機車車輛車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控技術研究

張大清，王肇凱，劉天童

(中車大連機車車輛有限公司 機車開發(fā)部，遼寧 大連 116021)

目前，各國使用自動車鉤的機車車輛的連掛和解鎖均為人工手動操作，且要對車鉤三態(tài)作用做靜態(tài)檢查。這種人工手動操作簡單直觀，但不能滿足工作人員不宜接近的連掛、解鎖現(xiàn)場，連掛、解鎖頻繁的場合以及無人駕駛機車車輛的要求，如冶煉爐前運輸機車車輛、調(diào)車場調(diào)車機車、無人駕駛智能機車車輛等。這些情況下車鉤緩沖裝置的最佳操作方案為遠程控制，并對車鉤狀態(tài)和機車車輛連掛狀態(tài)進行實時監(jiān)控。這種需求已經(jīng)在某些機車車輛上有具體體現(xiàn)，需要具體技術或產(chǎn)品支持。

1 車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能

車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能是：根據(jù)有線或無線操控指令，由自動控制機構完成車鉤的解鎖或打開動作，實現(xiàn)機車車輛的連掛或解編；通過遠程監(jiān)控信號判斷車鉤是否按照指令完成動作并達到標準要求[1]，如鎖閉、解鎖、全開動作；通過遠程監(jiān)控信號確認車鉤連掛狀態(tài)，如連掛鎖閉、連掛解鎖、非連掛狀態(tài)。實施鉤緩裝置遠程控制時，操作人員均會遠離車鉤和手動操作機構，以無線指令或有線指令操控的方式完成與手動操控相同的動作。鉤緩裝置遠程控制的具體方式主要有4種：微機操控、車端操控、移動便攜式操控和控制室操控。

圖1為機車車輛車鉤緩沖裝置過程控制示意圖。

圖1 機車車輛車鉤緩沖裝置遠程控制示意圖

(1) 微機操控。

通過加裝在機車微機內(nèi)的控制模塊對車鉤控制機構發(fā)布有線指令，完成對車鉤的操控。這是最基礎的控制方式，也是其他更高級控制方式的基礎。同時可通過車鉤狀態(tài)監(jiān)控探測器的反饋信號監(jiān)控鉤緩系統(tǒng)工作狀態(tài)。對于車輛，需要加單片機來實現(xiàn)微機操控。

(2) 車端操控。

通過加裝在車端特定區(qū)域的控制設備，在車旁或車端進行車鉤動作控制及狀態(tài)監(jiān)控，這是一種有線操控。對于機車，實施車端操控需要加裝一個控制面板及狀態(tài)監(jiān)控顯示面板；對于車輛，車端控制設備可與單片機統(tǒng)籌考慮。

(3) 移動便攜式操控。

在機車車輛附近實施移動無線操控，即通過操作者攜帶的移動便攜設備與車端控制設備(車輛)或主控微機(機車)進行無線通信，發(fā)布車鉤操作指令，并通過機車車輛控制設備反饋的車鉤狀態(tài)信號監(jiān)控車鉤的工作狀態(tài)。這是半智能控制方式，由操作人員遠距離判斷機車車輛的位置及工作需求。

(4) 控制室操控。

是固定的遠程無線操控方式，即通過控制室微機系統(tǒng)與場內(nèi)機車車輛的鉤緩裝置控制系統(tǒng)進行無線通信，發(fā)布指令執(zhí)行開鉤操作，并通過車鉤狀態(tài)監(jiān)控探測器反饋信號監(jiān)控鉤緩系統(tǒng)工作狀態(tài)。這是一種全智能的程序控制方式，需要精確定位機車車輛位置，并準確定義機車車輛工作需求。

以上4種控制方式各有特點，可針對不同的機車車輛應用需求情況靈活配置，推薦配置如表1所示。表1中，標記*號的為高端控制方式，多種控制方式同時存在時，高端控制方式為主控方式，其余按表中敘述的先后順序備份控制方式。

表1 不同應用工況下控制方式推薦配置

2 系統(tǒng)組成

機車車輛無論采用哪種控制方式，都需要子系統(tǒng)來實現(xiàn)相應的功能。車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)構成：基礎車鉤緩沖裝置、車鉤自動操作機構、車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和人機對話系統(tǒng)。圖2為車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成及關聯(lián)關系。

