風動架車機自動控制裝置研究

摘 要：通過對車輛定期檢修普遍使用的風動架車機存在的問題進行分析，提出了更加適合車輛檢修部門使用的風動架車機自動控制裝置，該裝置具有可有效避免作業安全事故、提高設備穩定性、節約人工成本等優點。

關鍵詞：風動架車機；自動控制；裝置

1 引言

架車機是鐵路貨車的維修必不可少的關鍵設備。現在普遍使用的架車機主要有兩種，一種是電動架車機，一種是風動架車機。由于風動架車機適于有固定風源的場所，同時對于空間的利用基本沒有什么影響，一直是鐵道部45個車輛段、65個檢修車間廣泛使用的架車設備，每個車輛段多則40幾臺，少則10幾臺，多年來沒有很大的變化。這種設備結構簡單，維修方便，但也存在著很多問題。

2 風動架車機的工作流程分析

2.1 風動架車機工作原理

風動架車機實際上是由四個單作用柱塞氣缸（架車柱）、兩個充氣閥、兩個排氣閥、兩個節流閥及管路組成。架車時打開充風閥，壓縮空氣通過節流閥進入到并聯的兩個氣缸中，兩個氣缸同時起升，把需維修的車輛抬升到一定的高度，關閉充風閥，插入安全銷，完成一個車輛單端起升的過程；落車時拉出安全銷，打開排風閥，氣缸在車輛自重的作用下，排出缸筒內部的壓縮空氣回落到自然位置。

2.2 工作中存在問題

通過對風動架車機工作流程的分析，可以發現以下幾個問題。

2.2.1 起升速度難以控制

由于進入氣缸的壓縮空氣是通過人工對充風閥的開關控制實現的，為避免氣流過快進入氣缸，進氣口處都設置節流閥，但不同人進行操作還會出現不同的起升速度，速度過慢影響工作效率，速度過快還有可能出現危險。因此，架車機的操作人員需要進行一定時間的訓練，對不同車型、不同環境變化對架車過程的干擾有適當的預判才能合理操作架車機。

2.2.2 兩個氣缸難以同步

架車機的氣缸是單作用缸，由于風源質量的不同，壓縮空氣內經常會含有少量的水分、油脂等雜質，長時間作用會對氣缸壁造成不同程度的腐蝕；活塞長期往復運行還會對氣缸造成一定的磨損，這些損傷會導致不同的氣缸出現不同程度的氣密性差異，直接的表現就是兩個氣缸不同步，這種情況可能會導致起升中的車輛發生偏斜，嚴重的會導致車輛傾覆。為了保證氣缸起升時的同步，操作人員需要在發現不同步苗頭時停止充氣，待氣缸平穩后再進行作業，如不同步比較嚴重，只能先進行氣缸的維修后進行架、落車作業。

2.2.3 兩端無法同時起升車輛

由于單端起升時都無法保證氣缸的同步，兩端同時起升就會很危險，屬于沒有安全保障的作業。

2.2.4 工作效率低

因為架車作業存在一定的安全隱患，目前經過確認的危險源多達8個，所以一般在作業現場都安排三個人協作完成此項工作，一個人負責操作充（排）風閥，兩個人在車輛兩側進行安全防護，在架車過程中出現危及人員、設備安全等情況時，提示操作人員停止作業，同時還負責對進入架車危險區域的其他人員進行提醒。

2.3 改進方案

架車作業中存在的諸多問題，無論是生產廠家還是使用單位都在通過不斷的技術創新來進行改進，最主要的方案有幾種：改進架車機的結構，提高架車機自身的穩定性；使用更加耐磨的材料，減小架車機磨損的速度；改進加工工藝，使架車氣缸內壁的表面粗糙度更高一些。

但這些方案只是減小了架車過程的危險程度或延緩了危險發生的過程，并不能從根本上解決架車機固有的問題。

3 自動控制方案研究

風動架車機自動控制方案原則上不對設備現有結構進行改造，只是作為一種附加裝置和設備進行配合使用，同時也考慮到新造設備時方便加裝此裝置，具體方案如圖2：架車機的每個氣缸都加裝一個電子控制閥（圖中表示為控制閥），用以實現對氣缸的充氣及排氣過程的控制；每個控制閥與氣缸連接部位加裝管壓監測傳感器，分別測試每個氣缸內的壓力變化（理論上管路的壓力和氣缸內的壓力是一致的）；每個氣缸配套一個激光測距儀，用以檢測與氣缸活塞接觸部位車輛底部與基礎平臺間的距離；所有電子控制元件通過線纜連接到控制箱內，控制箱與主控制器相聯接；每個氣缸配備一個安全銷控制裝置（圖中未示），這是一個往復運動的風動機構，負責安全銷的控制插入或拔出。

