单轨道运输车机械系统设计

时间：2022-10-05 19:17:10 机电一体化毕业论文我要投稿

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单轨道运输车机械系统设计

　　单轨道运输车机械系统设计

　　摘要：提出一种单轨道运输车机械系统的设计方案。针对如何让运输车在单条钢轨上保持平动而不转动和保持轮轨之间的横向夹持等技术问题，设计了利用PID控制算法对车斗进行自平衡控制的液压伺服控制系统和利用伺服反馈方式进行夹持控制的液压控制系统，并结合实际工况从功能上验证了机械系统设计的正确性和可行性。

　　关键词：单轨道横向夹持自平衡控制液压系统

　　1 前言

　　在地震等灾难过后，铁轨往往会发生变形扭曲，火车便不能成为运输救援物资的工具，而对于一些交通不发达而主要靠铁路运输的灾区，铁路干线的损坏对救援等会造成极大的阻碍，因此需要设计一种只靠单轨道便能运行的运输车来解决这种难题。

　　从古今中外看来，并不乏一些单轨运输工具的实际应用。1903年，英国人布伦南(Brennan，L)在吉林汉姆(Gillingham)创造了第一台用陀螺稳定的单轨火车，车体仅靠车厢里安装的两只陀螺维持竖立状态，但陀螺一旦停转车厢就要倾覆;我国第一条城市单轨铁路——重庆跨座式单轨交通列车也是整车跨在单条宽轨上运行;单轨悬挂式列车在德国、日本等国均得到了广泛推广使用;另外一种是单轨道载客台车，运输车上的驱动齿轮与带有齿条的轨道相啮合，实现整车在一条轻便轨道上行驶。

　　然而对于单铁轨列车，如何保持车平台在一条铁轨上的平动而不转动和如何保证车轮和铁轨之间的横向夹持等一系列的技术难题长时间阻碍了其推广应用，也是现如今急需解决的问题。基于此，提出了一种全新设计的单铁轨运输车的机械系统，弥补了技术上的空缺。

　　2 整车结构

　　单轨道运输车外形设计主要包括驾驶室、下车体和车斗。其中，车斗跟下车体之间以铰接形式相连，即车斗可绕下车体左右旋转，同时下车体还通过两侧的液压缸与车斗相接，两侧的液压缸可通过协调伸缩控制车斗旋转，使车斗重心保持与轨道线相交。

　　图1中的单轨道运输车的主要内部结构包括动力装置、飞轮组、齿轮组、轨道夹持机构、支撑液压缸和轮子等。

　　其中动力装置包括发动机和液压泵，由发动机驱动飞轮旋转，保持下车体在轨道上的稳定，发动机同时还驱动车后轮;由于铁轨连接处会有铁板镶嵌在侧边并用铆钉固定连接，因此轨道夹持机构在平移过程中不能从轨头至轨底完整夹持，而只能夹持轨头部分，所以设计采用了轨头两侧分别由液压缸同步夹持的方案，同一侧的液压杆焊接在带有滚轮的夹持板上，加紧后滚轮可紧靠在轨头侧壁滑动。

　　从整车结构来看，将整机设计成两节，目的在于当车斗发生偏斜时，利用车斗和下车体之间的液压缸的自平衡控制使车斗绕下车体旋转来调整车斗重心，下车体偏斜得以校正。相比整车一体化的设计，车斗自平衡控制为整车的平稳运行提供了更可靠的保障。

　　3 机械控制系统

　　整机的机械控制系统主要包括轨头液压夹持控制系统和车斗自平衡控制系统，整机液压系统由同一内燃机驱动液压泵提供动力，两分系统均采用伺服阀进行伺服反馈控制，控制精度高。

　　轨头液压夹持控制系统主要包括减压阀、电磁换向阀、三位三通伺服阀、蓄能器、伺服放大器和轨头夹持机构等。减压阀用于保持轨头夹持力，而当车体失去动力时由蓄能器为夹持液压缸提供动力以防止发生整机倾翻。轨头夹持机构包括两侧夹持液压缸和夹持板，夹持板上安装滚轮和压力传感器。

　　车斗自平衡液压控制系统由二位二通伺服阀、伺服放大器、两侧液压缸和陀螺仪等组成，同一侧侧的液压缸均同步运动，其中一侧液压缸的无杆腔与另一侧的有杆腔相通，从而实现了两侧液压缸伸缩不同步的设计要求。

　　3.1 车斗自平衡控制系统

　　除了利用飞轮的机械方式对下车体进行平衡控制，还采用PID控制算法对支撑液压缸的伸缩进行控制，以达到时刻保持车斗平衡的目的。此控制过程为反馈控制过程，控制精度高。

　　反馈控制过程是：安装在车斗上的陀螺仪对车斗的姿态信息进行准确测量，并将检测信息通过A/D转换发送给微处理器，微处理器再结合PID算法程序将正确的姿态调整信号发送给伺服阀，伺服阀通过调整进出口的位置和流量，进而控制两侧支撑液压缸的协调伸缩，使车斗重心时刻保持与铁轨线相交，车体不会出现倾倒，其控制方式和流程如图2。

　　3.2 轨头夹持控制系统

　　在运输车运行过程中，既要防止夹持过紧导致滚轮与轨头摩擦过大引起前行困难，又要防止夹持松动致使整车偏倒，因此在两侧夹持板各安装压力传感器，微处理器根据两个压力传感器的反馈信号，持续不断地调整阀芯的位置，控制两侧液压缸同步输入或输出流量，从而使液压缸夹持力稳定在设定范围内，该过程控制方式和流程如图2所示。

　　4 结语

　　(1)本单轨运输车的设计采用内燃机作为原动机，以及采用液压驱动方式，解决了轮轨横向夹持困难的问题，同时利用PID算法进行车体自平衡控制解决了车体侧翻的问题，提高了控制的可靠性，也从技术应用上证明了设计的可行性。

　　(2)该机械控制系统的夹持力调节控制和维持车斗重心稳定控制均采用电液伺服控制方式，其控制精度高，响应速度快，提高了液压系统的响应速度。

　　(3)从设计和技术应用角度提出了单轨道运输车机械系统的设计方案，从功能上验证了设计的正确性和可行性，为以后从机械控制系统运行可行性分析提供了更可靠的技术依据。

　　参考文献：

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