快速多功能綜合作業車自動調平功能研究

趙 劍，馬 泳

（北京二七軌道交通裝備有限責任公司工程機械研發中心，北京 100072）

快速多功能綜合作業車（以下簡稱作業車）是北京二七軌道交通裝備有限責任公司從德國GBM公司買入技術，通過公司自行技術創新、制造的作用于新型高速電氣化鐵路的綜合作業車。其在以下幾種情況會出現車體傾斜的情況：

（1）在旋轉和升降作業平臺向一側伸出作業時；

（2）在高空作業斗向一側伸出作業時；

（3）在作業車過彎時；

（4）在強風從側面吹向作業車時。

考慮極端情況，作業車在過彎時，旋轉和升降作業平臺、高空作業斗均向彎道內側伸出作業，并且有強風由彎道外側吹向內側，此時作業車將發生嚴重傾斜，并可能導致作業車側翻，引發作業安全事故發生。如何保證作業車車體存在傾斜的工況下能安全作業，將是本文重點考慮的問題。由此提出了作業車在恒低速作業時能自動調平功能的設想。

1 概述

1.1 作業車轉向架工作狀態說明

作業車的運行模式選擇分為牽引模式和作業模式。當作業車處于牽引模式情況時，作業車運行速度較快，此時為保證行車安全，作業車轉向架（如圖1所示）中六支撐油缸均不起支撐作用，車架、轉向架構架、軸箱間為柔性連接；當作業車處于作業模式時，此時為一恒低速運行狀況，為保證作業人員安全，轉向架六支撐油缸將工作，所有一級支撐油缸將完成軸箱與構架間的剛性支撐，所有二級支撐油缸將完成構架與車架間的剛性支撐，通過兩級支撐，完成車架與鐵軌間的剛性支撐。

圖1 作業車轉向架結構

1.2 自動調平功能方案引入

當作業車處于作業模式時，旋轉和升降作業平臺、高空作業斗均有可能工作，并且側向伸出值較大，此時由于力矩作用，作業機具伸出側壓力會大于另一側，如作業車正在彎道作業，由于彎道處存在軌道高度差，外側軌道高于內側軌道，此時壓力差會更加明顯，如大于某一值，作業車則可能出現側翻。由此，作業車具備自動調平功能十分重要。因原車已經具有起剛性支撐作用的油缸，所以本自動調平系統將在此基礎上對液壓部分進行改進，以實現自動調平功能。

1.3 自動調平功能實現的設想

在車體與轉向架之間中心位置橫向加裝水平類傳感器，此傳感器在車體出現傾斜時能返回傾斜角度值數據，根據反饋數據指導一、二級支撐油缸伸縮行程量，通過調節左右兩側一、二級油缸伸縮來達到調平車體的目的，后文將就此設想進行論證。自動調平系統示意圖，如圖2所示（單轉向架）。

圖2 自動調平系統示意圖

1.4 使用環境

根據前文的描述，可以看出調平系統主要作用的環境為：當作業車正處于作業模式，且作業車正在過彎，且旋轉和升降作業平臺、高空作業斗兩種作業機具均伸向彎道內側時，此時如作業車傾斜角度大于某一值，調平系統將開始作用。

兩級自動調平系統作用于轉向架軸箱與構架、構架與車體之間。

2 技術方案

要實現車體調平，本方案采用了電液控制液壓自動調平。調平系統結構包括如下四部分：十二個支撐油缸，每轉向架分布六個，布置如圖1所示；油缸所對應的電磁比例方向閥；一個傾角傳感器，安裝于車體下端橫向中間位置；一套PLC控制器。

下面從自動調平液壓系統和自動調平控制系統兩方面進行說明。

2.1 車體自動調平液壓系統

本方案要用于作業車在作業模式下的車體調平，方案的提出是從安全考慮，所以本方案不僅要解決車體調平的問題，更重要的是調平過程的平穩性、可靠性以及快速性。根據需求進行了如下設計：

