單軌道運輸車機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

時間：2022-10-05 19:17:10 機(jī)電一體化畢業(yè)論文我要投稿

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　　單軌道運輸車機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：提出一種單軌道運輸車機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計方案。針對如何讓運輸車在單條鋼軌上保持平動而不轉(zhuǎn)動和保持輪軌之間的橫向夾持等技術(shù)問題，設(shè)計了利用PID控制算法對車斗進(jìn)行自平衡控制的液壓伺服控制系統(tǒng)和利用伺服反饋方式進(jìn)行夾持控制的液壓控制系統(tǒng)，并結(jié)合實際工況從功能上驗證了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可行性。

　　關(guān)鍵詞：單軌道橫向夾持自平衡控制液壓系統(tǒng)

　　1 前言

　　在地震等災(zāi)難過后，鐵軌往往會發(fā)生變形扭曲，火車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(dá)而主要靠鐵路運輸?shù)臑?zāi)區(qū)，鐵路干線的損壞對救援等會造成極大的阻礙，因此需要設(shè)計一種只靠單軌道便能運行的運輸車來解決這種難題。

　　從古今中外看來，并不乏一些單軌運輸工具的實際應(yīng)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(wěn)定的單軌火車，車體僅靠車廂里安裝的兩只陀螺維持豎立狀態(tài)，但陀螺一旦停轉(zhuǎn)車廂就要傾覆;我國第一條城市單軌鐵路——重慶跨座式單軌交通列車也是整車跨在單條寬軌上運行;單軌懸掛式列車在德國、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，運輸車上的驅(qū)動齒輪與帶有齒條的軌道相嚙合，實現(xiàn)整車在一條輕便軌道上行駛。

　　然而對于單鐵軌列車，如何保持車平臺在一條鐵軌上的平動而不轉(zhuǎn)動和如何保證車輪和鐵軌之間的橫向夾持等一系列的技術(shù)難題長時間阻礙了其推廣應(yīng)用，也是現(xiàn)如今急需解決的問題�；诖�，提出了一種全新設(shè)計的單鐵軌運輸車的機(jī)械系統(tǒng)，彌補(bǔ)了技術(shù)上的空缺。

　　2 整車結(jié)構(gòu)

　　單軌道運輸車外形設(shè)計主要包括駕駛室、下車體和車斗。其中，車斗跟下車體之間以鉸接形式相連，即車斗可繞下車體左右旋轉(zhuǎn)，同時下車體還通過兩側(cè)的液壓缸與車斗相接，兩側(cè)的液壓缸可通過協(xié)調(diào)伸縮控制車斗旋轉(zhuǎn)，使車斗重心保持與軌道線相交。

　　圖1中的單軌道運輸車的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括動力裝置、飛輪組、齒輪組、軌道夾持機(jī)構(gòu)、支撐液壓缸和輪子等。

　　其中動力裝置包括發(fā)動機(jī)和液壓泵，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，保持下車體在軌道上的穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)同時還驅(qū)動車后輪;由于鐵軌連接處會有鐵板鑲嵌在側(cè)邊并用鉚釘固定連接，因此軌道夾持機(jī)構(gòu)在平移過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(shè)計采用了軌頭兩側(cè)分別由液壓缸同步夾持的方案，同一側(cè)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(cè)壁滑動。

　　從整車結(jié)構(gòu)來看，將整機(jī)設(shè)計成兩節(jié)，目的在于當(dāng)車斗發(fā)生偏斜時，利用車斗和下車體之間的液壓缸的自平衡控制使車斗繞下車體旋轉(zhuǎn)來調(diào)整車斗重心，下車體偏斜得以校正。相比整車一體化的設(shè)計，車斗自平衡控制為整車的平穩(wěn)運行提供了更可靠的保障。

　　3 機(jī)械控制系統(tǒng)

　　整機(jī)的機(jī)械控制系統(tǒng)主要包括軌頭液壓夾持控制系統(tǒng)和車斗自平衡控制系統(tǒng)，整機(jī)液壓系統(tǒng)由同一內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動液壓泵提供動力，兩分系統(tǒng)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(tǒng)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(jī)構(gòu)等。減壓閥用于保持軌頭夾持力，而當(dāng)車體失去動力時由蓄能器為夾持液壓缸提供動力以防止發(fā)生整機(jī)傾翻。軌頭夾持機(jī)構(gòu)包括兩側(cè)夾持液壓缸和夾持板，夾持板上安裝滾輪和壓力傳感器。

　　車斗自平衡液壓控制系統(tǒng)由二位二通伺服閥、伺服放大器、兩側(cè)液壓缸和陀螺儀等組成，同一側(cè)側(cè)的液壓缸均同步運動，其中一側(cè)液壓缸的無桿腔與另一側(cè)的有桿腔相通，從而實現(xiàn)了兩側(cè)液壓缸伸縮不同步的設(shè)計要求。

　　3.1 車斗自平衡控制系統(tǒng)

　　除了利用飛輪的機(jī)械方式對下車體進(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(dá)到時刻保持車斗平衡的目的。此控制過程為反饋控制過程，控制精度高。

　　反饋控制過程是：安裝在車斗上的陀螺儀對車斗的姿態(tài)信息進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并將檢測信息通過A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送給微處理器，微處理器再結(jié)合PID算法程序?qū)⒄_的姿態(tài)調(diào)整信號發(fā)送給伺服閥，伺服閥通過調(diào)整進(jìn)出口的位置和流量，進(jìn)而控制兩側(cè)支撐液壓缸的協(xié)調(diào)伸縮，使車斗重心時刻保持與鐵軌線相交，車體不會出現(xiàn)傾倒，其控制方式和流程如圖2。

　　3.2 軌頭夾持控制系統(tǒng)

　　在運輸車運行過程中，既要防止夾持過緊導(dǎo)致滾輪與軌頭摩擦過大引起前行困難，又要防止夾持松動致使整車偏倒，因此在兩側(cè)夾持板各安裝壓力傳感器，微處理器根據(jù)兩個壓力傳感器的反饋信號，持續(xù)不斷地調(diào)整閥芯的位置，控制兩側(cè)液壓缸同步輸入或輸出流量，從而使液壓缸夾持力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，該過程控制方式和流程如圖2所示。

　　4 結(jié)語

　　(1)本單軌運輸車的設(shè)計采用內(nèi)燃機(jī)作為原動機(jī)，以及采用液壓驅(qū)動方式，解決了輪軌橫向夾持困難的問題，同時利用PID算法進(jìn)行車體自平衡控制解決了車體側(cè)翻的問題，提高了控制的可靠性，也從技術(shù)應(yīng)用上證明了設(shè)計的可行性。

　　(2)該機(jī)械控制系統(tǒng)的夾持力調(diào)節(jié)控制和維持車斗重心穩(wěn)定控制均采用電液伺服控制方式，其控制精度高，響應(yīng)速度快，提高了液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

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

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