電子控制閥為二位三通式結構，一個位置為進氣口與出氣口導通，一個位置為出氣口與大氣導通，兩個位置都可以實現有序的開度控制。激光測距儀已廣泛應用于工業現場，但目前成品測距儀不適合架車機使用，在測距儀核心部件上需要專門設計安裝座、防護外殼等專用附件，同時還需采取適當措施以解決測量過程中漫反射造成數據失真問題。壓力傳感器安裝在電子控制閥的殼體上（圖中沒有標示），兩個功能設計成為一個原件，減小由于連接部位增加而產生的泄露可能。主控制器加裝手持式遙控器，使操作人員可在架車機附近完成各種操作，同時可目視架車機的工作狀態，有效避免安全事故的發生。

3.1 起升工作流程

3.1.1 氣缸起升高度的控制

架車機要求兩個同時起升的氣缸起升高度誤差在一定程度之內，在一般車輛起升時，控制在15mm就能夠保證安全。研究方案將高度誤差設定為3mm（實際生產中可根據需要設定，但不能小于3mm）。在車輛起升過程中，激光測距儀實時對車輛底部進行檢測，數據傳遞到主控制器內，無論是雙端起升還是單端起升都不影響測距儀的工作，主控制器還可支持多臺位架車機同時作業的要求。

3.1.2 不同氣缸進氣量的控制

為保證多個氣缸同一時間段內的起升高度都在誤差范圍內，就需要對不同氣缸的進氣量進行分別控制。在架車機工作時，控制閥接收通過主控制器傳來的操作指令，同時對各有關氣缸進行充風，充風過程中，主控制器會把激光測距機傳遞的不同氣缸的起升高度信息反饋給控制閥，進而調整不同氣缸的進氣量。具體做法是：按實際工作需要，在主控制器中設定好起升、下降速度控制范圍及同時起升的兩氣缸高度同步范圍，保證架車機起升速度及高度滿足生產要求；如有氣缸起升、下降速度超過設定的最大值，則通過控制閥減小此氣缸的供（排）風量，此時不單獨考慮氣缸的實際起升高度；如有氣缸起升、下降速度低于設定的最小值，則通過控制閥增加此氣缸的供（排）風量，此時不單獨考慮氣缸的實際起升高度；如兩個氣缸起升速度都在設定范圍內，但起升高度超過設定的同步范圍，則增加起升高度較小的氣缸的供風量；下降時原理相同，需增加下降速度較低的氣缸的排風量；所有過程不需要人工干涉，完全由主控制器計算后發出相關指令。

3.1.3 氣缸安全性的控制

在氣缸起升到設定的高度時，主控制器發出停止信號，此時控制閥會對有壓力損失的氣缸進行持續補風，保證風缸不會因為泄漏而下降，同時安全銷控制裝置動作，將安全銷穿入架車機插孔內，在確認安全銷就位后，控制閥排出少量氣缸內空氣，讓安全銷承擔車輛的重量，主控制器停止工作，完成架車工作流程。安全銷避免了在架車工作流程完畢后，架車機意外下降所造成的事故。

3.2 下降工作流程

3.2.1 撤除安全銷

主控制器接收下降信號后，首先對架車機進行充風，將每臺架車機起升1mm，確保所有安全銷不再承受剪切力，之后安全銷控制裝置動作，將安全銷拉出銷孔，待確認安全銷全部返回設定位置后，主控制器才會發出下一個動作指令。

3.2.2 架車機下降控制

主控制器在安全銷撤除后，指示相對應的控制閥動作，將氣缸內的壓縮空氣排出，架車機在重力作用下下降，下降速度可以根據經驗和需要提前進行設定。主控制器控制下降速度，避免下降過快的現象。和起升過程同理，激光測距儀會反饋氣缸的高度信息，保證氣缸下降速度在允許范圍之內。操作者可以對單端或雙端架車氣缸發出指令，也可以由不同操作者對不同臺位的架車機分別發出指令。

3.3 壓力檢測

管壓監測傳感器實時檢測氣缸的壓力變化，由主控制器通過設定的數學模型進行分析、判斷氣缸內部泄露是否符合要求以及活塞運行阻力是否異常。一旦氣缸密封失效或磨損過度造成泄漏量超標，或者活塞與缸筒之間摩擦阻力過大，則提示操作人員對設備進行維修。

