鐵路絕緣子快速清掃裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 旭,劉超穎,2,吳文江,龍海潮,郭 斌

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.河北中醫(yī)學(xué)院,石家莊 050200； 3.石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心,石家莊 050043)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，以及社會(huì)對(duì)運(yùn)輸需求量的持續(xù)增加，鐵路交通迅猛興起。截至2015年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12.1萬(wàn)km，居世界第二位[1]。根據(jù)國(guó)家鐵路“十三五”規(guī)劃綱要，到2020年，中國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到3萬(wàn)km[2]。絕緣子作為極其重要的絕緣器件，在鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中被大量使用。暴露在外界的絕緣子常年遭受大氣污穢的污染，導(dǎo)致表面積污，在雨雪、大霧等氣候條件下很容易引起大面積污閃導(dǎo)致中斷行車(chē)的事故，給鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅[3]。

定期清掃絕緣子是預(yù)防污閃事故最直接有效的方式，目前國(guó)內(nèi)外清潔絕緣子的設(shè)備主要分為接觸式清洗設(shè)備和噴射式水清洗設(shè)備。在接觸式清洗設(shè)備中：半自動(dòng)的清洗刷需人工手持瞄準(zhǔn)，人工干預(yù)過(guò)多；韓國(guó)的絕緣子清洗機(jī)器人自動(dòng)化程度高，但是其造價(jià)昂貴，清洗效率低[4-8]。在噴射式水清洗設(shè)備中：高壓清洗機(jī)沖洗，清潔效果明顯，但是要求近距離和人工手持操作；西南交通大學(xué)研究的KJ系列水沖洗裝置得到很好的應(yīng)用，但是操作難度大，對(duì)人員的素質(zhì)要求高，受人為因素影響大[9-10]。

針對(duì)現(xiàn)狀，石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心、北京鐵路局石家莊供電段和河北宇牛電氣設(shè)備有限公司共同協(xié)作，立項(xiàng)研制了絕緣子快速清掃裝置。為了實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)化控制，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的控制系統(tǒng)，利用PLC的可調(diào)整性和易操作性，大大提高了清掃工作的效率和質(zhì)量。

1 裝置的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

鐵路絕緣子清掃裝置機(jī)械系統(tǒng)包括上臂、下臂、電柜箱、液壓站和底盤(pán)五大部分，裝置整體示意如圖1所示。下臂負(fù)責(zé)清掃斜腕臂絕緣子，采用滑動(dòng)軸承，由下臂升降液壓缸驅(qū)動(dòng)上升和下降；下臂刷頭與斜腕臂保持相同傾角，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。上臂負(fù)責(zé)清掃橫腕臂絕緣子，采用可折疊穿過(guò)式四桿結(jié)構(gòu)，其高度和臂長(zhǎng)可調(diào)，將接觸線、承力索、腕臂、定位器等構(gòu)件囊括在大臂和小臂之間，滿足線路中水平和豎直方向上所有極限尺寸，避免裝置在線路上行走時(shí)發(fā)生碰撞；由上臂升降液壓缸驅(qū)動(dòng)其上升和下降，上臂刷頭同樣由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。上臂、下臂、電柜箱、液壓站4部分共同組成機(jī)架，由機(jī)架翻轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)架平臥和直立，實(shí)現(xiàn)機(jī)架的折疊，以減小設(shè)備體積、便于運(yùn)輸。底盤(pán)負(fù)責(zé)承載所有機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，保障上臂在展開(kāi)時(shí)不會(huì)觸碰到接觸網(wǎng)，而上臂在工作時(shí)又能與橫腕臂絕緣子對(duì)正；由電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)機(jī)架旋轉(zhuǎn)，并由機(jī)架移動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)架在底盤(pán)上微調(diào)[11]。

