雙軸客運專線軌排螺栓智能擰緊機研制

陳 凱

（山東中車同力達智能機械有限公司，濟南 250022）

雙軸客運專線軌排螺栓智能擰緊機研制

陳 凱

（山東中車同力達智能機械有限公司，濟南 250022）

為適應高速鐵路發展，改變現有軌道螺栓作業方式，設計提出了一種簡單、可靠、效率高、扭矩大、無沖擊、噪音小、扭矩控制精度高的工務養護設備，該設備使用直流無刷電機驅動，使用36V安全電壓鋰電池供電，通過高精度扭矩傳感器和專用控制器對兩側螺母同步擰緊控制，該設備提高了客運專線軌排螺栓的擰緊質量，大幅提升了作業效率，保障了行車安全。在對控制原理分析和設備實際工作過程介紹基礎上，給出一種雙軸客運專線軌排螺栓智能擰緊設備設計方案。

軌排螺栓；擰緊機；控制器；鋰電池

0 引言

現有的軌排螺栓擰緊主要采取以T型手動扳手手工操作和沖擊式內燃機動螺栓扳手兩種作業方式。手工擰緊的勞動強度大、螺栓擰緊質量無法保證；內燃機動螺栓扳手存在沖擊大、噪音大和螺栓擰緊精度低的缺陷[1]。市場急需一種螺栓擰緊精度高、無沖擊、噪音小的替代產品來保證客運專線軌排螺栓的擰緊質量，保障行車安全。

為適應高速鐵路發展，改變現有軌道螺栓作業方式，本文設計提出了一種簡單、可靠、效率高、扭矩大、無沖擊、噪音小、扭矩控制精度高的工務養護設備，該設備使用直流無刷電機驅動，使用36V安全電壓鋰電池供電，通過高精度扭矩傳感器和專用控制器對兩側螺母同時擰緊控制，該設備提高了客運專線軌排螺栓的擰緊質量，大幅提升了作業效率，保障了行車安全。本設計通過與北京鐵路局工務養護相關單位的深入溝通交流及現場調研，依托中車集團公司在軌道交通裝備業的行業優勢，研制了雙軸客運專線軌排螺栓智能擰緊機，為國內客運專線建設提供高性能養護設備。

1 無砟軌道安裝方式及扭矩要求

我國目前客運專線采用無砟軌道的安裝方式分為兩種：無砟軌道Ⅰ型和無砟軌道Ⅱ型。

無砟軌道Ⅰ安裝方式及扭矩要求[2～4]：

螺母中心距：237.5±0.5mm；

扭矩：80～120N·m；

軌道：60#鋼軌。

圖1 無砟軌道Ⅰ WJ-7型扣件安裝示意圖

無砟軌道Ⅱ安裝方式及扭矩要求：

螺旋道釘中心距（外側）：233.3±0.5mm；

扭矩：110～160N·m；

軌道：60#鋼軌。

圖2 無砟軌道Ⅱ WJ-8型扣件安裝示意圖

2 擰緊機的機構及工作原理

本文提出的擰緊機系統主要由（如圖3所示）設備本體、設備框架、鋰電池、操作手柄、行走輪、顯示單元和扳套等部分組成。其中，兩根擰緊軸、控制器、直流驅動器、輔助電氣等位于設備本體中，是設備的核心部分；設備框架采用焊接式框架，對整個設備起支撐作用；鋰電池是設備的動力源，采用36V/100AH定制鋰電池，保證設備可以實現對2000條螺栓擰緊作業；啟動按鈕位于兩側的操作手柄上，擰緊結果通過顯示單元進行顯示。

圖3 雙軸客運專線軌排螺栓智能擰緊機結構簡圖

設備工作過程如下：使用手柄推動設備，設備通過行走輪在鋼軌上移動，移動到螺母扣件上方時，雙手通過手柄按壓將扳套套入兩側螺母中，按下手柄上的啟動按鈕，設備本體中的擰緊軸驅動扳套旋轉實現螺母的擰緊作業，擰緊結果通過顯示單元指示燈顯示，擰緊數據存儲在控制中，擰緊結束后提起手柄準備進入下一組作業，擰緊過程數據和參數配置等功能通過手持PDA顯示實現。

設備擰緊軸由直流無刷伺服電機、精密行星減速機、傳感器、前體四部分組成，擰緊力矩在30N.m～300N.m可調，可滿足客運專線兩種無砟軌道使用要求，擰緊精度3%，自由轉速100r/min，整機重量小于75kg。

3 控制系統架構

該控制系統采用自主設計的控制器為主控單元，以鋰電池作為動力來源，執行機構采用36V直流電機，整個控制結構如圖4所示。顯示面板、操作按鈕通過IO連接到控制器上，PDA通過RS232總線與控制板連接，控制器通過AD輸入實時采集傳感器的反饋值，通過反饋值控制兩個直流驅動器的動作。