（1）系統原理

車體自動調平液壓系統原理如圖3所示。液壓系統由四個閥控油缸支路組成，每一支路由一個電磁比例方向閥控制。四支路共用液壓泵站，該泵站能提供大流量壓力油，便于實現油缸的快速伸縮。四支路中，缸 e、f、g、h所在支路用于左側一級支撐，即左側前后兩轉向架構架與軸箱間的支撐；缸i、j、k、l所在支路用于右側一級支撐，即右側前后兩轉向架構架與軸箱間的支撐；缸a、b所在支路用于左側二級支撐，即左側前后兩轉向架構架與車體間的支撐；缸c、d所在支路用于右側二級支撐，即右側前后兩轉向架構架與車體間的支撐。通過兩級支撐左右油缸的調節實現車體左右的調平。

圖3 車體自動調平液壓系統原理圖

（2）自動調平動作實現

從前文所述得知，自動調平功能模塊工作在作業車處于作業模式下。十二個油缸作用之一，實現車體與鋼軌間剛性支撐；作用之二，實現車體左右側調平。當作業車選取為作業模式時，六油缸均伸出一定值，以便實現作業車作業時的剛性支撐，當車體出現傾斜情況時，通過傳感器采集到車體傾斜信號，如向左側傾斜，則電磁比例方向閥A、B協調工作，兩閥均Ⅰ端導通，油泵對作業車左側六油缸下側充油，油缸伸出，調平車體；或電磁比例方向閥C、D協調工作，兩閥均Ⅱ端導通，油泵對作業車右側六油缸上側充油，油缸縮回，調平車體；反之，車體出現向右側傾斜情況時，油泵對作業車右側六油缸下側充油，油缸伸出，調平車體；或油泵對作業車左側六油缸上側充油，油缸縮回，調平車體。此處僅說明液壓系統工作原理，具體動作時是一個很復雜的過程，將受PLC控制，下文中將有詳細描述。

2.2 車體自動調平控制系統

2.2.1 控制系統組成

考慮到作業車需要高安全性，對控制的平穩、精準、無差錯性要求很高，而PLC抗干擾能力強、可靠性高、系統開發簡單、可維護性好，所以控制系統采用PLC；由于要采集到水平傾斜信號，出于可操作性、準確性考慮，選用水平傾角數字傳感器。水平傾角數字傳感器將車體的傾斜情況以角度值形式反饋給PLC，經PLC控制程序運算處理后，轉化為對閥的控制信號，再經D/A轉換后對閥進行控制，系統原理圖如圖4所示。

圖4 控制系統原理圖

2.2.2 控制邏輯流程

車體自動調平算法流程如圖5所示，其中α為傾斜角度，t1為調平時左側充油時間，t2為調平時右側充油時間，Δt為一個設定單位充油時間。

圖5 車體自動調平控制算法流程圖

因用于調平功能的十二個油缸不只用于調平，還將實現車體與鋼軌間的剛性連接，所以此處設置兩時間參數，原始值為零，為實現調平對相應油缸充油時，時間遞增，只有時間參數值大于零時，才能從相應的油缸下端放油，當時間參數遞減至零時，則不能繼續放油，如此則確保了先前用于剛性支撐時油缸的油量不變。具體實現見如下描述：

經水平傾角數字傳感器直接采集到的數字信號（設定車體出現左向傾斜時水平傾角數字傳感器得到為正角度值），傳遞給PLC進行運算處理，然后進行調平。調平因角度值的不一樣會有以下三種情況：

（1）如果α>0，則證明車體向左傾斜，時間參數t2可能存在兩種情況：如果t2≥0，此時則證明右側油缸未因調平而充油，此時要實現調平，只能對左側油缸充油，此時數據經運算處理，再經D/A轉換，轉化為閥A、B的控制信號，此時閥A、B的I端通電，即對車體左側上下兩級六油缸充油，時間參數t1以Δt遞增，以實現調平。當PLC采集到的水平傾角數字傳感器值為0時，調平停止；t2>0，此時證明右側油缸之前因調平已經有充油，此時要實現調平，則對右側油缸放油即可，此時數據經運算處理，再經D/A轉換，轉化為閥C、D的控制信號，此時閥C、D的Ⅱ端通電，即對車體右側六油缸放油，時間參數t2以Δt遞減，以實現調平。當時間參數t2遞減至0時仍未實現調平，則回到條件t2≥0繼續調平動作，當PLC采集到的水平傾角數字傳感器值為0時，調平停止；