4 應用效果分析

風動架車機自動控制裝置的使用首先是保證了作業過程的安全，同時也提高了作業效率并降低了人工成本，還可以為設備檢修提供數據支持，主要有以下幾個方面的效果。

4.1 徹底消除了安全隱患

由于激光測距儀和主控制器的配合使用，確保了同步起升或下降的架車柱高度誤差在允許范圍之內，停放在架車柱上的車輛不可能發生傾覆事故，既保證了車輛及設備的安全，也保證了車輛附近人員的安全。通過使用安全銷控制裝置，避免了人員在架車機工作過程中走入車輛下部進行安全銷的插入或撤除等操作，消除了造成人員意外傷害的可能。

4.2 降低了人工成本

自動控制裝置的安裝提升了風動架車機系統的整體安全性能，操作人員無須再對架、落車過程進行安全防護，只需要一名操作員進行架、落車作業，可降低約2/3的人工成本；另外，可以實現架車機兩端同時架、落車作業，工作效率提高了一倍。實際上，由于自動架、落車速度要比純手工操作更快，實際節約的人工成本和提高的工作效率會更高一些。按18個架車臺位計算，每年可以節約人工成本約60萬元。

4.3 改變了設備維修方式

以往對架車機的維修采用定期檢修的方式，一般每三個月把架車機拆卸下來，檢查設備密封、磨損等情況，檢修工作量相當大。對架車柱氣缸的檢修都是通過維修人員用肉眼觀察，一方面易出現設備隱患漏判現象；另一方面有可能由于不當檢修做成良好設備的狀態劣化。統計表明：定期檢修占總維修工作的75%左右，相當于一名維修工全年的工作量。應用自動控制裝置后，通過管壓監測傳感器進行數據采集并由計算機進行分析，再結合設備維修的經驗，在設備還沒有出現很嚴重的故障時就可以對故障的發展趨勢進行預判，提前對將要發生故障的設備進行預防性維修，這會極大降低維修成本，也會因此為其它設備維修保養爭取人工和時間。

4.4 提高了設備的壽命

影響架車機壽命的最重要因素是氣缸內壁的磨損，當達到嚴重磨損階段就無法再進行修復。而磨損是要是由于氣密原件之間配合間隙不當及潤滑不良造成的，而磨損一般很難從設備外觀上進行判斷。壓力傳感器可以檢測氣缸的壓力變化，在分析壓力變化的產生機理后，建立適當的數學模型，由計算機判斷出氣缸內部潛在的問題原因并進行有針對性維護保養，從而使設備處于輕微磨損狀態，避免設備嚴重磨損現象，提高設備的使用壽命。

5 需要注意的問題

架車機的自動控制技術可以針對現場作業的部分困難進行有效改進，但在使用過程中還需要解決幾個問題。

5.1 自動控制裝置的安裝

目前，很多檢修車間都使用了集中控制制動機試風裝置，在每個修車臺位處已布設了電纜、光纜。架車機自動控制裝置可以借用集控試風裝置的線纜管道，甚至可以直接使用試風裝置的線纜，這樣較少的安裝成本投入就可以實現架車機自動控制系統；如果無集控試風裝置，在進行架車機自動控制系統改造時，需同步規劃對集控試風裝置的未來需求，以避免重復建設。

5.2 激光測距儀

在設定提升高度時，應以校準激光測距儀的絕對垂直位置為基準，以消除場地水平度誤差、架車柱初始高度誤差、激光測距儀的相對位置誤差等。

5.3 安全銷控制裝置

不同架車機生產廠所設計的架車機外觀會有很大的差別，一種成型的安全銷控制裝置不可能滿足所有架車機的使用要求，進行架車機自動控制改造時需要對安全銷控制裝置進行適當的改進。

5.4 設備故障報警設定

通過壓力檢測來確定設備故障內容是基于維修經驗的。維修人員的能力、經驗各異，設備材料及潤滑質的性能也不盡相同，所以設定故障報警門限時還需要根據實際情況。維修能力相對較強的單位，報警范圍可以小一些，否則需要適當放寬一些。在自動控制裝置收集到足夠的數據后，還需要對數據分析模型進行修改與完善，使設備檢修由定期維修逐步向狀態檢修轉變、由經驗型檢修逐步向科學型檢修轉變。

6 結束語

從事故致因理論分析數據表明，有10%的事故是由于設備的不安全狀態引起的，要想實現設備的本質安全，從設備的設計、制造階段就需要進行系統考慮，但更多的時候用戶并不可能介入設備的設計、制造等工作，供需雙方的矛盾很難得以解決。風動架車機自動控制裝置通過簡單的附加裝置就解決了多項架、落車作業及架車機自身存在的問題，并且還會產生更多的效益，有很好的推廣應用前景。如果架車機生產廠家在設計、制造時，將自動控制裝置和架車機主體結合在一起，可省去使用單位許多麻煩，將取得雙贏的效果。

作者簡介：張樹國（1970，12-），男，吉林省舒蘭市人，北京交通大學交通運輸學院，工程碩士研究生。