王健，趙夢，丁道祥，王偉

（中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110013）

列車上水是鐵路旅客運(yùn)輸中的一項重要工作，當(dāng)列車到達(dá)上水車站時，車站作業(yè)人員為每節(jié)車體的水箱注水，以保證旅客的用水需求。目前全路各鐵路局的大多數(shù)車站已開始安裝智能化客車上水裝置,可以實(shí)現(xiàn)電動收管、遠(yuǎn)程遙控上水和停水、冬季自動加熱。但是，上水作業(yè)時仍需由人工將上水軟管接到客車水箱的注水口上，當(dāng)開始溢流時，關(guān)閉上水栓閥門，拔下上水軟管，上水作業(yè)結(jié)束。該方式具有浪費(fèi)水資源、損壞路基、勞動強(qiáng)度高、存在安全隱患等許多弊端。

為了改變此種狀況，本文提出了一種智慧化客車上水的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)上水裝置自動識別車體注水口位置，上水軟管與車體注水口自動對接，自動判斷水箱滿水、脫管及收管。

1 作業(yè)環(huán)境

由于車站線路兩線間的設(shè)備多、路面不平坦、冬季易結(jié)冰，若采用移動式機(jī)器人自動上水，對機(jī)器人的要求非常高，必須適應(yīng)崎嶇路面和冰面的路況，否則容易發(fā)生機(jī)器人的傾覆事故。若采用在高站臺側(cè)面上安裝移動式上水接口的方式，借助某些技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)自動搜索車體的注水口，這需要將高站臺做成中空，里面放置給水設(shè)備和管道，僅適用于新建的客運(yùn)高站臺車站。

從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，采用軌旁限界外安裝固定式導(dǎo)軌的方案，適用于各種類型車站的站臺，施工難度小、成本低，安全性和可靠性高。

2 技術(shù)方案

智慧化客車上水裝置共分為3部分：機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)、識別對接及水滿判斷。

根據(jù)車站作業(yè)的環(huán)境特點(diǎn)，機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)部分采用軌旁安裝導(dǎo)軌，機(jī)械臂沿導(dǎo)軌移動的技術(shù)方案；識別對接采用射頻識別和接近傳感器的技術(shù)方案；水滿判斷采用無線收發(fā)的技術(shù)方案。

2.1 機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)

2.1.1 導(dǎo)軌

在軌旁符合限界要求的位置安裝金屬導(dǎo)軌（如圖1所示），導(dǎo)軌用于承受、固定、引導(dǎo)移動裝置即機(jī)械臂。本方案采用線性導(dǎo)軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動。

導(dǎo)軌作為導(dǎo)向裝置，應(yīng)具有下列性能。

導(dǎo)向精度：主要指導(dǎo)軌運(yùn)動軌跡的精確度，直接關(guān)系著上水軟管與注水口的自動對接能否成功。影響導(dǎo)向精度的主要因素有：導(dǎo)軌的幾何精度和接觸精度，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌及其支撐部件的剛性，靜態(tài)（動態(tài)）壓導(dǎo)軌之間的油膜厚度及其剛度。

精度保持性：主要由導(dǎo)軌的耐磨性決定。耐磨性與導(dǎo)軌的材料、導(dǎo)軌副的摩擦性質(zhì)、導(dǎo)軌上的壓強(qiáng)及其分布規(guī)律等因素有關(guān)。

圖1 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)圖

剛度：包括導(dǎo)軌的自身剛度和接觸剛度。主要取決于導(dǎo)軌的形狀、支撐構(gòu)建的尺寸和連接方式以及應(yīng)力條件等因素。

低速運(yùn)動的平穩(wěn)性：當(dāng)可移動導(dǎo)軌用于低速運(yùn)動時，容易產(chǎn)生摩擦自激振動，即爬行現(xiàn)象。爬行會降低定位精度或增加被加工工件表面的粗糙度。

2.1.2 機(jī)械臂

機(jī)械臂主要包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)及夾取機(jī)構(gòu)共4部分，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)械臂各個動作的實(shí)現(xiàn)全部由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動完成，各個步進(jìn)電機(jī)的動作指令由控制終端通過電機(jī)控制器來下達(dá)。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要功能是當(dāng)接到“上水”命令后，帶動升降機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)及夾取機(jī)構(gòu)進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，使伸縮機(jī)構(gòu)靠近注水口。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定于導(dǎo)軌上，主要原理是通過同步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動減速齒輪組帶動安裝于其上的機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

2.3 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)的功能主要是用于調(diào)整上水軟管與車體注水口的相對高度。

升降機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、輔助杠、承重平臺、上下底座組成。其原理是通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)承重平臺的上升和下降，如下圖4所示。

圖4 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.4 伸縮機(jī)構(gòu)

