关于敞车翻车机用机器人自动摘钩执行装置的技术研究

郭凯迪

浙江娃哈哈智能机器人有限公司，浙江省杭州市 310000

摘要：为实现敞车翻车机的智能化控制，利用专用机器人完成摘钩解列工作，本文对自动摘钩执行装置进行研究，开发出了敞车翻车机用机器人自动摘钩执行装置，能有效的防止自动摘钩执行装置与火车发生碰撞，以及在列车运行异常时、车厢距离过近时将测量信号反馈给紧急分离装置进行紧急分离，以保护装置不被火车撞坏，解决了操作人员身心健康和作业安全问题，有利于企业环境和职业健康的安全管理。

关键词：智能化控制、机器人、自动机械

引言

目前，我国铁路运输的煤矿在转运过程中需要翻车设备将矿料倒转在指定工位，翻车机装卸工艺系统在国内最早应用是在上世纪五十年代，以“O”型构造形式为主。翻卸作业中各个机构为非连续工作，效率较低。上世纪80年代至今，在引进国外先进技术并逐步消化吸收基础上再创新，国内厂家设计开发了“C”型单车、双车翻车机，大幅提高了作业效率和稳定性、安全性。

1. 翻车机系统

翻车机是一种用来翻卸铁路敞车散料的大型机械设备。翻车机系统是一种非常专业化的散状物料卸料系统，它用于火车装载的散状物料的翻卸。翻车机卸煤系统卸车效率高，对车辆损伤少，能改善值班人员的工作环境和便于实现机械的自动化控制。随着国民经济的持续发展，火力发电厂、冶炼厂、水泥厂、港口、矿山的建设所需火车运输的散状物料（如煤炭、焦炭、矿砂等）用量大幅增长，大型现代化企业广泛应用翻车机卸车系统。

2. 现有翻车机设备在作业中存在的问题

目前绝大部分的翻车机在运行过程中需要将列车逐节拆解进行翻车作业，现有的铁路列车结构仍然采用老式的锁钩结构，必须由工人手动对列车进行摘钩操作，人工操作存在效率低下的问题。自动化程度低、识别准确率低、环境适应性差，且煤矿粉尘大对操作人员身体健康损害大，另外还有安全隐患多等诸多不利因素存在。国内外对于自动摘钩的设备研究已经很多年，但是一直未有大规模投入使用的产品，究其原因，主要是因为其产品设计需要对现有的列车车钩结构进行更改，投入较大。若保留现有列车车钩结构，需要考虑到车型不同、钩形不同、车钩提杆变形、摘钩作业时空间狭小、摘钩作业时间短、列车失速易造成重大设备事故等问题，需要在列车自动化摘钩中应用一种新的装置来克服当前问题。

3. 敞车翻车机用机器人

机器人采用多关节、多自由度的柔性设计，其特点是动作多、变化灵活、精度高、稳定，具有较高的柔性技术。

该智能摘钩机器人的优势：响应时间短、动作迅速、速度快，机器人在运转过程中不停顿、不休息，能够提高自动化生产效率。精确度高，质量受影响较小，可以保证每次摘钩的质量。降低人工成本，减少原料的浪费，降低成本更明显。可以通过修改程序以适应不同类型车钩的摘取，缩短生产作业的周期和应用设备的投资。代替人工在摘钩高危、有害的环境作业，把工人从各种恶劣环境中解放出来。

4. 车钩与摘钩

车钩是用来实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂，传递牵引力及冲击力，并使车辆之间保持一定距离的车辆部件。车钩按开启方式分为上作用式及下作用式两种。通过车钩钩头上部的提升机构开启的叫上作用式（一般货车大都采用此式）；借助钩头下部推顶杠杆的动作实现开启的叫下作用式（客车采用）。

车钩按其结构类型分为螺旋车钩、密接式自动车钩、自动车钩及旋转车钩等。螺旋车钩使用最早，但因缺点较多已被淘汰，密接式自动车钩多为高速铁路车辆所用。中国除在大秦铁路重载单元列车上使用旋转车钩外，现一律采用自动车钩。

所谓自动车钩，就是先将一个车钩的提杆提起后，再用机车拉开车辆或与另一车辆车钩碰撞时，能自动完成摘构或挂钩的动作的车钩。中国铁道部门1956年确定1、2号车钩为标准型车钩。但随着列车速度的提高和牵引吨位的增加，又于1957、1965年先后设计制造了15号车钩和13号车钩。

客车使用15号车钩，货车则逐步用13号车钩代替2号车钩。 车钩由钩头，钩身、钩尾三个部分组成、车钩前端粗大的部分称为钩头，在钩头内装有钩舌、钩舌销，锁提销，钩舌推铁和钩锁铁。车钩后部称为钩尾，在钩尾上开有垂直扁锁孔，以便与钩尾框联结。

