牽引電機聯軸節自動裝配系統設計及實現

劉金鵬,周 浩,金 銘

武漢地鐵運營有限公司,湖北 武漢 430000

0 引言

地鐵列車聯軸節裝配在牽引電機驅動端和齒輪箱之間,負責傳遞牽引電機的驅動力,起著至關重要的作用。在大架修時,需對牽引電機聯軸節進行拆裝維護[1]。

目前聯軸節壓裝采用的是軸向力和徑向力相互配合的人工壓裝法,即人工操作油泵控制油壓徑向力來擴張聯軸節,控制油壓軸向力來壓裝聯軸節。此過程工藝要求高、操作難度大,徑向壓力、軸向壓力過大或者過小都會造成壓裝失敗,甚至損傷孔軸壓裝面,對列車的運營留下安全隱患。針對目前聯軸節壓裝設備的不足,本文提出一種基于PLC的牽引電機聯軸節自動裝配系統,可實現自動化快速組裝、拆卸,同時避免人為因素導致的安裝精度差,降低聯軸節和軸的劃傷、聯軸節與軸的蠕退風險。

1 系統總體設計方案

聯軸節與電機軸采用錐度過盈連接,裝配過盈量在0.19～0.22 mm,壓裝時要求用高壓油脹開聯軸節,再用中空油缸將聯軸節壓入軸中,保壓30 min,壓裝精度在0.1 mm之內。聯軸節壓裝時,將高壓油輸油螺桿擰緊在軸端孔中并套上止推墊圈;安裝中空油缸并用螺母鎖緊;在高壓油輸油螺桿另一端連接高壓泵。工作時高壓泵開啟輸出190 MPa左右高壓油將聯軸節脹開,并使聯軸節與軸表面之間充滿潤滑油液防止劃傷,再開啟低壓泵,低壓泵提供40 MPa左右的高壓油驅動中空油缸將聯軸節壓入軸上[2]。

本設備由液壓系統、測量系統、控制系統、操作控制等部分組成。其中,液壓系統主要包括油泵、單向閥、精密過濾器、電磁換向閥、比例溢流閥等;測量系統主要包括位移傳感器、壓力傳感器等;控制系統主要包括PLC、增/減壓開關、啟停按鈕、急停按鈕等;操作系統主要為觸摸屏人機交互界面。PLC實時分析壓力、位移傳感器采集的壓力泵的輸出量和聯軸節的位移量,進而對繼電器和電磁閥按照設定的拆裝流程進行精確閉環控制。觸摸屏與PLC之間采用網口通信完成操作指令下發和過程數據顯示。設備整體為可移動柜體,高壓泵及控制閥件安裝在柜體內,電氣控制部分集成在柜體上部操作面板上。

牽引電機聯軸節自動裝配設備如圖1所示。

圖1 牽引電機聯軸節自動裝配設備

2 液壓系統設計

自動裝配設備液壓系統如圖2所示,圖中左側為液壓控制部分,右側為前端壓裝工裝部分。比例溢流閥用于增壓、調整油泵壓力;電磁換向閥用于控制油路的切斷和導通;液壓增壓器用于將0～20 MPa壓力放大為一路最高200 MPa、一路最高68 MPa,分別作用于聯軸節壓裝的徑向和軸向。

1—箱體;2—油泵電機;3—聯軸器;4—雙聯油泵;5—為精密過濾器;6—單向閥;7—壓力傳感器;8—壓力表;9—比例溢流閥;10—電磁換向閥;11、12—增壓器;13—壓力表;14—壓力傳感器;15—壓力表;16—壓力傳感器;17—直通針線。

高壓液壓泵提供設備所需的壓裝力,在電磁換向閥的控制下控制壓裝力的大小,按照設定參數完成主壓油缸的壓裝動作。設備啟動后,電磁換向閥10打開導道,高壓液壓油進入壓裝工裝的管路,達到所需壓力后,電磁換向閥截止保壓;若壓力過大則電磁換向閥泄壓,下降到所需壓力時電磁換向閥截止。機械式壓力表便于操作者觀察。在工作過程中液壓回路壓力最高達到190 MPa的超高壓,油泵、電磁換向閥、壓力表、管路及接頭均滿足200 MPa的使用要求。其主要零部件型號參數如表1所示。

表1 液壓系統主要零部件

3 控制系統設計

本設備采用西門子S7-1200 1214 DC/DC/RLY緊湊型PLC,PLC電源采用西門子PM207 3 A,交換機采用西門子SCM1277,人機交互系統(HMI)采用威綸通MT8106iP型觸摸屏。觸摸屏與PLC之間采用基于以太網的自動化總線標準(PROFI NET)讀取PLC中的數值并顯示。

系統可實現全自動操作模式和手動操作模式。①全自動操作模式。系統按照設定參數自動完成整個測試過程,過程中無須人工干預。測試時可在顯示屏上查看生成的壓力曲線、時間等參數。②手動操作模式。通過設備操作面板徑向(加壓/泄壓)自復位旋鈕、軸向(前進/后退)自復位旋鈕,操作控制徑向/軸向壓力完成聯軸節裝配。表2、3為部分PLC輸入輸出點位分配表。

表2 部分PLC輸入點位分配表

表3 部分PLC輸出點位分配表

聯軸節壓裝的過程可分為以下階段。

1)增大徑向張力至50 MPa,相應增大軸向推力。

2)增大徑向張力至100 MPa,相應增大軸向推力。

3)增大徑向張力至150 MPa,相應增大軸向推力。

4)增大徑向張力190 MPa,相應增大軸向推力。

5)位移傳感器監測壓裝到位后,徑向泄壓,軸向推力保壓30 min后泄壓。

觸摸屏可以監視系統壓力、位移數據,并進行參數設定及上傳。操作臺通電后觸摸屏會亮起,待觸摸屏運行程序工作正常后會,點擊觸摸屏任意位置可跳轉至操作畫面。

操作界面如圖3所示。操作畫面會顯示系統當前狀態,例如徑向(軸向)油缸當前壓力、軸向油缸當前位置、徑向(軸向)系統當前壓力、當前自動步驟等,并且可以設置徑向(軸向)油缸工作壓力值。

圖3 操作界面

4 系統實現及應用

設備操作面板及實物操作如圖4、5所示。圖4中,“急停”為自鎖按鈕,當運行時出現緊急狀況可拍擊此按鈕用以停止油泵,液壓系統會處于卸壓狀態,若在自動運行狀態下按下則會強制結束自動運行并停止電機的運行;“試驗開始”為復位按鈕,當試驗臺具備自動運行條件時可以按下此按鈕開始自動運行程序,當再次按下此按鈕則停止自動運行;“徑向加壓、卸壓”為選擇復位開關旋鈕,當油泵運行方向正常并且設置好了相應壓力參數后,可以通過操作此旋轉對徑向油缸進行加壓或卸壓操作(即油缸的伸出或縮回)。本項目在武漢地鐵11號線經過大量壓裝、拆卸實驗,論證了本設計的實用性。

圖4 設備操作面板

圖5 實物操作

5 結束語

經過大量試驗驗證,設備壓力控制準確,有效避免了孔軸損傷及聯軸節蠕退問題,具有可靠性;省去人為反復確認壓力、測量壓裝量及反復壓手柄動作,具有高效性;一鍵操作,降低操作人員技能需求,具有易操作性;設有急停和高、低壓泵手動泄壓功能,具備安全性。