（2）如果α<0，則證明車體向右傾斜，時間參數t1可能存在兩種情況：如果t1≥0，此時則證明左側油缸未因調平而充油，此時要實現調平，只能對右側油缸充油，此時數據經運算處理，再經D/A轉換，轉化為閥C、D的控制信號，此時閥C、D的I端通電，即對車體右側六油缸充油，時間參數t2以Δt遞增，以實現調平。當PLC采集到的水平傾角數字傳感器值為0時，調平停止；如果t1>0，此時則證明左側油缸之前因調平已經有充油，此時要實現調平，則對左側油缸放油即可，此時數據經運算處理，再經D/A轉換，轉化為閥A、B的控制信號，此時閥A、B的Ⅱ端通電，即對車體右側六油缸放油，時間參數t1以Δt遞減，以實現調平，當時間參數t1遞減至0時仍未實現調平，則回到條件t1≥0繼續調平動作，當PLC采集到的水平傾角數字傳感器值為0時，調平停止。

（3）如果α=0，則證明車體水平，此時不用調平。因閥為電磁比例方向閥，所以還可以通過PLC根據傾斜角度大小對閥的流量進行控制，當傾斜角度較小，閥流量變小，當傾斜角度較大，則閥流量變大。這樣可以實現對油缸的快速充放油。

2.3 方案論證

因用于剛性支撐的油缸設置分兩級，所以自動調平方案也采用兩級調平，根據調平液壓及控制系統描述，可以根據需求調節一、二級油缸相對應電磁比例方向閥的流速，以達到一、二級同時、等行程調平。此方案液壓系統主要應該考慮以下幾種參照因素：缸徑、油缸承重、所需供油泵提供的動力、充油速度以及缸行程。論證計算參數如表1所示。

表1 論證計算參數表

（1）油缸的選擇

根據作業車總體布置及限界的規定，以及考慮控制方便，所有六缸均選擇缸徑為100 mm，設缸徑為φ缸。

（2）油缸承重

作業車整車重約8×104kg，減去轉向架重量約1.2×104kg，設二級支撐由四個油缸實現，所以二級支撐中每個油缸承重設為M，約為1.7×104kg。一級支撐由八個油缸支撐，所以只要二級支撐油缸滿足承重要求，一級支撐八油缸承重更能滿足要求。

因F=M×10 N/kg=1.7×105N

所以P=F/S=21.7 MPa

因兩級調平時，一、二級油缸同時、等行程，所以油缸行程計算時考慮兩級總體行程，即H2。

根據H1=180 mm、W2=1435 mm、W=2 400 mm、H1/H2=W2/W。

所以，得出H2≈301 mm≈300 mm

根據計算過程，此H2為充分調平狀態兩側兩級油缸行程差，考慮減除一定角度內不用調平的高度差，再分至兩級，考慮兩級油缸安裝位置關系，以及前期用于剛性支撐所需行程，給出充分余量，每級調平則只需要行進200 mm，設為H3。

因R=50 mm、V缸=H3πR2

所以V缸=1570 ml。

因 L=70m、ν車 =2.8 m/s

可以計算出作業車以作業速度從直道進入彎道內軌道最大超高處的時間，此時間即為油缸為實現調平，充油至最大行程時的充滿油所需時間，設為t，所以 t=L/ν車 =25 s。

因L為極限值，所以此時間也為極限時間，即充滿油最快要求的時間。

考慮其中最多充油量的支路B或D，因其有四個油缸，所以充油為量為4×V缸，所以充油最快速度即為ν充=4×V缸/t=251.2 ml/s。得出電磁比例方向閥最大流量要求即為此要求，同時得出ν閥=251.2 ml/s。

經過計算，由假設論證的油缸的選擇缸行程，油缸選擇不是問題；由油缸的承重可以得出，需要供油泵能提供的動力為21.7 MPa，目前市場上能提供此動力的泵很常見，所以供油泵可以實現；由充油速度可以得出，電磁比例方向閥最大流量要求為251.2 ml/s，查相關產品參數，大量型號可滿足此要求，所以電磁比例方向閥實現也較容易。

3 結束語

根據前文論證，本方案從理論上講，滿足作業車在作業模式、彎道作業時發生傾斜情況下的自動調平功能需求。

[1]李 光，等.靜壓樁機自動調平系統的研制[J].建筑機械，2001，（6）：32-33.