（光学工程专业论文）车轮辐板除锈数控技术的研究.pdf

摘要 摘要 轨道车辆车轮中的缺陷，一直都是引起重大事故的原因之一。因此目前国内 已经大大加强对轨道车辆车轮的检测力度，使用了多种无损检测的方法，而所有 的检测手段都要求车轮在检测前，必须保持车轮清洁，没有锈斑。而国内在车轮 的除锈清洗方面，主要还是采用的人工使用钢刷进行除锈，这种方法费时费力， 生产效率低下，已经不能适应当前铁路快速发展的需求。所以研究一种能够快速， 方便，有效地除锈清洗技术具有重要的现实意义。本文研究的车轮辐板除锈清洗 机是基于i s a 总线控制的数控技术，能够对客车和货车车轮辐板进行全面的除锈 清洗。 本文首先根据车轮辐板除锈清洗的特点，选择了恰当的除锈清洗方式，并在 此基础上，完成了系统的整体设计方案以及辅助的机械结构和液压系统进行配 合。在控制系统上，从硬件和软件两方面进行设计。在硬件设计上，结合i s a 总线结构的特点，计算所需输入输出控制信号的数量，选择恰当的输入输出模块。 然后再从强电和弱电两方面出发，根据相关的理论和公式，利用“自顶向下 的 设计方法实现从整体到局部的设计。而在软件设计方面，本文以c + + b u i l d e r 为基础，利用该软件在多线程技术设计上的优点，采用该技术能够方便地实现数 据采集，设备运行和系统监控的协调工作，并且在软件上实现了压力自动调节的 功能，以便保证除锈清洗的效果。其次，本文讨论了在工业现场对抗干扰技术的 一些研究，并使用了相关技术运用于该系统中，取得了良好的效果。最后，关于 进一步工作方向进行了简要的讨论。 关键词：车轮辐板，i s a 总线，多线程，抗干扰 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t f l a wo ft h er a i l w a yv e h i c l ew h e e l s ，i so n eo fr e a s o n sf o rc a u s i n ga c c i d e n t s o d e t e c t i o nf o r c eu s e di nc h i n ah a sb e e ns t r e n g t h e n e d ，a n dk i n d so fn o d e s t r u c t d e t e c t i o nm e a n sh a v eb e e nu s e d a l lo fw h e e l sm u s tk e e pc l e a n i n ga n dw i t h o u tr u s t b e f o r ed e t e c t i o n h o w e v e r , w h e e l sc l e a n i n gi nc h i n am a i n l yu s es t e e lb r u s hr e m o v e r u s tb ym a n u a l t h i sm e t h o dn o to n l yw a s t e st i m ea n de n e r g y , b u ta l s or e d u c e st h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y s oi ti sa l r e a d yc o u l dn o ta d a p tt h ed e m a n do fc u r r e n tr a i l r o a d f a s td e v e l o p m e n t t h e r e f o r es t u d i e so n ek i n do fr u s t - r e m o v et e c h n o l o g y , w h i c hc a l l f a s t ，c o n v e n i e n t ，e f f e c t i v e l yr e m o v er u s t ，h a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e w h e e lp l a t ec l e a n i n gm a c h i n ei nt h i sp a p e rs t u d i e si san u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y w h i c hb a s eo nt h ei s ab u s m a s t e r i n ga n dc a nc l e a nt h ep a s s e n g e rt r a i na n dw a g o n w h e e lc o m p r e h e n s i v e l y f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rc h o o s ea p p r o p r i a t em e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o fw h e e lp l a t ec l e a n i n g ，a n dc o m p l e t et h es y