伸縮機(jī)構(gòu)的功能主要是用于調(diào)整上水軟管與車體注水口的水平距離。

伸縮機(jī)構(gòu)固定在升降機(jī)構(gòu)的承重平臺上，主要是應(yīng)用線性滑軌滾珠絲杠直線導(dǎo)軌，通過步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾取機(jī)構(gòu)的前進(jìn)和后退，如圖5所示。

圖5 伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.5 夾取機(jī)構(gòu)

夾取機(jī)構(gòu)的功能主要是用于夾緊上水軟管，帶動上水軟管與機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動。

夾取機(jī)構(gòu)固定在伸縮平臺上，其主要結(jié)構(gòu)是模仿人手抓取動作進(jìn)行設(shè)計，通過人工轉(zhuǎn)動絲杠，實(shí)現(xiàn)夾緊和松開注水軟管，如圖6所示。

2.6 識別對接

2.6.1 注水口位置識別

注水口位置識別采用射頻識別技術(shù)，車輛注水口位置兩側(cè)一定距離內(nèi)，各固定1個RFID標(biāo)簽，上水裝置安裝標(biāo)簽掃描識別設(shè)備。

列車進(jìn)站停車后，上水裝置接收到“開始上水”的指令，機(jī)械臂沿導(dǎo)軌向注水口位置運(yùn)動，當(dāng)機(jī)械臂上的標(biāo)簽掃描識別設(shè)備同時接收到車輛注水口兩側(cè)固定的2個RFID標(biāo)簽信息時，機(jī)械臂停止運(yùn)動，即上水裝置對準(zhǔn)注水口的位置。

圖6 夾取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.6.2 上水軟管與車體注水口的對接

機(jī)械臂的伸縮機(jī)構(gòu)共安裝4個接近傳感器，分為橫向識別1個、縱向識別2個、垂向識別1個。車輛注水口安裝4塊接近傳感器識別金屬板。

當(dāng)上水裝置成功對準(zhǔn)注水口位置后，機(jī)械臂的升降機(jī)構(gòu)開始上升一定距離并停止運(yùn)動。伸縮機(jī)構(gòu)開始伸長直至橫向識別接近傳感器發(fā)出信號停止運(yùn)動，表明已經(jīng)上水軟管與車體注水口在橫向上對準(zhǔn)；機(jī)械臂開始向無信號輸出的縱向識別接近傳感器方向運(yùn)行，直至2個縱向識別接近傳感器均發(fā)出信號，機(jī)械臂停止運(yùn)動，表明已經(jīng)上水軟管與車體注水口在縱向上對準(zhǔn)；機(jī)械臂的升降機(jī)構(gòu)開始上升，直至垂向識別接近傳感器發(fā)出信號停止運(yùn)動，表明上水軟管與車體注水口自動對接成功，開始上水。

2.7 水滿判斷

水滿判斷是智慧化客車上水裝置的重要組成部分。當(dāng)客車水箱水滿時，自動停止上水，從而達(dá)到避免水資源浪費(fèi)的目的，如圖7所示。

圖7 水滿判斷原理圖

水滿判斷的實(shí)現(xiàn)，主要是基于水位傳感器及無線收發(fā)裝置。首先，客車水箱內(nèi)安裝高精度水位傳感器，用于水箱內(nèi)水位的監(jiān)測；然后，客車上安裝的無線發(fā)射裝置將采集的水位數(shù)據(jù)實(shí)時傳送給地面的無線接收裝置；最后，控制終端接收地面無線接收裝置傳輸來的水滿信號控制客車上水栓停止上水。

3 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

智慧化客車上水裝置的研制目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)客車上水的全自動化。當(dāng)列車進(jìn)站停靠在站臺旁后，車站中控室的上水工作人員點(diǎn)擊控制主機(jī)的開始按鈕，上水裝置自動完成注水口位置的搜索、上水軟管與注水的對接、上水、水滿自動停止、脫管及收管等工作。同時，智慧化上水裝置具備人工模式和自動模式，在設(shè)備發(fā)生緊急故障時，能夠切換到人工模式，進(jìn)行人工手動上水，保障客車上水工作的正常進(jìn)行。

4 結(jié)語

雖然鐵路客車上水裝置全自動化的研究存在一定的技術(shù)難度，但是鐵路裝備的智慧化勢在必行。若智慧化客車上水裝置研制成功并投入使用，將大幅減少人力成本、縮短上水時間、提高車站的上水效率，節(jié)約大量的水資源，保障上水工作的安全快捷，徹底改變鐵路客車上水的面貌，在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時，對環(huán)境和社會也將產(chǎn)生很大的效益，為推動鐵路裝備智慧化的發(fā)展起到積極作用。