圖2 車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成及關聯(lián)關系

2.1 基礎車鉤緩沖裝置

基礎車鉤緩沖裝置是機車車輛的基本配置，包括車鉤、緩沖器、手動開鉤機構等，可實現(xiàn)車鉤的連掛，并可實施手動操作。用于配置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的機車上的基礎車鉤緩沖裝置，其車鉤、緩沖器等主要零部件沒有變化，但為了配合自動控制機構實現(xiàn)遠程控制功能，車鉤提桿機構需要進行調(diào)整，以滿足一套開鉤機構兼容手動和自動操作的要求，且兩種操作方式互不干涉。研究和試驗表明，通過機械設計可以滿足上述要求。

2.2 車鉤自動操作機構

車鉤自動操作機構加裝在基礎車鉤緩沖裝置上，是以電源或氣源動力驅動實現(xiàn)車鉤動作的機械機構(含電氣元件)，可通過執(zhí)行遠程指令實現(xiàn)自動解鎖或打開車鉤。車鉤自動操作機構由推桿、連接器、分段式車鉤提桿組成，整套機構安裝在機車車輛端板上。推桿通過連接器與車鉤提桿連接，以電源或氣源動力驅動推動車鉤提桿，提起鉤鎖，實現(xiàn)車鉤開啟。圖3為車鉤自動操作機構結構示意圖。

圖3 車鉤自動操作機構結構示意圖

需要注意的是，電動或氣動推桿與手動提桿操作上有較大區(qū)別：手動提桿操作是通過手感觸覺結合目測觀察來掌控提桿力度和動作幅度，而推桿的動作幾乎是剛性的，且行程精確。因此，自動操作機構設計時需要細致掌握不同車鉤的開鉤力度和開鉤時提桿轉動行程，準確設置推桿機構的功率、推力和行程，且推桿行程應比提桿轉動行程大。同時，在連接器上設置緩沖彈簧和復位行程開關，確保每次動作都能頂推到位，且沒有過大的力傳遞出去，以避免推桿力量過大損壞車鉤零部件，或者推桿力量不足或行程不夠打不開車鉤。另外，需要將手動提桿改良為分段式車鉤提桿機構，以避免手動操作和自動操作的相互干涉，這樣既保留兩側手動操作，又可兼容連接器連接推桿實現(xiàn)自動打開車鉤。

2.3 車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)分兩部分：車鉤狀態(tài)監(jiān)控和機車車輛連掛狀態(tài)實時監(jiān)控。車鉤狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由若干傳感器或探頭監(jiān)控車鉤三態(tài)和機車車輛位置，并將監(jiān)控信號反饋到車端控制設備、移動便攜設備或控制室。圖4為車鉤狀態(tài)及連掛狀態(tài)監(jiān)控方案。

(1) 車鉤狀態(tài)監(jiān)控方案。車鉤狀態(tài)監(jiān)控即實時監(jiān)控車鉤所處狀態(tài)(鎖閉、解鎖、全開)，并將狀態(tài)信號反饋到人機對話控制終端。決定車鉤狀態(tài)的源頭零件是鉤鎖和鉤舌，故應分別針對鉤鎖和鉤舌進行車鉤狀態(tài)監(jiān)控。本文推薦的方案是：分別采用2個鉤舌位置傳感器和2個鉤鎖位置傳感器，2個鉤舌位置傳感器分別探測鉤舌全開位和閉鎖位，2個鉤鎖位置傳感器均用于探測鉤鎖位置，由主信號傳感器反饋鉤鎖位置狀態(tài)，在主信號傳感器發(fā)生故障時另一個鉤鎖位置傳感器(補)仍有可靠信號傳輸。需要注意的是，車鉤上安裝的傳感器需要無損安裝，安裝后和安裝過程中不能破壞車鉤原有結構，避免在C級鋼或E級鋼車鉤上實施焊接工序而影響車鉤材質(zhì)性能和車鉤的功能[2]。

(2) 機車車輛連掛狀態(tài)實時監(jiān)控方案。機車車輛連掛信息傳感器采用超聲波距離傳感器，用以探測前方是否有機車或車輛，并將信號傳遞給人機對話系統(tǒng)。如果連掛信息傳感器安裝在機車車輛端部中間位置，探測距離要足夠補償緩沖器行程的影響；如果連掛信息傳感器安裝在機車車輛端部兩側，建議在車鉤左右兩側對稱布置，這是為了防止機車車輛通過曲線而導致一側傳感器探測失真時，另一側仍有可靠信號反饋。

