鐵路貨車自動脫鉤方案設計及裝置研究

袁泉，馬冬，梁建全

（廣州鐵路職業技術學院機車車輛學院，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，同時對車輛運行中車鉤連掛的安全性以及降低列車縱向沖動從而提高列車運行的平穩性和保護運輸貨物安全抵達目的地有著重要的意義。編組站作為鐵路貨運網中的重要中轉節點，是貨運車流集散和列車編組的基地，編組站的工作效率直接關系到車輛周轉和貨物送達時間。而貨物列車的到達解體作業是編組站技術作業的開端，其脫鉤解體作業直接影響編組站的通過能力，因此，實現駝峰脫鉤解體作業自動化具有十分重要的意義。

1 人工作業

1.1 車鉤結構

車鉤由鉤體、鉤舌、鉤舌銷、鎖銷機構等零部件組成，車鉤結構如圖1 所示。具有閉鎖、開鎖、全開三態作用，相鄰車輛的兩車鉤通過碰撞可實現車鉤自動連掛。在車輛運行中車鉤用于連接車輛、傳遞牽引力和壓縮力作用，位于牽引梁內車鉤后端的中央緩沖器起緩和縱向力作用。車鉤應滿足依據我國國情確定的鐵路貨車運行條件及需求，應遵循以下原則：（1）有足夠的連掛性能；（2）有足夠的強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。車鉤結構如圖1 所示。

圖1 車鉤結構

1.2 人工摘鉤作業過程

目前，駝峰推峰作業過程的摘鉤作業依然是人工方式，是我國編組站自動化需要提高的環節。現有的人工摘鉤作業方式為：調車機車將貨運列車推入駝峰，摘鉤員根據調車計劃表從側方跟隨貨運列車移動（貨運列車預推作業移動速度3 ～15km/h），并尋找要脫鉤的車廂信息。進行編組調車作業時，摘鉤員則進入相應編組車工作區域（編組可分為大組車、中組車、小組車），憑經驗在合適的摘鉤位置，通過手握車鉤提手將鉤舌向上提開，車鉤進入解鎖狀態，待解體的列車利用自身的重力，在調車場線路上，順坡道溜放到編組場預定的股道上，列車摘鉤成功。如超出大編組工作區域時，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，這時則摘鉤失敗。同時，由于提鉤員需在車列移動過程中進行摘鉤作業，作業危險系數高，易發生安全事故，同時作業效率不高。基于人工脫鉤存在的弊端，本文提出了一種新型貨運列車自動脫鉤總體方案，并制作樣機。該樣機包括列車速度檢測、車鉤提手位置檢測、機器人同步追蹤、柔性機械手脫鉤等功能。

1.3 摘鉤位置測定

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行確定：（1）按照調車作業計劃的車輛數判斷摘鉤位置；（2）按照調車作業計劃的車輛號來進行測定。但因不是每一車鉤都有車輛號，那么在判斷車輛摘鉤位置時，主要是以識別車輛數為主。為了更加準確識別摘鉤位置，需要結合現有的人工作業過程、調車作業計劃表以及車輛信息（車長、軸數、車鉤把手類型）進行分析測定。車輛進入駝峰時，通過測速雷達測量其速度并反饋至總控室再下令傳輸到機器人，當機器人速度與車輛速度相匹配時，機器人再通過機器視覺裝置確定鉤提位置，快速完成脫鉤動作。

2 方案總體設計

通過對現有人工摘鉤作業方式進行分析，本文設計的自動摘鉤機器人采用側面摘鉤方式，更加符合實際摘鉤作業場景。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構開啟的叫上作用式（一般貨車大都采用此式）；借助鉤頭下部推頂杠桿的動作實現開啟的叫下作用式（客車采用）。這兩種結構車鉤都有提鉤把手，區別在于把手的高度不同。摘鉤時，摘鉤動作都是上提摘鉤手柄然后旋轉把手完成摘鉤，只要其中一個車鉤處在開鎖位置，就可以把兩輛連掛在一起的車分開。同時，從側面摘鉤不會對現有車輛及車鉤做改動。因此，選擇側面摘鉤方式更加適用于實際作業情況。總體方案設計圖如圖2 所示。

圖2 總體方案設計圖

當貨運列車進入駝峰溜放部分時，根據現有的作業過程，確定車輛信息。車輛推送接進駝峰式機器人時，通過測速雷達實時檢測列車速度，靠近時開始計車輛軸數，確定脫鉤車廂。車輛運行狀態相關參數上傳至總控室處理后下令至機器人端，使得機器人運動與列車同速，確定車鉤把手位置，機器手脫鉤完成后并檢測車輛脫鉤狀態是否合格。鐵路貨車自動脫鉤裝置總體設計可以分三大部分：總控部分、摘鉤裝置主體部分、檢測部分。貨運列車自動脫鉤系統主要組成如圖3 所示。