s t e md e s i g na sw e l la st h ea s s i s t a n c e m e c h a n i s ma n dh y d r a u l i cs y s t e mo nt h ec o o r d i n a t i o n o nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h e d e s i g nc a r r i e sf r o mt w oa s p e c t so ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e i nt h eh a r d w a r e d e s i g n ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c o fi s ab u s 。m a s t e r i n gs t r u c t u r e ， c a l c u l a t e st h en u m b e ro fi n p u ta n do u t p u tc o n t r o ls i g n a la n dc h o o s e st h ea p p r o p r i a t e m o d u l e t h e nu s i n g “f r o mt o pt od o w n m e t h o dr e a l i z e sd e s i g nf r o ms t r o n g e l e c t r i c i t ya n dw e a ke l e c t r i c i t y , a c c o r d i n gt o r e l a t e dt h e o r ya n df o r m u l a i nt h e s o f t w a r ed e s i g n ，t h ep a p e rc a nr e a l i z et h ec o o r d i n a t e dw o r ko fd a t aa c q u i s i t i o n ， e q u i p m e n tr u n n i n ga n ds y s t e mm o n i t o r i n gb yu s i n gm u l t i t h r e a d i n gt e c h n i c a lo fc + + b u i l d e ra n dt h ep r e s s u r ec o n t r o lf u n c t i o nf o rk e e pe f f e c to fc l e a n i n g n e x t ，t h ep a p e r d i s c u s s e sr e s i s t a n c ed i s t u r b a n c et e c h n o l o g yi ni n d u s t r y , a n dt h es y s t e mh a su s e dt h e c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yw h i c ho b t a i n e dt h eg o o de f f e c t f i n a l l y , t h ep a p e rd i s c u s s e s b r i e f l yt h ef u r t h e rr e s e a r c ha s p e c t s k e yw o r d s ：w h e e lp l a t e ，i s ab u s m a s t e r i n g ，m u l t i t h r e a d i n g ，r e s i s t a n c ed i s t u r b a n c e i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 轮对是车辆走行部中最重要的部件之一，它主要是由车轴、车轮组成。如图 卜1 所示，卜车轴，2 一车轮。轮对在轨道车辆运行中起着极大的作用，加之轮对 的工作环境十分恶劣，必须确保其具有很好的可靠性、安全性。车辆在线路上能 否安全运行很大程度上取决于轮对的结构、材质、制造和修理工艺，同时还取决 于轮对的检修质量。 图i - i 轮对立体图 研究表明轮对中的不连续性( 如裂纹、折损、气孔、非金属夹杂物等) 是造 成失效的主要原因。这些缺陷及损伤如不及时发现，就会形成事故隐患，危急行 车安全，严重的可以导致颠覆、脱轨等重大事故。其中车轴和车轮是故障率较高 和危害严重的部件，它们既可能产生始发于表面的累积疲劳不连续，也可能在其 中心存在内部不连续，尤其车辆提速后轮对故障事故时有发生。轮对的工作环境 十分恶劣，为了保证行车安全，必须对轮对状况进行定期检查，如发现缺陷及时 对其进行修复或更换。如果不及时采取措施，将对车辆的安全运行埋下隐患。 尤其是随着车辆速度的进一步提高，这类隐患的危险性更大。故在新造厂修、段 修及运用中轮对检修有特别严格的要求 1 1 2 课题研究的意义 为适应国民经济的发展，满足市场的需求，铁道车辆快速化，重载化已成为当 第一章绪论 前发展的必然趋势。