受車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響的車輛重力加速度，（m/s2）；±i為線路縱向坡度，下坡為“+”，上坡為“-”；△i曲為平面圓曲線的曲線阻力；r阻為列車單位阻力，N/kN；f風(fēng)為地鐵列車單位風(fēng)阻力，N/kN；α為80～0 km/h在平坡上包括響應(yīng)時(shí)間(列車空走行時(shí)間和制動(dòng)建立時(shí)間)在內(nèi)的常用制動(dòng)平均減速度，m/s2；γ為潮濕軌面與干燥軌面粘著系數(shù)比。

南寧地鐵3號(hào)線用B型車6輛編組，車長(zhǎng)為118 m，空車質(zhì)量200 t，24對(duì)車軸。線路無(wú)坡度，調(diào)車作業(yè)速度不得超過(guò)5 km/h。列車制動(dòng)距離可參考表1[2]，按調(diào)車作業(yè)速度最高來(lái)計(jì)算，制動(dòng)距離為0.95 m；安全距離預(yù)留5 m；因此，光電傳感器距離防護(hù)罩的最短距離為為5.95 m。為避免人員行走以及公鐵車單獨(dú)作業(yè)時(shí)觸發(fā)光電傳感器，故其安裝高度定為3 m。

表1 B型車6輛編組場(chǎng)/段內(nèi)車輛常用制動(dòng)距離

3.2 行程開(kāi)關(guān)的選型

市面上常見(jiàn)的行程開(kāi)關(guān)有滾珠擺桿型、盤簧型、頂部柱塞型、水平滾珠柱塞型、可調(diào)式棒式擺桿型、叉式擺桿鎖定型。因防塵罩頂部蓋門具有一定的弧度，打開(kāi)時(shí)，蓋門緣弧度軌跡移動(dòng)，根據(jù)安裝成本、安裝難度、檢修要求等綜合考慮，滾珠擺桿型行程開(kāi)關(guān)為最優(yōu)（如圖5所示）。

圖5 滾珠擺桿型行程開(kāi)關(guān)

4 功能測(cè)試

將該裝置安裝于南寧地鐵3號(hào)線鏇輪庫(kù)內(nèi)，分2種情景進(jìn)行功能測(cè)試：（1）在無(wú)電客車通過(guò)情景下功能測(cè)試，（2）在有電客車通過(guò)情景下功能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 無(wú)電客車通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果

表3 有電客車通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果

工況1：防護(hù)罩未打開(kāi)狀態(tài)，不觸發(fā)光電傳感器，聲光報(bào)警器未報(bào)警；人為觸發(fā)光電傳感器，聲光報(bào)警器報(bào)警。

工況2：防護(hù)罩半打開(kāi)狀態(tài)，限位開(kāi)關(guān)未被觸發(fā)，不觸發(fā)光電傳感器，聲光報(bào)警器未報(bào)警；人為觸發(fā)光電傳感器，聲光報(bào)警器報(bào)警。

工況3：防護(hù)罩完全打開(kāi)狀態(tài)，限位開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，不觸發(fā)光電傳感器，聲光報(bào)警器未報(bào)警；人為觸發(fā)光電傳感器，聲光報(bào)警器未報(bào)警。

工況4：防護(hù)罩完全打開(kāi)狀態(tài)，牽引電客車通過(guò)光電傳感器，聲光報(bào)警裝置未觸發(fā)。

工況5：防護(hù)罩未打開(kāi)狀態(tài)，限位開(kāi)關(guān)未被觸發(fā)，在保證安全情況下，以5 km/h速度牽引電客車前進(jìn)，當(dāng)光電傳感器被觸發(fā)時(shí)，聲光報(bào)警裝置響應(yīng)，操作人員采取緊急制動(dòng)措施，制動(dòng)距離為0.95 m。

工況6：防護(hù)罩未打開(kāi)狀態(tài)，限位開(kāi)關(guān)未觸發(fā)，在保證安全情況下，以5 km/h速度牽引電客車前進(jìn)，當(dāng)光電傳感器被觸發(fā)時(shí)，聲光報(bào)警裝置響應(yīng)，操作人員采取緊急制動(dòng)措施，制動(dòng)距離為0.94 m。

工況7：防護(hù)罩完全打開(kāi)狀態(tài)，為更加貼近實(shí)際，檢驗(yàn)操作人員的靈敏性，在不告知操作人員情況下手動(dòng)將限位開(kāi)關(guān)干涉為不觸發(fā)狀態(tài)（正常情況下防護(hù)罩處于開(kāi)位，限位開(kāi)關(guān)為觸發(fā)狀態(tài)），以5 km/h速度牽引電客車前進(jìn)，當(dāng)光電傳感器被觸發(fā)時(shí)，聲光報(bào)警裝置響應(yīng)，且操作人員能第一時(shí)間采取緊急制動(dòng)，制動(dòng)距離為0.97 m。

由上分析可知：

（1）防護(hù)罩在未打開(kāi)或未打開(kāi)到位的情況下，行程開(kāi)關(guān)未觸發(fā)，電客車觸發(fā)光電傳感器時(shí)報(bào)警裝置自動(dòng)報(bào)警，且制動(dòng)距離在安全距離范圍內(nèi)，試驗(yàn)成功。

（2）防護(hù)罩在合位的情況下，行程開(kāi)關(guān)未觸發(fā)，電客車觸發(fā)光電傳感器時(shí)報(bào)警裝置不報(bào)警，試驗(yàn)成功。

（3）為貼切實(shí)際，真實(shí)測(cè)試電客車觸發(fā)光電傳感器（工況7），操作人員可清晰聽(tīng)到報(bào)警裝置報(bào)警，并在第一時(shí)間采取操作，且制動(dòng)距離在安全距離范圍內(nèi)，試驗(yàn)成功。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，該裝置已應(yīng)用于南寧地鐵3、4、5號(hào)線，用于監(jiān)控不落輪鏇床防護(hù)罩侵限問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電客車與防護(hù)罩之間的聯(lián)防聯(lián)控功能，有效避降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，并已申請(qǐng)專利。該裝置結(jié)構(gòu)、工作原理簡(jiǎn)單，成本低，安裝難度不大，可推廣應(yīng)用于地鐵自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)等重要區(qū)域防侵限問(wèn)題，可有效解決設(shè)備設(shè)或人員施侵限造成的安全事故及避免因侵限問(wèn)題造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。