一種不落輪鏇床防護罩侵限自動報警裝置的研制

黃海鑫，黃 升，陳科良，梁 糧，梁建民

（南寧軌道交通運營有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

不落輪鏇床作為軌道交通重要的工藝設備之一，可為電客車平穩運行提供重要保障，能進一步提高乘客在乘坐過程中的舒適感，是各地鐵公司必不可少的工藝設備之一。作為高精度機床，其維護保養要求較高[1]，因此，不落輪鏇床防護罩廣泛應用于軌道交通中。

南寧地鐵3號線不落輪鏇床防護罩為封閉式結構，主體采用不銹鋼結構、弧形頂、陽光板覆面，在股道線路方向兩端設計有端門，防護罩頂蓋為兩扇弧形頂，通過電機控制開、合。南寧地鐵3號線電客車高約3.5 m，公鐵兩用車高約2.6 m，鏇床防護罩頂部（未打開狀態）高約3.0 m，而鏇床保護罩需要手動開啟；在日常進行電客車鏇削及測量作業時，需將電客車調至不落輪鏇床工作區域。根據作業要求，調車作業前，首先要將防護罩的前后端門和頂蓋打開，而防護罩頂蓋位于股道上方高處，處于人的視覺盲區，而調車作業過程中，作業人員注意力往往集中在車輪與不落輪鏇床對位上，因此不落鏇床防護罩頂部蓋門是否打開容易被忽略，屬于危險源，若操作人員在調車作業前忽略了打開防護罩頂蓋或頂蓋打開不完全，都將引起防護罩頂蓋侵入地鐵線路限界，造成電客車與防護罩頂蓋發生碰撞，存在安全作業風險。

因此，結合生產實際研制了一種不落輪鏇床防護罩侵限自動報警裝置，能有效提醒作業人員在電客車通過鏇床前及時將防護罩打開，實現電客車與防護罩之間的聯防聯控功能，達到降低安全作業風險，有效避免因人為的不當操作引發安全事故的目的。

1 自動報警裝置的設計思路

不落輪鏇床所在庫區無接觸網，電客車無法自行提供動力，進行鏇輪作業時需要公鐵兩用車進行調車作業。通常情況下公鐵兩用車高度比電客車低，即使在防護罩頂部未打開的情況下也能正常通行，而電客車高度比防護罩高，在防護罩頂部未打開到位的情況下不能正常通行，因此需要一種檢測裝置來判斷電客車是否可以安全通過，若電客車已經運行至緊急停車區域但防護罩未打開到位，則能提醒作業人員將防護罩打開。

該不落輪鏇床防護罩侵限自動報警裝置（圖1）的核心元件是光電傳感器，其工作原理是通過遮擋光電傳感器發出的光能量后通過光電效應改變電信號，原理如圖2所示。因此，在緊急停車區域前端位置設計一組光電傳感器，并在防護罩開位的位置安裝限位開關以檢測防護罩是否開啟，只有同時滿足光電傳感器觸發和限位開關未觸發兩個條件，聲光報警裝置才啟動。

圖1 防護罩設計

圖2 報警裝置的工作原理

2 自動報警裝置的設計方案

本裝置主要由電源轉換器（220 V轉24 V）、空氣開關、24 V聲光報警燈、24 V對射式（遮光式）光電傳感器、機械式限位開關（防護罩）、24 V中間繼電器組成。其實施的特征是：限位開關與光電傳感器接收端、繼電器、聲光報警器串聯，由限位開關控制整條回路電源的通斷。光電傳感器負責檢測電客車車是否到達緊急停車區域，當檢測到電客車時，光電傳感器信號輸出端輸出24 V控制繼電器線圈吸合，進而控制聲光報警器報警，報警裝置結構原理如圖3所示。

圖3 報警裝置的結構原理

3 關鍵組成結構的安裝布局

為達到電客車與防護罩之間聯防聯控目的，故將限位開關安裝于防護罩頂蓋開位處，用于檢測防護罩是否侵限，當防護罩頂蓋處于開位時，限位開關觸發，回路電源斷開；光電傳感器安裝于防護罩前緊急停車區域前端處，用于檢測電客車是否到達緊急停車區域；當防護罩未處于開位時，電客車進入緊急停車區域觸發光電傳感器，聲光報警器響起，提醒操作人員緊急制動，將防護罩打開。如圖4所示。

圖4 報警裝置的結構布局

3.1 光電傳感器安裝位置的確定

光電傳感器的安裝位置應考慮列車制動距（S）及預留的安全距離（S1）。因此，光電傳感器距離防護罩的最短距離為S0=S+S1，制動距離S可根據運動學公式來計算，其中αχ為受坡度、曲線阻力、風阻力等影響的減速度。列車制動距離公式經推導、簡化后按式（1）計算：