车轮故障已成为影响其发展的重要因素之一，其中车轮辐板 裂纹问题较为突；h ：据不完全统计，车轮辐板裂纹( 含辐板孔裂纹) 数r h - 车轮总数 的3 0 左右。轮径越小的车轮辐板及辐板孔裂纹越多，并且裂纹越深越长。从材 质上看，辗钢车轮辐板裂纹( 含辐板孔裂纹) 占辗钢车轮的3 3 2 1 ，占辗钢轮辐板 故障的8 5 以上。大部分裂纹为辐板孔两端沿圆周方向的裂纹，少数为辐板孔上 下径向裂纹，辐板孔裂纹占辐板裂纹轮对数量的9 0 以上；铸钢轮辐板裂纹占铸 钢轮对的0 2 9 6 左右，其裂纹位置在辐板与轮辋的过渡处，呈圆周方向。从轮径限 度上看，辗钢轮径接近或达到下限的轮对占辗钢轮对的5 左右，其中8 0 以上为 辐板孔裂纹，而且裂纹较深较长。铸钢轮径接近或达到下限的轮对占铸钢轮对的 4 左右( 从现有车轮实际调查情况来看，铸钢轮对接近或达到下限的很少) ，接近 或达到下限的车轮辐板裂纹占接近或达到下限铸钢车轮总数的5 2 8 ，其裂纹位 置在辐板与轮辋过渡处1 1 1 。近年来出现了数起因车轮迸裂造成的事故，究其原因， 一个很重要的方面就是因车轮辐板孔处发生裂纹并逐渐延伸，最终导致车轮迸 裂。由于车轮成型锻造氧化皮和运用过程中生成的铁锈及油漆覆盖车轮辐板母 体，手工难以清除，工作人员难以进行有效的外观检查。因此，车轮辐板除锈技 术，可以说对后面的才车轮探伤有着重要的影响。 1 2 目前国内车轮辐板除锈技术的发展 车轮承担车辆全部重量，且在轨道上高速运行，同时还承受着从车体，钢轨 两方面的各种力。它是转向架中重要的部件之一，又是影响车辆运行安全性的关 键部件之一。而辐板又是车轮的重要组成部分，由于车轮在轨道上运行，长期暴 露在外，受到各种恶劣气候以及自然条件的影响，辐板容易受到各种污染和生锈， 且极不易清洗，为此浪费了大量的人力物力。此外，车轮除锈清洗是在车轮探伤 前必须进行的工作，直接对车轮的探伤效果产生重要影响。 在我国铁路车辆检修的厂、段修程中，对车轮的除锈主要有4 种形式：碱 煮式抛丸式水轮式液压钢丝轮式。 其中碱煮式是将轮对分解后，放入除锈清洗池中，使用高温浸泡，然后由工 人直接用钢刷进行清洗，此种方法费时费力，生产效率低。因此逐渐转变为后面 的三种方式进行除锈工作。一般后三种方式在控制上，主要是利用p l c 的控制方 法，来对车轮辐板进行自动除锈，由于p l c 使用的是专用设备和专用的软件以及 专用的协议，成本高，而且p l c 对模拟信号控制的不灵活，使得p l c 控制方法的 车轮辐板除锈的数控技术仍有待改进。其他多数的方法自动化程度不高，不能适 用于不同型号的轮对，仅能对单一型号的乍轮进行除锈清洗，而且除锈清洗效果 2 第一章绪论 不佳，效率低等。由于车轮的除锈清洗是车轮探伤前的必须工序，直接影响到探 伤的质量，而车轮辐板的除锈则是车轮除锈的重点和难点。因此大家认识到它的 重要性，加大了对车轮辐板除锈清洗的研究和投入。 几种常见的车轮除锈清洗方法： 1 货车轮对辐板抛丸除锈机 如图卜2 是货车轮对辐板抛丸除锈机 的主要机械结构，该机主要由抛丸清理室 ( 包括4 台抛丸器总成、气动升降门) 、 弹丸回收与流量控制系统( 包括斗式提升 机、b e 分离器、上下螺旋输送器、供丸闸 门) 、轮对轴承防护装置、轮对举升自转 装置、推轮机构及除尘系统组成。钢轨贯 穿抛丸清理室下部，轮对推入室体内自动 定位后，即可关闭室门进行抛丸清理。该 设备工作功率2 3 k w ，每条轮对工作时间 2 m i n 。从各单位工艺布局来看，本机通常 安放于转向架清洗机和烘干机之后的线 路上，按清洗机清洗单台转向架用时6 m i n图卜2 货车轮对辐板抛丸除锈机 计算，该机处理2 条轮对需要4 m i n 。抛丸清理室的室体是由左右侧壁、前后大 门、隔板、槽底、顶壁、室体内高铬耐磨铸铁护板等组成，除尘器引风口设置在 顶壁上。抛丸清理室壳体由钢板、型钢焊接而成，是对工件进行抛丸清理的密室。 室体内被抛丸器直接抛射的区域衬有厚度为1 2 m m 的高铬耐磨铸铁护板，其他区 域采用厚度为6 m m 的6 5 m n 护板及耐磨橡胶板防护。高铬耐磨铸铁护板和6 5 m n 护板比1 6 m n 护板具有更高的耐磨性能，使用寿命更长。室体下部由钢板围成4 0 0 斜边漏斗状结构，沿钢轨平面铺有耐磨橡胶漏板( 用于防止弹丸直接射向槽底， 延长其使用寿命) ，弹丸通过漏板和槽底斜边流向下面的下螺旋输送器。升降门 体以汽缸为执行元件。门体四边采用迷宫式密封，下方设有收丸槽。该机工作时， 从室体散射入门体与室体间隙内的弹丸均流向收丸槽并从收丸槽底与室体之间 的豁口再次流回室体。抛丸清理室的顶壁上装有4 台s d 4 - 4 型悬臂离心式抛丸器 总成，保证对轮对辐板内外两面进行全面的抛丸清理。抛丸器总成由抛丸器和电 机组成，为适应设备紧凑布置的要求，该机采用抛丸器与电机直联的形式 2 1 。 2 湿喷砂轮对除锈机 湿喷砂技术是一种利用砂水泵，将砂和水混合物以一定的压力喷射到工件的 表面，从而使二i ：件表面达到清污、除锈或习盼匕处理的一种表面处理技术。 3 第一章绪论 湿喷砂轮对除锈机，主要由密封舱、除锈系统、进出轮机构、砂子箱、气动 系统、砂水管路系统等组成。其工作原理是：由进轮机构把轮对推入清洗工作舱， 定位后，关闭密封门，启动转轮，让砂水泵工作并j l ：通压缩空气，喷枪的喷嘴把 砂水液和压缩空气以一定的速度和压力喷射到轮对轴身、防尘板座的表面上，将 其表面上的油渍、污垢、锈蚀等污物全部除掉。