鐵路貨車自動(dòng)脫鉤方案設(shè)計(jì)及裝置研究

袁泉，馬冬，梁建全

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，廣東 廣州 510430）

鐵路貨車車鉤作為鐵路貨車的重要部件，不僅起到了連接車輛和傳遞列車縱向力的重要作用，同時(shí)對(duì)車輛運(yùn)行中車鉤連掛的安全性以及降低列車縱向沖動(dòng)從而提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和保護(hù)運(yùn)輸貨物安全抵達(dá)目的地有著重要的意義。編組站作為鐵路貨運(yùn)網(wǎng)中的重要中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，是貨運(yùn)車流集散和列車編組的基地，編組站的工作效率直接關(guān)系到車輛周轉(zhuǎn)和貨物送達(dá)時(shí)間。而貨物列車的到達(dá)解體作業(yè)是編組站技術(shù)作業(yè)的開端，其脫鉤解體作業(yè)直接影響編組站的通過能力，因此，實(shí)現(xiàn)駝峰脫鉤解體作業(yè)自動(dòng)化具有十分重要的意義。

1 人工作業(yè)

1.1 車鉤結(jié)構(gòu)

車鉤由鉤體、鉤舌、鉤舌銷、鎖銷機(jī)構(gòu)等零部件組成，車鉤結(jié)構(gòu)如圖1 所示。具有閉鎖、開鎖、全開三態(tài)作用，相鄰車輛的兩車鉤通過碰撞可實(shí)現(xiàn)車鉤自動(dòng)連掛。在車輛運(yùn)行中車鉤用于連接車輛、傳遞牽引力和壓縮力作用，位于牽引梁內(nèi)車鉤后端的中央緩沖器起緩和縱向力作用。車鉤應(yīng)滿足依據(jù)我國國情確定的鐵路貨車運(yùn)行條件及需求，應(yīng)遵循以下原則：（1）有足夠的連掛性能；（2）有足夠的強(qiáng)度能承受列車正常行駛過程中的拉伸、壓縮載荷；（3）防脫功能和連鎖功能；（4）可靠的三態(tài)作用性能及防跳性能等；（5）連掛間隙小；（6）曲線通過性能好等原則。車鉤結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車鉤結(jié)構(gòu)

1.2 人工摘鉤作業(yè)過程

目前，駝峰推峰作業(yè)過程的摘鉤作業(yè)依然是人工方式，是我國編組站自動(dòng)化需要提高的環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的人工摘鉤作業(yè)方式為：調(diào)車機(jī)車將貨運(yùn)列車推入駝峰，摘鉤員根據(jù)調(diào)車計(jì)劃表從側(cè)方跟隨貨運(yùn)列車移動(dòng)（貨運(yùn)列車預(yù)推作業(yè)移動(dòng)速度3 ～15km/h），并尋找要脫鉤的車廂信息。進(jìn)行編組調(diào)車作業(yè)時(shí)，摘鉤員則進(jìn)入相應(yīng)編組車工作區(qū)域（編組可分為大組車、中組車、小組車），憑經(jīng)驗(yàn)在合適的摘鉤位置，通過手握車鉤提手將鉤舌向上提開，車鉤進(jìn)入解鎖狀態(tài)，待解體的列車?yán)米陨淼闹亓?，在調(diào)車場(chǎng)線路上，順坡道溜放到編組場(chǎng)預(yù)定的股道上，列車摘鉤成功。如超出大編組工作區(qū)域時(shí)，部分列車車廂處于駝峰下坡道，由于列車自身重力使車鉤鉤舌抱緊，人工很難將車鉤摘開，這時(shí)則摘鉤失敗。同時(shí)，由于提鉤員需在車列移動(dòng)過程中進(jìn)行摘鉤作業(yè)，作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高，易發(fā)生安全事故，同時(shí)作業(yè)效率不高?；谌斯っ撱^存在的弊端，本文提出了一種新型貨運(yùn)列車自動(dòng)脫鉤總體方案，并制作樣機(jī)。該樣機(jī)包括列車速度檢測(cè)、車鉤提手位置檢測(cè)、機(jī)器人同步追蹤、柔性機(jī)械手脫鉤等功能。