圖3 自動脫鉤系統主要組成

3 自動脫鉤裝置概述

貨運列車進入駝峰時，通過測速雷達測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到機器人。檢測裝置檢測到相應車輛數時，機器人開始與列車進行速度匹配，同時視覺裝置2 對列車進行實時拍照比對，機器人根據視覺裝置2采集的數據進行精確位置姿態調整。位置姿態調整如圖4 所示。機器人運行速度和列車速度精確匹配后，機械手通過視覺裝置1 對鉤提進行位置檢測、抓取、提鉤，然后完成脫鉤動作。脫鉤工作完成后，視覺裝置1 對車鉤銷進行位置確認，以此來判斷列車是否脫鉤完成。脫鉤完成如圖5 所示。

圖4 機器人位置姿態調整

圖5 脫鉤完成狀態

3.1 摘鉤裝置主體部分

摘鉤裝置主體部分主要包括機器人軌道、摘鉤機器人、機械手，主體結構的作用是為摘鉤機構提供作業平臺，以滿足機器人追蹤車輛、摘鉤定位、摘鉤執行等工作。

（1）機器人軌道。依據我國編組站駝峰解體作業實際場景及作業步驟，機器人軌道可采取兩種形式：①采取懸掛式軌道。設置懸梁臂結構，在推峰線上方鋪設機器人軌道，其軌道分布于列車兩側，將懸掛式自動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，實時監測列車速度，引導機器人從側邊跟隨列車，通過機械臂來實現自動脫鉤的目的。與懸掛式軌道相比，地面軌道只需在鋼軌一側鋪設機器人行走軌道，占地面積小，機器人通過在地面軌道活動實現自動摘鉤更加符合實際人工摘鉤場景，同時機器人的摘鉤機械手在垂直方向上的行程較短，有利于提高摘鉤工作的穩定性。

（2）機器人。摘鉤機器人主要包括底座、驅動行走系統、摘鉤機械手、檢測裝置和數據采集裝置安裝部分、控制板、設備連接端口。主要作用是通過檢測部分對列車的運行狀態進行檢測，并將數據輸入總控臺進行數據處理，再反饋至機器人端，確保機器人穩定地沿著軌道到達正確位置，并迅速鎖定車輛號，精準確定摘鉤位置，實現自動摘鉤。

（3）摘鉤機械手。根據人工摘鉤作業的實際操作步驟，摘鉤機械手將分別沿著X 軸（X 軸為平行于鐵路貨車推進方向）、Y 軸（Y 軸為水平且垂直與列車推進方向）、Z 軸（Z 軸垂直于地面）三個自由度方向進行工作。通過機器人數據采集裝置對摘鉤位置信息進行獲取，并將信息數據傳輸至總控臺，總控臺對信息進行處理、分析后進行命令發布，機械手接受命令，與相關動作系統配合聯動，完成摘鉤作業。

3.2 總控臺

總控臺相當于人的大腦，主要作用數據信息的輸入、輸出，數據的運算及處理。通過摘鉤裝置主體部分進行對車輛運行速度、車輛數、摘鉤位置等信息進行采集，其中包括車輛狀態信息、位置信息、圖像信息等，總控臺隊數據信息進行分析、處理、儲存，并對操作端下令。

3.3 檢測部分

檢測部分包括列車速度檢測、視覺采集裝置、車輛信息檢測、車鉤位置檢測、動作執行檢測等，檢測裝置的作用是讓機器人確認自己當前位置、狀態，實時構成閉環系統，讓機械手更準確有效地執行脫鉤動作。檢測部分工作內容如下：通過雷達微波技術對列車在駝峰的運行速度；使用圖像特征值提取與圖像匹配識別技術實現對車鉤型號、車鉤狀態、車輛數進行識別；通過攝像機對自動摘鉤作業過程進行記錄。通過監測部分采集的數據，利用WLAN 無線局域網通信技術傳輸至總控臺。

4 結語

目前，編組站駝峰摘鉤作業仍采用人工作業的方式，已經成為編組站工作自動化中亟需解決的問題，嚴重影響編組站的作業效率，所以實現編組站自動化摘鉤是解決問題的關鍵。通過對人工摘鉤作業過程進行深入的分析，本文提出了一種鐵路貨車自動脫鉤裝置，通過三維繪圖軟件繪制出了總體方案設計圖及摘鉤機器人三維模型圖，并介紹了其各個組成部分及工作過程。該裝置能大大提高編組站改編作業的工作效率，降低人工作業引起的錯摘、漏摘等失誤的發生，提高了摘鉤作業的安全性，推進了編組站作業自動化的發展。