喷射结束后，再启动水泵，用压 力水冲掉轮对表面上的余砂，使轮对的外表面达到规定的清洁度。清洗结束后， 自动开启工作舱门，出轮机构将清洗好的轮对推出。下一个待清洗轮对再进人工 作舱清洗，周而复始 3 1 。 1 3 本文研究的主要内容 针对国内在车轮辐板除锈清洗过程中，缺乏有效的技术手段，目前使用的除 锈清洗方法，除锈清洗效果不佳，能耗高，污染严重，效率低，噪声大，结构复 杂，维护不便，难于满足车轮探伤工艺要求等。为改善这一状况，本文致力于对 各种型号的车轮除锈清洗数控技术的研究，利用检测技术和自动控制理论，以及 相关的数控技术，着重解决车轮辐板自动除锈清洗的各种问题，希望能够做到快 速，方便而且操作简单，除锈清洗效果较好，能耗相对低，结构简单，效率高和 维护方便。 基于检测与控制理论，本文涉及传感技术，控制理论，电机控制技术，信号 处理技术，运用机械设计和电气设计的相关理论等多种学科知识，应用于实践和 新设备的研发。 本研究实用意义较大，其技术成果能很快投入实际应用，由于国内大部分的 车轮辐板除锈清洗都没有采用效果好、能耗低、污染小的技术手段，本研究的完 成，具有一定的参考和应用价值。 本文的主要工作如下： 1 系统的整体介绍 1 ) 根据车轮辐板除锈清洗系统的运行环境，完成的功能和相关技术 指标，介绍该系统的控制原理和控制流程。 2 ) 分别从机械和液压上介绍系统的整体构架。 2 控制系统的硬件设计 1 ) 从经济性可靠性出发，选取合适的硬件控制方案，建立车轮辐板清 洗数控系统的硬件平台。 2 ) 对硬件控制中的重点问题进行分析。 4 第一章绪论 3 ) 楸据所设计的控制系统硬件平台，对系统从强电，弱f h 两方面进行 设计。 3 控制系统的软件设计 1 ) 分析软件需要具备的功能，选取合适的软件。 2 ) 划分各功能模块，对软件从进行模块化设计。 3 ) 软件设计的重点进行分析。 4 控制系统的抗干扰技术 1 ) 从硬件抗干扰的角度出发，设计相关硬件抗干扰的电路。 2 ) 从软件抗干扰的角度出发，设计相关软件抗干扰的程序。 ；f ；_ 二章系统总体结构 第二章系统总体结构 在对系统总体结构的设计前，首先应该知道该系统需要达到什么样的要求和 满足什么样的技术参数。根据铁道部对车轮辐板的除锈要求，本系统的除锈清洗 目标为：除锈后，能够露出金属面，达到按电磁及超声波探伤的要求。而在未确 定方案前，主要的技术参数是除锈清洗的时间，本系统希望控制在5 分钟左右。 在上一章中，已经提到过车轮辐板除锈清洗技术在国内主要存在四种方式： 1 ) 碱煮式2 ) 抛丸式3 ) 水轮式4 ) 液压钢丝刷式 基于国内现在常用的这几种车轮辐板除锈技术，确定采用液压钢丝刷的方式 对车轮辐板进行除锈，这主要是因为此种方法具有一些明显的优点。比如：能源 消耗低，环境污染少，除锈时间短，投入的资金相对较少等。但在整个控制形式 上，可能形式有所不同。 2 1 辐板的基本知识 铁道车辆车轮如图2 - 1 所示，其中1 一轮缘；2 一踏面；3 一轮辋；4 一轮毅； 5 轮毅孔；确板；砩板孔。由图2 - 1 ( b ) 可以看出，车轮的辐板是一个曲 面，辐板除锈是针对整个辐板曲面，而除锈重点则集中在辐板孔上下4 0 毫米范 围内，无论是辗钢轮还是铸钢车轮，辐板孔裂纹占辐板裂纹轮对数量的8 0 以上。 图2 1 车轮 2 2 系统的工作原理和工作流程 ( b ) 在考虑设备的工作原理和设计其工作流程时，通过运用安装在龙门架上的两 6 第二章系统总体结构 维运送机构，实现钢丝刷对车轮辐板的贴靠。而存工作原理上提出了两个不同的 设想： 1 ) 利用位移传感器在两维坐标系中的定位，通过两维机械系统的传动，对 车轮辐板的仿行来实现除锈。 优点是：除锈的整个过程非常流畅，美观，并且由于在两维坐标中都有位移 传感器，能够保证对辐板上的各点，通过两维坐标达到非常精确的 定位。 缺点是：在长时间的使用后，钢丝刷会发生形变，可能会给辐板在坐标系中 的定位带来一些问题，若要解决，一方面在软件上会经过一些补偿 处理，另一方面会需要更换新的钢丝刷。 2 ) 利用垂向位移传感器在y 轴坐标中的定位和横向x 轴压力传感器的横向 压力控制，实现对轮对辐板的恒力贴靠。 优点为：成本较低，且在软件编程的处理上，相对比较简单，而且能够有效 地解决钢丝刷长时间使用变形的问题，因为横向使用压力传感器， 不需要关注横向坐标中的位置，通过控制横向的压力值，就能精确 控制对辐板的贴靠力了。 缺点为：在除锈过程中相对来说不如第一种流畅。 因为决定除锈清洗效果的主要因素之一是钢丝刷对车轮辐板的贴靠力，所以 第二种方案相比第一种方案优越性更明显，经研究分析后，本系统采用第二种方 案。 除锈机设计有三个工位：准备位，工作位和推出位。准备位是当除锈机已经 准备好工作时，工人将轮对推入到此工位，代表可以工作了。工作位是车轮除锈 的整个过程工作的位置。推出位则是当车轮辐板除锈完成后，设备将轮对推离工 作位，为下一阶段的工作做准备。 设备的工作流程 1 设备操作人员将待除锈清洗轮对推入除锈机准备工位； 2 设备操作人员通过软件操作，利用推轮机构将轮对推入到工作位。 3 根据除锈清洗等级和型号进行选择，除锈机进入到自动除锈清洗程序。 4 内侧的垂向定位装置，通过对车轴位置的判定，来获得辐板的垂向位置 信息。 