铁路货运悬挂式自动摘钩装置设计与运动仿真

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随着我国铁路运输业务的快捷化、重载化的提高，货物流通量的增加，使编组站所承载的运输压力与日俱增，从而造成我国铁路货物运输发送量与周转量形成了强烈的反差，如图1所示。

由于编组站是促进货物流通、协调货物发送量和周转量的关键，所以编组站的工作效率直接影响整个货运周转环节的运作。如果编组站能提高工作效率，便能缩短货运时间，解决货运缓慢、流通积滞的难题。所以提高编组站的编组能力和效率将是我国编组站自动化发展的当务之急1l。据统计，货物列车-次全周转时间中，在车站作业和停留的时间约占70%。货车从装车到卸车，平均要进行(5～6)次调车作业，其中在编组站作业停留的时间占30%以上，而且驼峰作业中，提钩工作最费时，安全要求最高圆。有效地缩短提钩时间、提高正确摘钩率、降低提钩工作强度、加速编组站驼峰摘钩自动化建设，对提高编组站驼峰作业效率和缩短车辆周转时间有重要意义。为了缩短摘钩时间、提高摘钩正确率和降低劳动强度，设计了悬挂式自动摘钩装置，并对其进行了理论分析和运动仿真。

2传统人工摘钩过程目前货运编组摘钩工作是由人工完成的，摘钩人员手持调车作业计划单，沿着推峰路线，随着推峰列车，边走边记车辆通过数，按照作业单的要求，凭经验估计摘钩的位置(即摘钩点处在压钩坡上的位置)，当所摘钩车达到力的平衡时，手握摘钩杆将钩舌销提开，压紧的车钩便在钩车自身重力的驱动下自动开启，完成摘钩工作。

人工摘钩工况复杂、劳动强度大、安全事故发生率高，特别是在风、霜、雨、雪、雾等恶劣天气下，会损毁摘钩人员手中的调车作业单，致使解体车辆排序紊乱，溜放编码顺序与预订计划不符，造成错钩、漏钩的现象。为了排除错钩、漏钩等错误，需要抽调各个岗位上的工作人员对本次解体涉及的所有股道逐次排查 ，直至找到错钩车辆 ，在推峰机车的辅助下，拉回推峰段，重新进行编组作业，这样本次摘钩工作用去了双倍的时间，从而降低了驼峰解体效率。

3悬挂式自动摘钩装置根据我国编组站驼峰解体的作业方式，自动摘钩装置主要来稿日期：2012-08-l0基金项目：河北势技支撑项目(122121113D)作者简介：王战中，(1969-)，男，河北鹿泉人 ，副教授，博士，主要研究方向：机械制造及自动化216 王战中等：铁路货运悬挂式自动摘钩装置设计与运动仿真 第6期可以采用两种结构形式。(1)采用地面行走小车，驱动自动摘钩装置工作。其行走轨道铺设在推峰线-侧，呈双轨布置。其特点是对地形要求比较严格，占用空间较大；(2)为悬臂梁结构，在推峰线上方铺设行走轨道，并悬挂自动摘钩装置，其轨道分布在列车两侧，与车间内天车结构类似。其特. 是该装置充分利用了驼峰的空间，缩小了地面占用量，受地形影响校根据比较，拟采用第二种设计方案，对悬挂式自动摘钩装置进行了设计。该装置分为行走系统和摘钩系统两部分，采用电液混合的工作方式嘲。其结构，如图2所示。

图 1我国铁路货运周转量与发送量对比图Fig.1 Freight Turnover Compared with Flow Chart in China Railway1.电磁吸附装置 2.伸缩油缸 3.油缸导向轨 4.机架 5彳亍走轨道6.支撑轮 7.驱动齿轮 8传动轴 9.驱动电机图2自动摘钩装置Fig.2 Automatically Uncoupling Device该装置的作业过程分为五个步骤：(1)自动摘钩装置接收到摘钩命令后，电机驱动行走系统开始定位摘钩点，直至装置与待编车钩达到同步。(2)液压缸的三节套筒开始以-定的速度下降，直到安置在装置端部的电磁机构上的传感器接触到改进后的车钩后，停止向下运动。(3)电磁机构吸附车钩，随即液压缸开始做向上提拉动作，完成摘钩作业。(4)液压缸整651z升运动，与此同时完成收缩运动。(5)自动装置返回初始位置，准备下-钩动作。

3.1悬挂式自动摘钩装置的行走系统悬挂式自动摘钩装置的走行系统完成水平直线运动，带着摘钩装置的主体部分沿着既定的推峰线路行走。行走系统采用轨道式运行装置，齿轮齿条配合作为传动装置，驱动整个自动摘钩装置在齿条轨道上行走，其优点是承载能力大、结构简单、制造和维修费用孝工况要求低等。如图2所示，电机9作为动力源，通过啮合齿轮对带动齿轮7，从而驱动行走系统，支撑轮6作为行走系统的导向机构。

3.2悬挂式自动摘钩装置的摘钩系统系统分为齿轮组和伸缩液压缸两部分。

3.2.1摘钩装置的工作范围根据摘钩动作机理，我们可以得出摘钩装置的工作范围与车厢高度存在的直接联系，其关系式可以表达为：H坦rHrEs t1、式中：妇-.液压缸伸缩的距离；日厂待编列车车厢上表面距铁路轨面的垂直距离问；H厂 车钩中心距轨面的距离；E车钩浮动范围，-般取E(10)mm；S-液压缸工作安全距离，取S300mm。统计数据，如表 1所示。

