單軌道運輸車(chē)機械系統設計

　　單軌道運輸車(chē)機械系統設計

　　摘要：提出一種單軌道運輸車(chē)機械系統的設計方案。針對如何讓運輸車(chē)在單條鋼軌上保持平動(dòng)而不轉動(dòng)和保持輪軌之間的橫向夾持等技術(shù)問(wèn)題，設計了利用PID控制算法對車(chē)斗進(jìn)行自平衡控制的液壓伺服控制系統和利用伺服反饋方式進(jìn)行夾持控制的液壓控制系統，并結合實(shí)際工況從功能上驗證了機械系統設計的正確性和可行性。

　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)诬壍?橫向夾持 自平衡控制 液壓系統

　　1 前言

　　在地震等災難過(guò)后，鐵軌往往會(huì )發(fā)生變形扭曲，火車(chē)便不能成為運輸救援物資的工具，而對于一些交通不發(fā)達而主要靠鐵路運輸的災區，鐵路干線(xiàn)的損壞對救援等會(huì )造成極大的阻礙，因此需要設計一種只靠單軌道便能運行的運輸車(chē)來(lái)解決這種難題。

　　從古今中外看來(lái)，并不乏一些單軌運輸工具的實(shí)際應用。1903年，英國人布倫南(Brennan，L)在吉林漢姆(Gillingham)創(chuàng )造了第一臺用陀螺穩定的單軌火車(chē)，車(chē)體僅靠車(chē)廂里安裝的兩只陀螺維持豎立狀態(tài)，但陀螺一旦停轉車(chē)廂就要傾覆;我國第一條城市單軌鐵路——重慶跨座式單軌交通列車(chē)也是整車(chē)跨在單條寬軌上運行;單軌懸掛式列車(chē)在德國、日本等國均得到了廣泛推廣使用;另外一種是單軌道載客臺車(chē)，運輸車(chē)上的驅動(dòng)齒輪與帶有齒條的軌道相嚙合，實(shí)現整車(chē)在一條輕便軌道上行駛。

　　然而對于單鐵軌列車(chē)，如何保持車(chē)平臺在一條鐵軌上的平動(dòng)而不轉動(dòng)和如何保證車(chē)輪和鐵軌之間的橫向夾持等一系列的技術(shù)難題長(cháng)時(shí)間阻礙了其推廣應用，也是現如今急需解決的問(wèn)題�；�于此，提出了一種全新設計的單鐵軌運輸車(chē)的機械系統，彌補了技術(shù)上的空缺。

　　2 整車(chē)結構

　　單軌道運輸車(chē)外形設計主要包括駕駛室、下車(chē)體和車(chē)斗。其中，車(chē)斗跟下車(chē)體之間以鉸接形式相連，即車(chē)斗可繞下車(chē)體左右旋轉，同時(shí)下車(chē)體還通過(guò)兩側的液壓缸與車(chē)斗相接，兩側的液壓缸可通過(guò)協(xié)調伸縮控制車(chē)斗旋轉，使車(chē)斗重心保持與軌道線(xiàn)相交。

　　圖1中的單軌道運輸車(chē)的主要內部結構包括動(dòng)力裝置、飛輪組、齒輪組、軌道夾持機構、支撐液壓缸和輪子等。

　　其中動(dòng)力裝置包括發(fā)動(dòng)機和液壓泵，由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)飛輪旋轉，保持下車(chē)體在軌道上的穩定，發(fā)動(dòng)機同時(shí)還驅動(dòng)車(chē)后輪;由于鐵軌連接處會(huì )有鐵板鑲嵌在側邊并用鉚釘固定連接，因此軌道夾持機構在平移過(guò)程中不能從軌頭至軌底完整夾持，而只能夾持軌頭部分，所以設計采用了軌頭兩側分別由液壓缸同步夾持的方案，同一側的液壓桿焊接在帶有滾輪的夾持板上，加緊后滾輪可緊靠在軌頭側壁滑動(dòng)。