1.3 摘鉤位置測(cè)定

車輛在駝峰溜放部分利用重力自行溜放。車輛摘鉤位置主要由兩種方法進(jìn)行確定：（1）按照調(diào)車作業(yè)計(jì)劃的車輛數(shù)判斷摘鉤位置；（2）按照調(diào)車作業(yè)計(jì)劃的車輛號(hào)來進(jìn)行測(cè)定。但因不是每一車鉤都有車輛號(hào)，那么在判斷車輛摘鉤位置時(shí)，主要是以識(shí)別車輛數(shù)為主。為了更加準(zhǔn)確識(shí)別摘鉤位置，需要結(jié)合現(xiàn)有的人工作業(yè)過程、調(diào)車作業(yè)計(jì)劃表以及車輛信息（車長、軸數(shù)、車鉤把手類型）進(jìn)行分析測(cè)定。車輛進(jìn)入駝峰時(shí)，通過測(cè)速雷達(dá)測(cè)量其速度并反饋至總控室再下令傳輸?shù)綑C(jī)器人，當(dāng)機(jī)器人速度與車輛速度相匹配時(shí)，機(jī)器人再通過機(jī)器視覺裝置確定鉤提位置，快速完成脫鉤動(dòng)作。

2 方案總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)現(xiàn)有人工摘鉤作業(yè)方式進(jìn)行分析，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)摘鉤機(jī)器人采用側(cè)面摘鉤方式，更加符合實(shí)際摘鉤作業(yè)場(chǎng)景。鐵路貨車車鉤分為上作用式車鉤和下作用式車鉤。通過車鉤鉤頭上部提升機(jī)構(gòu)開啟的叫上作用式（一般貨車大都采用此式）；借助鉤頭下部推頂杠桿的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)開啟的叫下作用式（客車采用）。這兩種結(jié)構(gòu)車鉤都有提鉤把手，區(qū)別在于把手的高度不同。摘鉤時(shí)，摘鉤動(dòng)作都是上提摘鉤手柄然后旋轉(zhuǎn)把手完成摘鉤，只要其中一個(gè)車鉤處在開鎖位置，就可以把兩輛連掛在一起的車分開。同時(shí)，從側(cè)面摘鉤不會(huì)對(duì)現(xiàn)有車輛及車鉤做改動(dòng)。因此，選擇側(cè)面摘鉤方式更加適用于實(shí)際作業(yè)情況?？傮w方案設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 總體方案設(shè)計(jì)圖

當(dāng)貨運(yùn)列車進(jìn)入駝峰溜放部分時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的作業(yè)過程，確定車輛信息。車輛推送接進(jìn)駝峰式機(jī)器人時(shí)，通過測(cè)速雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)列車速度，靠近時(shí)開始計(jì)車輛軸數(shù)，確定脫鉤車廂。車輛運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)參數(shù)上傳至總控室處理后下令至機(jī)器人端，使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與列車同速，確定車鉤把手位置，機(jī)器手脫鉤完成后并檢測(cè)車輛脫鉤狀態(tài)是否合格。鐵路貨車自動(dòng)脫鉤裝置總體設(shè)計(jì)可以分三大部分：總控部分、摘鉤裝置主體部分、檢測(cè)部分。貨運(yùn)列車自動(dòng)脫鉤系統(tǒng)主要組成如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)脫鉤系統(tǒng)主要組成

3 自動(dòng)脫鉤裝置概述

貨運(yùn)列車進(jìn)入駝峰時(shí)，通過測(cè)速雷達(dá)測(cè)量通過列車的行駛速度并反饋到總控室，總控室將列車行駛速度及要脫鉤車輛信息傳輸?shù)綑C(jī)器人。檢測(cè)裝置檢測(cè)到相應(yīng)車輛數(shù)時(shí)，機(jī)器人開始與列車進(jìn)行速度匹配，同時(shí)視覺裝置2 對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照比對(duì)，機(jī)器人根據(jù)視覺裝置2采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確位置姿態(tài)調(diào)整。位置姿態(tài)調(diào)整如圖4 所示。機(jī)器人運(yùn)行速度和列車速度精確匹配后，機(jī)械手通過視覺裝置1 對(duì)鉤提進(jìn)行位置檢測(cè)、抓取、提鉤，然后完成脫鉤動(dòng)作。脫鉤工作完成后，視覺裝置1 對(duì)車鉤銷進(jìn)行位置確認(rèn)，以此來判斷列車是否脫鉤完成。脫鉤完成如圖5 所示。

圖4 機(jī)器人位置姿態(tài)調(diào)整

圖5 脫鉤完成狀態(tài)

3.1 摘鉤裝置主體部分

摘鉤裝置主體部分主要包括機(jī)器人軌道、摘鉤機(jī)器人、機(jī)械手，主體結(jié)構(gòu)的作用是為摘鉤機(jī)構(gòu)提供作業(yè)平臺(tái)，以滿足機(jī)器人追蹤車輛、摘鉤定位、摘鉤執(zhí)行等工作。