表 1车厢高度统计表Tab.1 Height Statistics由上表取 车为 4770mm，带人公式(1)得 口为4200mm。

因为要实现完整的动作所需的拉力没有特别的要求，所以根据所需的液压缸的伸缩距离； 选定液压缸的型号为：3TG-V-E180×420O阿。

3.2.2齿轮组的确定根据液压缸的重心位置和质量，经计算得出驱动齿轮的扭矩为91N·M。

3.2.3装置端部的设计装置端部设有电磁吸盘，通过电磁产生的电磁吸附力将车钩上钩销吸住，在伸缩油缸的拉力下完成提钩动作 。根据工作性质采用盘式电磁铁，它的磁路结构可根据被吸附件设计成圆盘或方形等磁通经过气隙便产生吸附力，其结构简单，动作灵活，所需功率嗅构如图3所示。

钩锁铁 钩舌闭锁位置 开锁位置 全开位置图 3车钩不意图Fig 3 The Picture of Coupling通过计算得出提起车钩上提销需要750N的力，根据载荷和上钩销截面形状选取型号为ZYE1-P80/38的电磁吸盘。但是要实现这种提钩方式，须对现有的车钩进行改进，使电磁吸盘与上钩销接触面增加，提高工作的安全性能。

No.6June.201 3 机械 设 计 与制 造 2174对现有车钩结构的改造车钩是用来连接机车和车厢或车厢之问的-种连接装置。

它具有传递力矩和减缓冲击的作用。按其开启方式可分为上作用式和下作用式两种，货车采用的大多是上作用式车钩。目前，我国采用的货车车钩均为 13号车钩。

列车车钩由钩头、钩身 、钩尾三个部分组成 、车钩前端部分称为钩头，在钩头内装有钩舌 、钩舌销、锁提销 、钩舌推铁和钩锁铁。车钩后部称为钩尾，在钩尾上开有垂直扁锁孑L，以便与钩尾框联结。为了实现挂钩或摘钩，使车辆连接或分离，车钩具有三种姿态 ，即车钩三态，如图 4所示。

图4列车车钩改造前后对比图Fig 4 Train Coupling Modification Bere and After Contrast Figure自动摘钩装置的研究对象跳出了车钩钩柄的局限性，反而针对车钩主体进行了研究。为了更好的利用磁力吸盘机构，对车钩进行了改造。去除钩柄、提钩链、上钩销的吊耳～其上钩销的顶部改造为平面结构。这样更有利于吸磁力的集中，使吸附陛能更加安全，可靠性更高。改造后的结构，如图5所示。

图5完成后的样机模型Fig 5 The Final Model Machine5悬挂式自动摘钩装置的运动仿真ADAMS软件能够进行机械系统的仿真并输出测量结果，在设计初期就可以发现系统存在的问题，从而提前对系统结构以及相关参数进行修改，达到缩短机械手设计周期的目的，为后续工作提前做好准备。用ADMAS软件对悬挂式自动摘钩装置进行运动仿真分析。首先，在 Solidworks环境下完成摘钩装置的虚拟样机简化三维模型并以 .x-t格式保存；然后，导入 ADMAS中，并对其进行约束设置f7。

具体步骤如下：(1)修改构件的属性。定义材料属性n：Paa：Paal-Modiflr-Geometry and Material-Material--Guess-steel；定义颜色属性根据构件不同选用不同的颜色如 Solid：Solid1-Appearance-4olor-Guess--Red；最后为了方便构件的约束，需对各个构件进行重命名，如 ：Part：Part1-Rename-jijia。

(2)创建运动副。为了简化仿真步骤，将其关节问的摩擦、构件的材料特性忽略。定义完成后的模型，如图5所示。

(3)仿真分析。验证摘钩装置电磁吸盘的运动情况并分析是否符合摘钩动作要求。在后处理窗口PostProcessor中分别对电磁吸盘的CMPosition、CM-Velocity、CM-Acceleration进行分析，生成参考点曲线图 ，如图6～图8所示。

羹器暑蚓量删] ：蕊 ：/ /////时间(sec)图6 CMAcceleration曲线图Fig.6 The Curve of CMAcccleration05oo0- 500- 1000时间($ec)图7 CM-Velocity曲线图Fig.7 The Curve of CM-Velocity ： j-、 - - - 、 、 、 、 、 、、 ～、 、 ～ 、。

、 时l司(SeC)图 8 CMPosition曲线图Fig.8 Th e Cunre of CM Position从图 6、图 7、图 8末端执行器上质心的速度、加速度、位置曲线，可以看出该自动摘钩装置在摘钩过程中运行平稳的，并没有出现大的速度、加速度、位置上突变的情况，说明该系统不存在剧烈振动的现象，运行平稳。

6结论通过研究编组站的发展历程以及现阶段我国铁路工业化进程，分析并指出我国编组站自动化存在的弊端与改进方式。提出-种采用电液-体化技术摘钩装置即悬挂式自动摘钩装置并对其进行结构设计。其结构采用钢结构设计，经济实用，方便加工。轨道布置在列车车厢的上空，极大的节约了空间，避免了铺设地面轨道时受到地形的影响。最后，通过ADAMS软件对该装置的工作过程进行仿真，很好的证明了该装置运行 良好，动作灵敏平稳，对将来摘钩自动化的完成有很好的参考价值。 (下转第220页)5 o 珈 珈 枷