5 两维驱动机构通过两维运送机构将钢丝刷移动到初始位置。 6 喷水，钢丝刷旋转，转轮机构带动轮对旋转。 7 根据计时，待轮对旋转一周后，钢丝轮刷在轮对辐板的垂向上移动一个 位置，循环如此，直到轮对辐板除锈清洗完毕为止。 7 第一二章系统总体结构 8 设备复位。 9 将轮对推出。 2 3 系统的机械结构 本系统的机械结构主要是由两维驱动机构，两维轮刷运送机构，转轮机构， 除锈机构组成。两维驱动机构是由安装在龙门架上的，两个方向的步进电机，检 测轮刷位移的位移传感器，压力传感器和行程开关组成。两维轮刷运送机构则是 由导轨、滑块和丝杆组成。除锈机构则由钢丝轮刷，齿轮箱和液压马达组成。此 外还有相关的喷水和抽水装置，液压站以及轮对旋转驱动机构。除锈机的结构示 意图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 清洗机的结构示意图 两维驱动机构的功能是以车轴中心线为基准，利用位移传感器和拉压力传感 器的信息，控制电机运行，根据车轮幅板上除锈点的不同，通过两维轮刷运送机 构，将钢丝轮刷准确地运送到不同除锈位置，并实现压力可控。 两维轮刷运送机构由垂向和横向驱动电机的正反转，并通过丝杆螺母及滑块 作往返运动，从而带动轮刷组件在辐板两侧的作两维运动。 转轮机构是为了达到良好的除锈效果，实现对车轮辐板的全部除锈，除了钢 丝轮刷的高速自转运动外，轮对本身还需作和钢丝刷方向相反的运动。该机构是 电机通过传动轴驱动转动轮来工作。 进出轮机构的功能是在除锈f = 作前，为了将轮对顺利的推入除锈工位和在除 锈工作完成后，将轮对推出除锈： 位设计的。该机构是以液压为动力，油缸为执 行元件。 8 第一二章系统总体结构 除锈机构的功能是通过液压系统驱动液压马达，带动钢幺幺轮刷旋转，在钢丝 轮届0 对车轮辐板除锈的同时，轮对旋转驱动机构驱动轮对缓慢旋转，从而实现整 个辐板的除锈，为了防止刷下的灰尘和铁锈飞扬，影响现场工作环境，水泵电机 通过电磁阀打开，同时对辐板喷水。 2 4 液压系统的设计 如今在各种机械设备上广泛应用液压系统，使用具有连续流动性的油液 ( 即液压油) ，通过液压泵把驱动液压泵的电动机或发动机的机械能转换成油液 的压力能，经过各种控制阀( 压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等) ，送到 作为执行器的液压缸或液压马达中，再转换成机械动力去驱动负载。这就构成了 一个液压系统。 从不同的角度出发，可以把液压系统分成不同的形式。 ( 1 ) 按油液的循环方式，液压系统可分为开式系统和闭式系统。开式系统 是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换 向阀回油箱。这种系统结构较为简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，但 因油液常与空气接触，使空气易于渗入系统，导致机构运动不平稳等后果。开式 系统油箱大，油泵自吸性能好。闭式系统中，液压泵的进油管直接与执行元件的 回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。其结构紧凑，与空气接触 机会少，空气不易渗入系统，故传动较平稳。工作机构的变速和换向靠调节泵或 马达的变量机构实现，避免了开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损 失。但闭式系统较开式系统复杂，因无油箱，油液的散热和过滤条件较差。为补 偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补油泵和油箱。由于单杆双作用油缸大 小腔流量不等，在工作过程中会使功率利用下降，所以闭式系统中的执行元件一 般为液压马达。 ( 2 ) 按系统中液压泵的数目，可分为单泵系统，双泵系统和多泵系统。 ( 3 ) 按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统。变量泵 的优点是在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，但其结构和制造工艺复 杂，成本高，可分为手动变量、尽可能控变量、伺服变量、压力补偿变量、恒压 变量、液压变量等多种方式。 ( 4 ) 按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统。串联系 统中，上一个执行元件的回油即为下一个执行元件的进油，每通过一个执行元件 压力就要降低一次。在串联系统中，当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时， 只要液压泵的出门压力足够，便可以实现各执行元件的运动的复合。但由于执行 元件的压力是叠加的，所以克服外载能力将随执行元件数量的增加而降低。并联 9 第二章系统总体g 构 系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压 泵输出流量的一部分。流量的分配随各件上外载荷的刁 同而变化，首先进入外载 荷较小的执行元件，只有当各执行元件上外载荷相等时，才能实现同时动作。 