單軌道運輸車機械系統設計

時間：2022-10-05 19:17:10 機電一體化畢業論文我要投稿

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單軌道運輸車機械系統設計

　　單軌道運輸車機械系統設計

　　摘要：提出一種單軌道運輸車機械系統的設計方案。針對如何讓運輸車在單條鋼軌上保持平動而不轉動和保持輪軌之間的橫向夾持等技術問題，設計了利用PID控制算法對車斗進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行夾持控制的液壓控制系統，并結合實際工況從功能上驗證了機械系統設計的正確性和可行性。

　　關鍵詞：單軌道橫向夾持自平衡控制液壓系統

　　1 前言

　　在地震等災難過后，鐵軌往往會發生變形扭曲，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達而主要靠鐵路運輸的災區，鐵路干線的損壞對救援等會造成極大的阻礙，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用。1903年，英國人布倫南(Brennan，L)在吉林漢姆(Gillingham)創造了第一臺用陀螺穩定的單軌火車，車體僅靠車廂里安裝的兩只陀螺維持豎立狀態，但陀螺一旦停轉車廂就要傾覆;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，運輸車上的驅動齒輪與帶有齒條的軌道相嚙合，實現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難題長時間阻礙了其推廣應用，也是現如今急需解決的問題。基于此，提出了一種全新設計的單鐵軌運輸車的機械系統，彌補了技術上的空缺。

　　2 整車結構

　　單軌道運輸車外形設計主要包括駕駛室、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，同時下車體還通過兩側的液壓缸與車斗相接，兩側的液壓缸可通過協調伸縮控制車斗旋轉，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部結構包括動力裝置、飛輪組、齒輪組、軌道夾持機構、支撐液壓缸和輪子等。

　　其中動力裝置包括發動機和液壓泵，由發動機驅動飛輪旋轉，保持下車體在軌道上的穩定，發動機同時還驅動車后輪;由于鐵軌連接處會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。

　　從整車結構來看，將整機設計成兩節，目的在于當車斗發生偏斜時，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來調整車斗重心，下車體偏斜得以校正。相比整車一體化的設計，車斗自平衡控制為整車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斗自平衡控制系統，整機液壓系統由同一內燃機驅動液壓泵提供動力，兩分系統均采用伺服閥進行伺服反饋控制，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，而當車體失去動力時由蓄能器為夾持液壓缸提供動力以防止發生整機傾翻。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，其中一側液壓缸的無桿腔與另一側的有桿腔相通，從而實現了兩側液壓缸伸縮不同步的設計要求。

　　3.1 車斗自平衡控制系統

　　除了利用飛輪的機械方式對下車體進行平衡控制，還采用PID控制算法對支撐液壓缸的伸縮進行控制，以達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信息進行準確測量，并將檢測信息通過A/D轉換發送給微處理器，微處理器再結合PID算法程序將正確的姿態調整信號發送給伺服閥，伺服閥通過調整進出口的位置和流量，進而控制兩側支撐液壓缸的協調伸縮，使車斗重心時刻保持與鐵軌線相交，車體不會出現傾倒，其控制方式和流程如圖2。

　　3.2 軌頭夾持控制系統

　　在運輸車運行過程中，既要防止夾持過緊導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，因此在兩側夾持板各安裝壓力傳感器，微處理器根據兩個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，該過程控制方式和流程如圖2所示。

　　4 結語

　　(1)本單軌運輸車的設計采用內燃機作為原動機，以及采用液壓驅動方式，解決了輪軌橫向夾持困難的問題，同時利用PID算法進行車體自平衡控制解決了車體側翻的問題，提高了控制的可靠性，也從技術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)從設計和技術應用角度提出了單軌道運輸車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依據。

　　參考文獻：

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