在這套狀態(tài)監(jiān)控方案中，傳感器的安裝位置和其探測距離密切相關，應在選型時重點關注，要考慮緩沖器行程對連掛信息傳感器探測效果的影響和機車車輛應用現(xiàn)場的惡劣環(huán)境(粉塵、聲、光、熱等)對傳感器的影響，本文推薦超聲波距離傳感器，并避免使用激光類的傳感器。另外，連掛信息傳感器信號還可與機車車輛智能控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)機車車輛連接異常情況突發(fā)時的應急處理。

2.4 人機對話系統(tǒng)

人機對話系統(tǒng)是遠程指令終端，也是監(jiān)控信號反饋后的遠程顯示終端，由一系列操作界面和信息顯示模塊組成，包括遠程操作無線控制器、車旁便攜操作無線控制器、車端操作控制盒(有線)和微機控制模塊。人機對話系統(tǒng)負責提供動作操作面板，給出操作提示，準確顯示監(jiān)控信號，并兼?zhèn)浞勒`操作保護功能。

每種鉤緩裝置遠程控制方式都包含一種人機對話界面，也對應一臺設備，且每臺設備的應用條件不同，人機對話的界面也有所差異，但其中包含的信息是相同的。例如：車旁便攜操作無線控制器和車端操作控制盒上可能只有按鈕和狀態(tài)指示燈，而遠程操作無線控制器、微機控制模塊中可能包含狀態(tài)圖示等更加直觀的圖像信息和觸屏指令開關，但無論是按鈕還是觸屏指令開關，或者是狀態(tài)指示燈和狀態(tài)圖示，傳遞給操作者的信息都是一樣的，這些內(nèi)容都應在設計文件中予以定義。

人機對話系統(tǒng)應對機車車輛兩端或者不同機車車輛的車鉤控制和監(jiān)控信號予以區(qū)別，防止操作混淆，發(fā)生意外。此外，人機對話系統(tǒng)還應附帶一些必要的輔助功能，如：防誤操作功能、行車安全自鎖功能、語音播報功能和狀態(tài)警報功能等等，這些輔助功能的應用技術基礎已經(jīng)比較成熟，技術方案兌現(xiàn)沒有很大難度。

3 車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術

車鉤自動操作機構、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和人機對話系統(tǒng)是車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)包括若干關鍵技術，這些技術方案將解決系統(tǒng)研制過程中的具體問題。這些關鍵技術主要有：

(1) 電動/氣動推桿上部連接器的緩沖技術及行程復位技術；

(2) 遠程控制機構與手動控制機構的兼容技術；

(3) 傳感器在車鉤上的無損安裝技術；

(4) 狀態(tài)監(jiān)控信號的判斷邏輯及人機對話界面技術；

(5) 線路條件下車鉤控制機構和監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性保障技術。

4 研制實例及其驗證

根據(jù)以上技術路線和設計方法對某型車鉤研制了遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，車鉤等基礎零部件根據(jù)用戶要求定制；自動操作動力源采用電動推桿；連掛傳感器選用超聲波雷達；鉤鎖和鉤舌位置傳感器采用距離傳感器；電動推桿與鉤提桿之間安裝緩沖連接器，并在連接器上安裝了復位行程開關；采用四段式提桿機構，實現(xiàn)自動控制機構與手動控制機構的兼容；采用傳感器安裝支架，實現(xiàn)無損安裝；編寫系統(tǒng)控制邏輯，設計車端操作和微機內(nèi)的人機對話界面。對研制的車鉤緩沖裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)樣件進行了試驗驗證和裝車驗證，驗證結果均滿足設計要求和應用需求。

圖5為車鉤遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控主要零部件。圖6為車鉤遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控研制實例。

圖5 車鉤遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控主要零部件

圖6 車鉤遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控研制實例

5 結束語

鉤緩裝置遠程控制及狀態(tài)監(jiān)控技術是機車車輛向自動化、智能化發(fā)展的重要基礎技術，涉及了材料科學、機械機構設計、電氣系統(tǒng)設計、微機無線和有線控制、編程及人機工程等多學科多領域。

研制實例及試驗驗證表明，本文提出的自動操作機構、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和人機對話系統(tǒng)等核心技術的技術路線正確，方法可行。