全液压传动机械性能的优劣，主要取决于液压系统性能的好坏，包括所用元件质 量优劣，基本回路是否恰当等。系统性能的好坏，除满足使用功能要求外，应从 液压系统的效率、功率利用、调速范围和微调特性、振动和噪声以及系统的安装 和调试是否方便可靠等方面进行1 4 】。 根据系统的总体构想，已经可以得出液压系统完成的功能有这样几部分。首 先，对车轮辐板两侧的四个液压马达提供液压动力。其次，为了把轮对从初始位 置放入到工作位置，要为设计的进出轮机构将轮对翻入和除锈完成后的翻出提供 液压动力。所以，依照以上所描述的液压系统的划分，可以得出：若根据油液的 循环方式，本液压系统应该选为开式液压系统。按向执行元件供油方式的不同， 本液压系统应该选用并联系统。因为串联控制系统显然是需要将多个执行元件同 时供油，而本系统希望设计的，应该为清洗机构中的4 个液压马达和进出轮机构 能够分别单独控制。 为了完成对液压系统中液体流向的控制，首先应该来选择有效的电磁阀。电 磁阀由阀体和电磁铁组成，在气动或液动的系统中用来控制流向，流速与通断。 阀门的开闭由电磁铁推动滑阀移动操纵的，即控制电磁铁就是控制电磁阀。电磁 阀一般无辅助触点，需借助中间继电器传递逻辑关系。电磁阀的结构性能用其位 置数和通路数表示，“位 是指滑阀位置，“通 是指流体的通道数。比较常用的 有两位三通，两位四通，三位五通等。在本系统中，对除锈清洗机构中的液压马 达就需要采用两位四通的电磁阀。而进出轮机构的油缸控制，则采用三位四通的 电磁阀。两位四通电磁阀的结构图和功能符号如图2 - 3 所示，三位四通电磁阀类 似1 5 1 。 图2 3 两位四通电磁阀结构图 液压系统由四个两位四通电磁阀分别控制四个液，马达的转停，由一个三位 四通电磁阀控制液压缸推动翻轮机构的机械动作，由两个两位两通l 邑磁阀分别控 l o 第一章系统总体结构 制大小油泵油压的启动，需要控制的电磁阀共计7 个。液压系统中另需控制的还 有一个油泵电机，电机的额定功率为1 8 5 k w ，额定转速为1 4 7 0 r p m 。 液压系统原理如图2 4 。 2 5 本章小结 黜帅粼帅默搿! 帅 i i - a h n - 4 k mk & b l m k h ，斗舯p + i i m p ap - i - i i m p l p = # - m m l p a 图2 - 4 液压系统原理图 本章首先是根据系统需要完成的功能和达到的一些技术参数出发，依据目前 现有的该类型控制系统，提出新的工作原理和控制方案。根据此方案，简单的介 绍了系统机械结构的设计和液压系统的设计，有关控制系统的设计和电气部分设 计，将在下面的章节中详细介绍。 一m m 第三章控：k 4 系统的碘件改计 第三章控制系统的硬件设计 在对控制系统的控制方案确定下来以后，本章主要的研究重点是考虑如何确 定控制系统的硬件部分。首先，应该对在工业现场常用的控制系统有一定了解， 再根据本系统的自身特点，设计出适合的控制系统。 3 1ip c 的特点和结构 在这里本文提出了使用i s a 总线控制器的方式来对除锈机进行控制。先介 绍一下相关方面的知识。 工业控制微机i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 泛指i s a , p c i 等p c 总线 型工业控制计算机。随着p c 机功能的逐渐强大和完善，工业界开始尝试将p c 机应用于自动化领域。为了经受高低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶 劣作业环境的考验，生产商通过增加密封保护、过滤器、板压条和额外风扇等措 施，形成了i p c 的雏形1 6 1 。经过不断发展，如今i p c 在本质上与普通p c 机别无 二致，但另具有以下特点： 1 、采用符合“e i a ”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力； 2 、采用总线结构和模块化设计技术。c p u 及各功能模块皆使用插板式结构， 并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。 3 、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。 4 、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。 5 、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 6 、具有自诊断功能。 7 、可视需要选配i 0 模板。 8 、设有“看门狗定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。 9 、开放性好，兼容性好，吸收了p c 机的全部功能，可直接运行p c 机的各 种应用软件。 l o 、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 l l 、可采用无源母板( 底板) ，方便系统升级。 i p c 的主要结构： l 、全钢机箱 i p c 的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安 装同p c b u s 兼容的无源底板。 