为了实现挂钩或摘钩，使车辆连接或分离，车钩具有以下三种位置，也就是车钩三态：锁闭位置——车钩的钩舌被钩锁铁挡住不能向外转开的位置。两个车辆连挂在一起时车钩就处在这种位置。开锁位置——即钩锁铁被提起，钩舌只要受到拉力就可以向外转开的位置。

摘钩时，只要其中一个车钩处在开锁位置，就可以把两辆连挂在一起的车分开。全开位置——即钩舌已经完全向外转开的位置。当两车需要连挂时，只要其中一个车钩处在全开位置，与另一辆车钩碰撞后就可连挂。旋转车钩的构造与普通车钩不同，钩尾开有锁孔，钩尾销与钩尾框的转动套连接。钩尾端面为一球面，顶紧在带有凹球面的前从板上。当钩头受到扭转力矩作用时，钩身连同尾销以及转动套一起转动。旋转车钩现在只安装在专为大秦铁路运煤单元组合列车设计的车辆上。这种车辆的一端装设旋转车钩，另一端装设固定车钩，整列车上每组连接的两个车钩，两两相互搭配。

5. 自动摘钩执行装置的原理

敞车翻车机用机器人自动摘钩执行装置包括：主体支架、顶升装置、扫描测距避障装置、前端扫描装置、伸缩挡杆装置、车钩提杆检测仪、摘钩力矩检测装置、提杆周围异物检测仪、紧急分离装置、机器人、第一支撑板、第二支撑杆。

主体支架安装于紧急分离装置的前端，顶升装置安装于主体支架上，描测距避障装置、前端扫描装置都安装于主体支架的前侧端。伸缩挡杆装置、车钩提杆检测仪、摘钩力矩检测装置、提杆周围异物检测仪都安装于主体支架的下方，紧急分离装置与主体支架转动连接，机器人与紧急分离装置连接，顶升装置与伸缩挡 杆装置相啮合，第一支撑板、第二支撑杆都与主体支架固定连接。

主体支架采用优质碳钢焊接而成，结构简单，加工方便，能满足多种不同规格的车钩，具有良好的力学刚性和疲劳强度。

第一弹簧能有效避免因不同车钩提杆加工、安装过程中误差导致的车钩提杆位置的偏差导致机器人自动摘钩作业时发生过载现象。

第一激光扫描雷达，能快速检测到装置与车厢的距离，用来判断摘钩是否成功以及列车运行异常时车厢距离过近将测量信号反馈给紧急分离装置进行紧急分离，装置不被火车撞坏。

第一激光漫反射传感器具有传输速率高、传输能力强、发射功率小、抗干扰效果好、安全性高等优点。在装置进入车厢间时检测有无障碍物，从而防止发生碰撞。当装置车钩提杆时所述车钩提杆检测仪检测到车钩提杆，伸缩挡杆装置自动合闭让装置形成一个方形闭环，以及在摘钩时检测车钩提杆是否脱落。

摘 钩力矩检测装置能检测到力矩大小，用来判定摘钩已经到位，有效的防止装置发生过载现象或者摘钩不到位的现象。

扫描测距避障装置能快速检测到装置与车厢的距离，用来判断摘钩是否成功，以及列车运行异常时车厢距离过近将测量信号反馈给紧急分离装置进行紧急分离，来保护装置本身不被火车撞坏。

6. 自动摘钩执行装置的优点

装置上安装有多种安全保护传感器，可以有效的防止自动摘钩执行装置与火车发生碰撞，摘钩力矩检测装置能有效的判断摘钩动作是否到位，防止自动摘钩执行装置发生过载现象或者摘钩不到位的现象，扫描测距避障装置能快速检测到本实用新型与车厢的距离，用来判断摘钩是否成功，以及列车运行异常时车厢距离过近将测量信号反馈给紧急分离装置进行紧急分离，以保护装置不被火车撞坏。

7. 对设计理念的评价

通过研究分析和现场验证，利用机器人进行翻车机敞车自动摘钩是可行的。本文对敞车翻车机用机器人自动摘钩执行装置的研究符合高效、少人、绿色、智慧的理念，研究成果可更深层次解决目前所面临的操作人员的身心健康及作业安全问题，符合企业坚持以人为本、可持续发展的理念。

后续通过智能检测、智能识别、智能定位、智能运动控制等技术，敞车翻车机用机器人自动摘钩执行装置结合翻车机自动控制系统，在摘钩作业时，串联原自动系统实现全自动无人化，提高车厢脱钩效率，提高系统安全性，使翻车机的敞车解列作业真正实现全过程全自动化。

8. 结语

本文对敞车翻车机用机器人自动摘钩执行装置的技术研究，实现了全自动摘钩无人化作业，摘钩机器人替代原人工摘钩，解决了摘钩人员本质安全，改善了人员作业环境，节约了人力成本，提高了翻车机自动化水平,有利于企业环境和职业健康的安全管理，对进一步促进翻车机卸车系统向智能自动化方向发展有重要的现实意义和广阔的前景。

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