圖1 絕緣子清掃裝置整體示意

對(duì)絕緣子進(jìn)行清掃時(shí)，可將鐵路絕緣子清掃裝置安裝固定在軌道車(chē)作業(yè)平臺(tái)上，軌道車(chē)可提供220 V交流電。工作過(guò)程主要由機(jī)架初始化、清掃、下一工位和機(jī)架復(fù)位4個(gè)階段組成。機(jī)架初始化動(dòng)作包括：機(jī)架直立，上臂上升到位，機(jī)架正轉(zhuǎn)90°，下臂上升到位；清掃動(dòng)作包括：在刷頭對(duì)準(zhǔn)絕緣子的情況下，刷頭正轉(zhuǎn)清掃，停止，反轉(zhuǎn)清掃；下一工位：在每基桿絕緣子清掃工作結(jié)束后，軌道車(chē)以5 km/h速度前行50～60 m對(duì)下一基桿絕緣子清掃，依次循環(huán)直至所有絕緣子清掃完畢；復(fù)位動(dòng)作包括：機(jī)架反轉(zhuǎn)90°，下臂下降，上臂下降，機(jī)架平臥。應(yīng)用光電傳感器實(shí)現(xiàn)刷頭與絕緣子的對(duì)正，其余各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別由接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)。

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述鐵路絕緣子清掃裝置動(dòng)作分析，設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)上臂、下臂、機(jī)架的往復(fù)動(dòng)作，執(zhí)行元件采用雙作用式單桿液壓缸，方向控制閥采用三位四通電磁換向閥。上臂升降缸和機(jī)架垂直缸分別支撐整個(gè)大臂和機(jī)架的重力，液壓鎖保證這兩個(gè)油缸不會(huì)卸荷，單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)大臂和機(jī)架的重力對(duì)速度造成的影響。同時(shí)，分別為下臂升降缸和機(jī)架移動(dòng)缸安裝單向節(jié)流閥，以保證下臂和機(jī)架平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。

圖2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件主要包括PLC、電機(jī)、光電傳感器、接近開(kāi)關(guān)、無(wú)線遙控器等。控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理

PLC的輸入信號(hào)包括：工作啟動(dòng)、停止和急停信號(hào)，機(jī)架直立和側(cè)翻限位信號(hào)，機(jī)架正反轉(zhuǎn)限位信號(hào)，機(jī)架移動(dòng)限位信號(hào)，上臂上升限位信號(hào)，下臂上升限位信號(hào)，上臂光電傳感器信號(hào)，自動(dòng)/手動(dòng)切換信號(hào)等共15個(gè)輸入信號(hào)。輸出信號(hào)包括：油泵啟動(dòng)/停止信號(hào)，機(jī)架直立/側(cè)翻信號(hào)，機(jī)架正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號(hào)，機(jī)架前移/后移信號(hào)，上臂和下臂上升/下降信號(hào)，刷頭正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號(hào)，指示燈等共15個(gè)信號(hào)。

根據(jù)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)、可操作性、穩(wěn)定性和后續(xù)可開(kāi)發(fā)性等方面考慮，選用三菱FX3U-48MR/MT系列PLC。裝置采用無(wú)線遙控器作為控制終端，可以在50 m遠(yuǎn)的距離內(nèi)遙控操作裝置的各種動(dòng)作。機(jī)架安裝攝像頭采集圖像信息，軌道車(chē)駕駛室內(nèi)的顯示器實(shí)時(shí)顯示裝置的工作狀況，以便于觀察工作情況和清掃效果[12]。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)思想，根據(jù)鐵路絕緣子快速清掃裝置的工作原理，將控制系統(tǒng)分為機(jī)架初始化、清掃和機(jī)架復(fù)位3個(gè)模塊[13]。

鐵路絕緣子快速清掃裝置按照指定的順序依次動(dòng)作，F(xiàn)X系列可編程控制器設(shè)置有專(zhuān)門(mén)用于順序控制或稱(chēng)為步進(jìn)控制的指令。FX-3U系列PLC有兩條步進(jìn)指令，同時(shí)輔之以大量的狀態(tài)器S，結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖很容易編寫(xiě)出順序控制程序[14]。兩條步進(jìn)指令：STL和RET，STL是步進(jìn)開(kāi)始指令，RET是步進(jìn)結(jié)束指令。每個(gè)狀態(tài)器有3個(gè)功能：驅(qū)動(dòng)有關(guān)負(fù)載、指定轉(zhuǎn)移目標(biāo)和指定轉(zhuǎn)移條件[15]。