（1）機(jī)器人軌道。依據(jù)我國編組站駝峰解體作業(yè)實(shí)際場(chǎng)景及作業(yè)步驟，機(jī)器人軌道可采取兩種形式：①采取懸掛式軌道。設(shè)置懸梁臂結(jié)構(gòu)，在推峰線上方鋪設(shè)機(jī)器人軌道，其軌道分布于列車兩側(cè)，將懸掛式自動(dòng)摘鉤裝置安裝于軌道上；②采用地面軌道。將軌道鋪于推峰線兩端一側(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車速度，引導(dǎo)機(jī)器人從側(cè)邊跟隨列車，通過機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫鉤的目的。與懸掛式軌道相比，地面軌道只需在鋼軌一側(cè)鋪設(shè)機(jī)器人行走軌道，占地面積小，機(jī)器人通過在地面軌道活動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘鉤更加符合實(shí)際人工摘鉤場(chǎng)景，同時(shí)機(jī)器人的摘鉤機(jī)械手在垂直方向上的行程較短，有利于提高摘鉤工作的穩(wěn)定性。

（2）機(jī)器人。摘鉤機(jī)器人主要包括底座、驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)、摘鉤機(jī)械手、檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)采集裝置安裝部分、控制板、設(shè)備連接端口。主要作用是通過檢測(cè)部分對(duì)列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)輸入總控臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再反饋至機(jī)器人端，確保機(jī)器人穩(wěn)定地沿著軌道到達(dá)正確位置，并迅速鎖定車輛號(hào)，精準(zhǔn)確定摘鉤位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘鉤。

（3）摘鉤機(jī)械手。根據(jù)人工摘鉤作業(yè)的實(shí)際操作步驟，摘鉤機(jī)械手將分別沿著X 軸（X 軸為平行于鐵路貨車推進(jìn)方向）、Y 軸（Y 軸為水平且垂直與列車推進(jìn)方向）、Z 軸（Z 軸垂直于地面）三個(gè)自由度方向進(jìn)行工作。通過機(jī)器人數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)摘鉤位置信息進(jìn)行獲取，并將信息數(shù)據(jù)傳輸至總控臺(tái)，總控臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行處理、分析后進(jìn)行命令發(fā)布，機(jī)械手接受命令，與相關(guān)動(dòng)作系統(tǒng)配合聯(lián)動(dòng)，完成摘鉤作業(yè)。

3.2 總控臺(tái)

總控臺(tái)相當(dāng)于人的大腦，主要作用數(shù)據(jù)信息的輸入、輸出，數(shù)據(jù)的運(yùn)算及處理。通過摘鉤裝置主體部分進(jìn)行對(duì)車輛運(yùn)行速度、車輛數(shù)、摘鉤位置等信息進(jìn)行采集，其中包括車輛狀態(tài)信息、位置信息、圖像信息等，總控臺(tái)隊(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、處理、儲(chǔ)存，并對(duì)操作端下令。

3.3 檢測(cè)部分

檢測(cè)部分包括列車速度檢測(cè)、視覺采集裝置、車輛信息檢測(cè)、車鉤位置檢測(cè)、動(dòng)作執(zhí)行檢測(cè)等，檢測(cè)裝置的作用是讓機(jī)器人確認(rèn)自己當(dāng)前位置、狀態(tài)，實(shí)時(shí)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，讓機(jī)械手更準(zhǔn)確有效地執(zhí)行脫鉤動(dòng)作。檢測(cè)部分工作內(nèi)容如下：通過雷達(dá)微波技術(shù)對(duì)列車在駝峰的運(yùn)行速度；使用圖像特征值提取與圖像匹配識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車鉤型號(hào)、車鉤狀態(tài)、車輛數(shù)進(jìn)行識(shí)別；通過攝像機(jī)對(duì)自動(dòng)摘鉤作業(yè)過程進(jìn)行記錄。通過監(jiān)測(cè)部分采集的數(shù)據(jù)，利用WLAN 無線局域網(wǎng)通信技術(shù)傳輸至總控臺(tái)。

4 結(jié)語

目前，編組站駝峰摘鉤作業(yè)仍采用人工作業(yè)的方式，已經(jīng)成為編組站工作自動(dòng)化中亟需解決的問題，嚴(yán)重影響編組站的作業(yè)效率，所以實(shí)現(xiàn)編組站自動(dòng)化摘鉤是解決問題的關(guān)鍵。通過對(duì)人工摘鉤作業(yè)過程進(jìn)行深入的分析，本文提出了一種鐵路貨車自動(dòng)脫鉤裝置，通過三維繪圖軟件繪制出了總體方案設(shè)計(jì)圖及摘鉤機(jī)器人三維模型圖，并介紹了其各個(gè)組成部分及工作過程。該裝置能大大提高編組站改編作業(yè)的工作效率，降低人工作業(yè)引起的錯(cuò)摘、漏摘等失誤的發(fā)生，提高了摘鉤作業(yè)的安全性，推進(jìn)了編組站作業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。