第二章控制系统的艘件设计 2 、无源底板 无源底板的插槽由i s a 和p c i 总线的多个插槽组成，i s a 或p c i 插槽的 数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和 电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。 底板可插接各种板卡，包括c p u 卡、显示卡、控制卡、i o 卡等。 3 、工业电源 为a t 开关电源，平均无故障运行时间达到2 5 0 ，0 0 0 小时。 4 、c p u 卡 i p c 的c p u 卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分 为3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 、p i i 、p i i i 主板，用户可视自己的需要任意选配。其主 要特点是：工作温度6 0 0 c ；装有“看门狗 计时器；低功耗，最大时为 5 v 2 5 a 。 5 、其他配件： i p c 的其他配件基本上都与p c 机兼容，主要有c p u 、内存、显卡、硬盘、 软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。 i p c 机不仅性能价格比优异，而且拥有极其丰富的硬件、软件和程序资源， 这是其它计算机系统无法相比的。 3 2 除锈清洗坐标系的选取 控制系统是本文主要的研究重点。为了能够精确的实现对辐板除锈位置的 掌握，本文提出先在该设备中建立坐标系，一旦适合的坐标系建立完成，就能 顺利地利用传感器和行程开关找到该坐标系中的各点。坐标系的建立如图3 1 所示： l 一 几l 厂 ll 隆 1 盔 脚卜一 1 li o ， i 一；f 陟u 翟 4 奈 图3 - 1 系统的坐标系 该坐标系实际上有两个坐标系，一个是以车轴中线为垂线的地面为坐标原 点的绝对坐标系，另一个是以车轴中心为坐标原点的相对坐标系。这是因为由 1 3 第三章控制系统的硬件设计 于车轮的直径有差别，实际上不同轮对的车轴中心在绝对坐标系中的坐标是变 化的。然而轮对辐板的位置在相对坐标系中的位置又是不变的。这样只要找到 相对坐标系的坐标原点o 在绝对坐标系中的坐标，那辐板上的各点的坐标也就 固定下来了。 3 3 硬件组成部分 由上述分析可知，车轮辐板除锈机的控制部分可以分成两大模块：输入模 块和输出模块的控制。 首先，由于车轮直径并不完全相同，这主要是一些轮对在检修时，由于踏 面磨耗，曾进行过镟轮处理。根据铁道部的相关条文可以得知，同一型号的轮 对可能的直径差高达5 0 r a m 。所以为了准确的实现对不同轮对的定位，需要一 个定位装置，目的是能够准确得知车轮辐板的位置。该定位装置装在内侧的垂 向运送机构上，通过定位开关的信号找到车轴的位置，再实现对车轮辐板的准 确定位。 其次，为了对四个垂向驱动步进电机的准确控制，实现除锈清洗装置对车 轮辐板位置的掌握，需要对四个垂向位移传感器信号进行采集。四个钢丝轮刷 进行除锈时，为了能够对钢丝刷的贴靠力有一个准确的量化分析，方案中采用 了压力传感器。 由于横向运送机构采用的是压力传感器，在横向上不容易确定其在整个坐 标系中的位置，这样它需要有一个参考点，把横向运送机构在坐标中的位置固 定。因此在横向运送机构的后端加行程开关，来确定横向运送机构的坐标。 输出模块主要实现对由步进电机组成的两维运送机构的控制和对液压系 统，电机的控制。 控制部分组成的框图如图3 2 所示： 人 机 界 面 清 洗 机 总 控 制 器 输 出 模 块 _ _ 输 入 模 块 一个液压站油泵电机、四个液压马达一个推 轮机构油缸、一个喷水泵电机，一个抽水泵电 机，一个轮对旋转驱动电机 ! 全兰垫垄型兰f = 爿! 全兰垫 丽翮 4 个拉压力传感器 6 个对应电机旋转位置的位移传感器 图3 - 2 控制组成框图 1 4 第二章控制系统的硬件砹计 由图3 2 可知，清洗机的控制部分是由信号输入，控制输出和人机界面三部 分组成。而连接这三部分的总控制器采用基于 s a 总线结构的工业微处理机，由 位移传感器、拉压力传感器和行程开关等向总控制器提供输入信号。控制输出模 块的控制对象包括电机、电机控制器、液压站油泵电机，液压马达，喷水和抽水 泵电机以及轮对旋转驱动电机等。由于系统采用基于i s a 总线结构的工业微处理 机，在选择联接总控制器和输入输出模块时也要采用i s a 模块。控制系统采用了 i s a 总线结构的3 2 位d i d o 以及3 通道计数模块。考虑到工业现场干扰源较多， 位移传感器和拉压力传感器采用模拟信号输出，并经a d 转换，由总控制器读取。 控制系统的操作系统选用w i n d o w s2 0 0 0 操作系统，选用c + + b u il d e r 作为软件 开发平台。 由于在工业现场干扰源较多，对位移传感器、压力传感器和行程开关的信号 干扰较大，必须经过信号抗干扰处理。 为保护总控制器，通常使用光电隔离芯片对开关量输入信号进行隔离。光电 隔离是工业现场常用的隔离器件，它主要由光耦组成的光电隔离电路，能使输入 输出端实现完全电气隔离。但并不适用于模拟量输入输出的隔离电路。其原因主 要有两点：1 光耦器件的线性工作范围较窄，且随温度变化而变化；2 光耦器件 共发射极电流传输和集电极反向饱和电流受温度变化的影响明显。