圖4 程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖類(lèi)似于順序功能圖SFC語(yǔ)言，具有直觀、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)PLC順序控制程序的有力工具。圖4所示給出了機(jī)架初始化自動(dòng)運(yùn)行方式下的程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。狀態(tài)圖的工作方式是：由某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)后，前一狀態(tài)自動(dòng)復(fù)位。S2是初始狀態(tài)，用雙線框表示。PLC啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，特殊輔助繼電器M8002會(huì)接通一個(gè)脈沖，令狀態(tài)器S2置位。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，狀態(tài)由S2向S20轉(zhuǎn)移，機(jī)架直立輸出Y0動(dòng)作。當(dāng)機(jī)架上限位開(kāi)關(guān)X1接通時(shí)，狀態(tài)器S20向S21轉(zhuǎn)移，機(jī)架直立輸出Y0斷開(kāi)，上臂上升輸出Y1動(dòng)作。當(dāng)上臂上限位開(kāi)關(guān)X2接通時(shí)，狀態(tài)器S21向S22轉(zhuǎn)移，上臂上升輸出Y1斷開(kāi)，機(jī)架正轉(zhuǎn)輸出Y2動(dòng)作。當(dāng)90°角限位開(kāi)關(guān)X3接通時(shí)，狀態(tài)器S22向S23轉(zhuǎn)移，機(jī)架正轉(zhuǎn)輸出Y2斷開(kāi)，下臂上升輸出Y3動(dòng)作。當(dāng)下臂上限位開(kāi)關(guān)X4接通時(shí)，下臂上升輸出Y3斷開(kāi)，機(jī)架初始化動(dòng)作全部結(jié)束。

根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可以將其轉(zhuǎn)換成梯形圖，再寫(xiě)出語(yǔ)句表，如圖5所示。

圖5 梯形圖與語(yǔ)句表

最后，使用三菱GX works2軟件將編好的程序下載到PLC進(jìn)行調(diào)試和仿真，以驗(yàn)證程序的正確性和合理性，直到符合控制要求。

同樣，清掃和機(jī)架復(fù)位模塊的程序也依照該方法設(shè)計(jì)、編寫(xiě)和仿真調(diào)試。

5 上線測(cè)試

圖6 上線測(cè)試

鐵路絕緣子快速清掃裝置在石家莊供電段所管轄的電氣化鐵路上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)清掃試驗(yàn)，如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明：無(wú)線遙控器能靈敏地控制各個(gè)動(dòng)作穩(wěn)步有序的響應(yīng)；液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定沒(méi)有沖擊，各個(gè)限位開(kāi)關(guān)和傳感器也能精確的限定運(yùn)動(dòng)的極限位置；每支絕緣子清掃15 s即可達(dá)到要求；每小時(shí)可以清掃40基支柱，80個(gè)絕緣子。總體來(lái)講，該控制系統(tǒng)表現(xiàn)良好、運(yùn)行可靠，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

鐵道絕緣子快速清掃裝置控制系統(tǒng)結(jié)合了液壓、電氣、傳感器、視覺(jué)監(jiān)控、自動(dòng)控制等多方面的技術(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，可知具有以下特點(diǎn)。

(1)操作方便、簡(jiǎn)單。工作時(shí)由1人使用無(wú)限遙控器就可完成清掃操作，在雨雪天氣時(shí)，工作人員還可以在駕駛室進(jìn)行清掃操作，提高了天窗利用率，保證了操作人員的人身安全。

(2)工作效率高。電氣化鐵道絕緣子快速清掃裝置比人工清掃速度提高了60倍，節(jié)省了大量的人力和物力。

(3)清掃效果好。人工清掃絕緣子時(shí)絕緣子的污穢很難用手擦下來(lái)，清掃質(zhì)量難以保證，該裝置的使用，提高了絕緣子的清掃質(zhì)量，降低了絕緣子污閃事故的發(fā)生幾率，保證了電氣化鐵道的供電安全和列車(chē)安全正點(diǎn)運(yùn)行。

目前，鐵道絕緣子快速清掃裝置控制系統(tǒng)，只能控制該裝置對(duì)接觸網(wǎng)橫腕臂絕緣子、斜腕臂絕緣子進(jìn)行清掃，對(duì)懸式絕緣子還不能進(jìn)行機(jī)械化清掃。下一步的發(fā)展目標(biāo)是研發(fā)針對(duì)接觸網(wǎng)懸式絕緣子的快速清掃設(shè)備及控制系統(tǒng)，為電氣化鐵路的安全運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

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