　　從整車(chē)結構來(lái)看，將整機設計成兩節，目的在于當車(chē)斗發(fā)生偏斜時(shí)，利用車(chē)斗和下車(chē)體之間的液壓缸的自平衡控制使車(chē)斗繞下車(chē)體旋轉來(lái)調整車(chē)斗重心，下車(chē)體偏斜得以校正。相比整車(chē)一體化的設計，車(chē)斗自平衡控制為整車(chē)的平穩運行提供了更可靠的保障。

　　3 機械控制系統

　　整機的機械控制系統主要包括軌頭液壓夾持控制系統和車(chē)斗自平衡控制系統，整機液壓系統由同一內燃機驅動(dòng)液壓泵提供動(dòng)力，兩分系統均采用伺服閥進(jìn)行伺服反饋控制，控制精度高。

　　軌頭液壓夾持控制系統主要包括減壓閥、電磁換向閥、三位三通伺服閥、蓄能器、伺服放大器和軌頭夾持機構等。減壓閥用于保持軌頭夾持力，而當車(chē)體失去動(dòng)力時(shí)由蓄能器為夾持液壓缸提供動(dòng)力以防止發(fā)生整機傾翻。軌頭夾持機構包括兩側夾持液壓缸和夾持板，夾持板上安裝滾輪和壓力傳感器。

　　車(chē)斗自平衡液壓控制系統由二位二通伺服閥、伺服放大器、兩側液壓缸和陀螺儀等組成，同一側側的液壓缸均同步運動(dòng)，其中一側液壓缸的無(wú)桿腔與另一側的有桿腔相通，從而實(shí)現了兩側液壓缸伸縮不同步的設計要求。

　　3.1 車(chē)斗自平衡控制系統

　　除了利用飛輪的機械方式對下車(chē)體進(jìn)行平衡控制，還采用PID控制算法對支撐液壓缸的伸縮進(jìn)行控制，以達到時(shí)刻保持車(chē)斗平衡的目的。此控制過(guò)程為反饋控制過(guò)程，控制精度高。

　　反饋控制過(guò)程是：安裝在車(chē)斗上的陀螺儀對車(chē)斗的姿態(tài)信息進(jìn)行準確測量，并將檢測信息通過(guò)A/D轉換發(fā)送給微處理器，微處理器再結合PID算法程序將正確的姿態(tài)調整信號發(fā)送給伺服閥，伺服閥通過(guò)調整進(jìn)出口的位置和流量，進(jìn)而控制兩側支撐液壓缸的協(xié)調伸縮，使車(chē)斗重心時(shí)刻保持與鐵軌線(xiàn)相交，車(chē)體不會(huì )出現傾倒，其控制方式和流程如圖2。

　　3.2 軌頭夾持控制系統

　　在運輸車(chē)運行過(guò)程中，既要防止夾持過(guò)緊導致滾輪與軌頭摩擦過(guò)大引起前行困難，又要防止夾持松動(dòng)致使整車(chē)偏倒，因此在兩側夾持板各安裝壓力傳感器，微處理器根據兩個(gè)壓力傳感器的反饋信號，持續不斷地調整閥芯的位置，控制兩側液壓缸同步輸入或輸出流量，從而使液壓缸夾持力穩定在設定范圍內，該過(guò)程控制方式和流程如圖2所示。

　　4 結語(yǔ)

　　(1)本單軌運輸車(chē)的設計采用內燃機作為原動(dòng)機，以及采用液壓驅動(dòng)方式，解決了輪軌橫向夾持困難的問(wèn)題，同時(shí)利用PID算法進(jìn)行車(chē)體自平衡控制解決了車(chē)體側翻的問(wèn)題，提高了控制的可靠性，也從技術(shù)應用上證明了設計的可行性。

　　(2)該機械控制系統的夾持力調節控制和維持車(chē)斗重心穩定控制均采用電液伺服控制方式，其控制精度高，響應速度快，提高了液壓系統的響應速度。

　　(3)從設計和技術(shù)應用角度提出了單軌道運輸車(chē)機械系統的設計方案，從功能上驗證了設計的正確性和可行性，為以后從機械控制系統運行可行性分析提供了更可靠的技術(shù)依據。

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