式中：S為列車制動距離，m；V0為列車制動時的速度，m/s；VT為列車制動終點速度，m/s，TT=0；g′為受車輪轉動慣量影響的車輛重力加速度，（m/s2）；±i為線路縱向坡度，下坡為“+”，上坡為“-”；△i曲為平面圓曲線的曲線阻力；r阻為列車單位阻力，N/kN；f風為地鐵列車單位風阻力，N/kN；α為80～0 km/h在平坡上包括響應時間(列車空走行時間和制動建立時間)在內的常用制動平均減速度，m/s2；γ為潮濕軌面與干燥軌面粘著系數比。

南寧地鐵3號線用B型車6輛編組，車長為118 m，空車質量200 t，24對車軸。線路無坡度，調車作業速度不得超過5 km/h。列車制動距離可參考表1[2]，按調車作業速度最高來計算，制動距離為0.95 m；安全距離預留5 m；因此，光電傳感器距離防護罩的最短距離為為5.95 m。為避免人員行走以及公鐵車單獨作業時觸發光電傳感器，故其安裝高度定為3 m。

表1 B型車6輛編組場/段內車輛常用制動距離

3.2 行程開關的選型

市面上常見的行程開關有滾珠擺桿型、盤簧型、頂部柱塞型、水平滾珠柱塞型、可調式棒式擺桿型、叉式擺桿鎖定型。因防塵罩頂部蓋門具有一定的弧度，打開時，蓋門緣弧度軌跡移動，根據安裝成本、安裝難度、檢修要求等綜合考慮，滾珠擺桿型行程開關為最優（如圖5所示）。

圖5 滾珠擺桿型行程開關

4 功能測試

將該裝置安裝于南寧地鐵3號線鏇輪庫內，分2種情景進行功能測試：（1）在無電客車通過情景下功能測試，（2）在有電客車通過情景下功能測試。試驗結果如表2和表3所示。

表2 無電客車通過試驗結果

表3 有電客車通過試驗結果

工況1：防護罩未打開狀態，不觸發光電傳感器，聲光報警器未報警；人為觸發光電傳感器，聲光報警器報警。

工況2：防護罩半打開狀態，限位開關未被觸發，不觸發光電傳感器，聲光報警器未報警；人為觸發光電傳感器，聲光報警器報警。

工況3：防護罩完全打開狀態，限位開關被觸發，不觸發光電傳感器，聲光報警器未報警；人為觸發光電傳感器，聲光報警器未報警。

工況4：防護罩完全打開狀態，牽引電客車通過光電傳感器，聲光報警裝置未觸發。

工況5：防護罩未打開狀態，限位開關未被觸發，在保證安全情況下，以5 km/h速度牽引電客車前進，當光電傳感器被觸發時，聲光報警裝置響應，操作人員采取緊急制動措施，制動距離為0.95 m。

工況6：防護罩未打開狀態，限位開關未觸發，在保證安全情況下，以5 km/h速度牽引電客車前進，當光電傳感器被觸發時，聲光報警裝置響應，操作人員采取緊急制動措施，制動距離為0.94 m。

工況7：防護罩完全打開狀態，為更加貼近實際，檢驗操作人員的靈敏性，在不告知操作人員情況下手動將限位開關干涉為不觸發狀態（正常情況下防護罩處于開位，限位開關為觸發狀態），以5 km/h速度牽引電客車前進，當光電傳感器被觸發時，聲光報警裝置響應，且操作人員能第一時間采取緊急制動，制動距離為0.97 m。

由上分析可知：

（1）防護罩在未打開或未打開到位的情況下，行程開關未觸發，電客車觸發光電傳感器時報警裝置自動報警，且制動距離在安全距離范圍內，試驗成功。

（2）防護罩在合位的情況下，行程開關未觸發，電客車觸發光電傳感器時報警裝置不報警，試驗成功。

（3）為貼切實際，真實測試電客車觸發光電傳感器（工況7），操作人員可清晰聽到報警裝置報警，并在第一時間采取操作，且制動距離在安全距離范圍內，試驗成功。

5 結語

目前，該裝置已應用于南寧地鐵3、4、5號線，用于監控不落輪鏇床防護罩侵限問題，實現了電客車與防護罩之間的聯防聯控功能，有效避降低了作業安全風險，并已申請專利。該裝置結構、工作原理簡單，成本低，安裝難度不大，可推廣應用于地鐵自動化立體倉庫等重要區域防侵限問題，可有效解決設備設或人員施侵限造成的安全事故及避免因侵限問題造成的重大經濟損失。