所以，对模拟 量输出的传感器件，要使用其他的方法进行隔离。 控制部分的硬件原理图如图所示： 3 4 强电部分控制 图3 3 硬件原理图 电气线路根据电流和电压的大小可分为主电路和控制电路。主电路是流过大 1 5 第三章控制系统的硬件设i r 电流或高电压的电路，如电动机所在的电路：控制电路是流过小电流或低电压的 电路，如接触器和继电器的线圈所在电路以及耗能低的保护电路，连锁电路。 该系统的强电部分主电路需要完成以f 几个功能： 幻对控制柜对所需强电的引入。 b ) 对液压站的油泵电机的供电。 曲水泵电机的供电。 d ) 转轮电机的供电。 3 4 1 三相异步电动机启动设计 在本系统的强电控制中，涉及到都是三相异步电动机。电动机的起动电流倍 数所需符合式中电网允许的起动电流倍数，才允许直接起动，否则采取降压起动。 一般1 0 k w 以下的电动机都可以直接起动。随电网容量的加大，允许直接启动的 电动机容量也变大而液压站的油泵电机的功率达到了1 8 5 k w ，需要降压启动。 本文则采用了星三角启动的方法。 启动时，使定子绕组为星形连接，待转速上升到额定转速后，再换接成三角 形连接。此法只适用于在正常运行时定子绕组按三角形连接的电机。 图3 5 星三角启动原理图 j 麓 ：= 二：一了 ( b ) 图3 - 6 星三角的电压和电流 对于图3 - 6 ( a ) ，u 1 一u ，每相起动电流为，a ，则，j ；, i l l a ；对于图3 - 6 ( b ) ， l stl y 小告一等 1 6 ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 墨三兰丝型至堑坠竺竺堡笪 量 生：兰 一；三一：! ( 3 8 ) 一= = = ；一= 一 ， l s4 3 t 、4 3 t 、3 上式说明，丫一降压起动时的起动电流降低到直接起动的1 3 。若直接起 动的起动转矩为互，丫一起动时起动转矩为，则 乏一c 努c 喾) 2 l 三 弦” 显然，起动转矩也下降到直接起动的1 3 。因此，丫一降压起动也是适用 于电动机的轻载起动，而且限于正常运行为接法的电动机。 3 4 2 电机的保护环节 1 短路保护 当电动机绕组的绝缘、导线的绝缘损坏时，或电气线路发生故障时，例如正 转接触器的主触点未断开而反转接触器的主触点闭合都会产生短路现象。此时， 电路中会产生很大的短路电流，它将导致产生过大的热量，使电动机、电器和导 线的绝缘损坏。因此、必须在发生短路现象时立即将电源切断。常用的短路保护 元件是熔断器和断路器。熔断器的熔体串联在被保护的电路中，当电路发生短 路或严重过载时，它自动熔断，从而切断电路，达到保护的目的。断路器( 俗称 自动开关 ) ，它有短路、过载和欠电压保护功能。通常熔断器比较适用于对动作 准确度要求不高和自动化程度较差的系统中。在发生短路时很可能造成一相熔断 器熔断，造成单相运行；但对于断路器只要发生短路就会自动跳闸，将三相电路 同时切断。断路器结构复杂，广泛用于要求较高的场合。 2 过电流保护 由于不j 下确的起动和过大的负载转矩以及频繁的反接制动，都会引起过电 流。为了限制电动机的起动或制动电流过大，常常在直流电动机的电枢回路中或 交流绕线转子电动机的转子回路中串入附加的电阻。若在起动或制动时，此附加 电阻己被短接，就会造成很大的起动或制动电流。另外，电动机的负载剧烈增加， 也要引起电动机过大的电流，过电流的危害与短路电流的危害一样，只是程度上 的不同，过电流保护常用断路器或电磁式过电流继电器。将过电流继电器串联在 被保护的电路中，当发生过电流时，过电流继电器k a 线圈中的电流达到其动作 值，于是吸动衔铁，打开其常闭触点，使接触器k m 释放，从而切断电源。这 里过电流继电器只是一个检测电流大小的元件，切断过电流还是靠接触器。如果 用断路器实现过电流保护则检测电流大小的元件就是断路器的电流检波线圈， 而断路器的主触点用以切断过电流。 3 热保护 1 7 第二三章控制系统的瞍件殴汁 热保护又称长期过载保护。所谓过载是指电动机的电流大于其额定电流。造 成过载的原因很多，如负载过大、三相电动机单相运行、欠电压运行等。当长期 过载时，电动机发热，使温度超过允许值，电动机的绝缘材料就要变脆，寿命降 低、严重时使电动机损坏，因此必须予以保护。常用的过载保护元件是热继电器。 热继电器可以满足这样的要求：当电动机为额定电流时，电动机为额定温升，热 继电器不动作；在过载电流较小时，热继电器要经过较长时间才动作；过载电流 较大时，热继电器则经过较短时间就会动作。 由于热继电器不会因电动机短时过载冲击电流或短路电流而立即动作，所以 在使用热继电器作过载保护的同时，还必须设有短路保护，并且选作短路保护的 熔断器熔体的额定电流不应超过4 倍热继电器发热元件的额定电流。 4 欠电压与零电压保护 9 1 当电动机正在运行时，如果电源电压因某种原因消失，为了防止电源恢复时 电动机自行起动的保护称为零电压保护，零电压保护常选用零压保护继电器 k h v 。当电动机正常运行时，电源电压过分地降低将引起一些电器释放，造成 控制线路不正常工作，可能产生事故。因此，需要在电源电压降到一定允许值以 下时，将电源切断，这就是欠电压保护。欠电压保护常用电磁式欠电压继电器k 当电动机正常运行时，电源电压过分地降低将引起一些电