3.1 控制器

圖4 控制系統框架圖

控制器采用基于Rabbit RCM3110模塊設計，控制器的主控板上設計資源有：3路12位模擬量輸入、8路IO輸入、16路IO輸出、1路串行通訊端口。3路模擬量輸入分別用兩個扭矩傳感器和電池電量采集，IO用于控制電機和外圍的顯示燈與控制按鈕，生產數據保存在RCM3110 RAM中，控制器設置掉電保持電路，通過紐扣電池（CR2032）確保數據不丟失。

圖5 控制單元結構圖

3.2 主控盒

控制器、驅動器放置在主控盒中，主控盒采用IP67防水設計，通過防水接頭與外圍的電源、面板按鈕、電機、傳感器部分連接，確保整體設備能夠適應操作現場惡劣的工作環境。主控盒分布結構如圖6所示。

圖6 主控盒分布

3.3 手持式PDA

本設計通過RS232將PDA連接到設備，進行數據傳輸與監控。PDA采用3.5英寸觸屏屏，操作系統為WINCE6.0，具有802.11b/g無線模塊，可以通過無線與其他系統相連接，將生產數據導入到上游設備中。

圖7 智能手持PDA

4 軟件結構設計與實現

該擰緊設備控制系統的軟件設計可以分為兩個部分：控制器程序和PDA程序。程序之間通過Modbus RTU實現數據交互，系統軟件架構如圖8所示。控制器軟件是軟件系統的核心，控制整個擰緊過程與輔助處理；PDA軟件用于實現工作狀態的查詢顯示，數據的采集等增值功能。

圖8 系統軟件架構圖

4.1 ModbusRTU通訊

Modbus是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協議，它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信。它分為串行鏈路上的Modbus RTU與TCP/IP 上的Modbus TCP[5]，本文采用的是標準的Modbus RTU通訊協議。

本文設計的設備將控制器作為Modbus從站，PDA作為通訊主站，通訊過程如圖9所示。

圖9 控制單元結構圖

4.2 控制器軟件

控制器軟件基于UCOSII實時操作系統，采用C語言進行編寫，主要完成雙軸擰緊過程的處理，伺服電機速度與角度的控制。

螺栓擰緊過程可分為認帽→高速預緊→低速終擰→合格后卸荷幾個部分，為了提高螺栓擰緊的精度和效率，我們對雙軸螺栓擰緊過程進行同步處理，即每個擰緊部分均需等待兩軸全部工作到達后再進行下一步動作。用戶可以根據產品的工藝需求通過PDA設定扭矩控制值。

圖10 控制器程序結構

4.3 PDA軟件

PDA軟件基于Windows CE操作系統，采用Visual C#進行編寫。程序分為狀態監控、設備控制、參數配置和數據庫四個部分。狀態監控用于實時顯示各設備的狀態，包含擰緊結果、扭矩、角度、故障信息等；設備控制對設備進行控制、調整、測試，實現對系統的調整；參數配置用于對控制器進行參數配置修改；數據庫主要功能為對控制板采集的數據進行分析，采集擰緊過程數據曲線。

圖11 PDA軟件界面

5 結束語

本文介紹了一種雙軸客運專線軌排螺栓智能擰緊設備控制系統。在對系統控制原理分析和設備實際工作過程介紹基礎上，給出一種雙軸客運專線軌排螺栓智能擰緊設備設計方案。設計通過與北京鐵路局工務養護相關單位合作開發方式，已成通過了用戶的使用鑒定，通過本文設計的設備的應用，可大幅提高高速鐵路軌排鋪設及檢修的控制精度和生產效率，穩定施工質量，降低工人的勞動強度。

[1] 張忠,董國興.GLZ-2A自動軌道螺栓作業機[J].中國鐵路,2005(2):62-64.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設函[2005].754號客運專線無砟軌道設計指南[S].北京: 中國鐵道出版社,2005.

[3] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2007].47號新建時速300～350km客運專線鐵路設計暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[4] 李中華.CRTSⅠ型與CRTSⅡ型板式無砟軌道結構特點分析[J].華東交通大學學報,2010,27(1):22-28.

[5] 陳凱,邊群星.基于以太網總線的全自動汽車U形螺栓擰緊機設計[J].機床與液壓,2014,(14):06-08.

Development of intelligent tightening machine for rail bolts of double-axle passenger dedicated line

CHEN Kai

TP273

：B

1009-0134(2017)06-0095-03

2017-02-18

陳凱（1981 -），男，山東臨邑人，高級工程師，工學碩士，從事工廠自動化及應用工程研究。