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小型轨道除沙车控制系统设计

郭晓东，张文志，李燕飞，陈永麟

(内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古　呼和浩特　010051)

摘要：设计了基于三菱公司FX2N-64MR-001型可编程控制器的小型轨道除沙车控制系统。通过对除沙车机构及工作原理的分析，设计出对小型轨道除沙车工作过程进行控制的系统方案，实现对铁路的快速、高效清沙工作。

关键词：轨道除沙车；可编程控制器；设计

0　引言

在我国经济的飞速发展中，铁路运输占据着不可替代的作用，风沙对于铁路系统的危害严重影响着地方经济的快速发展，如果不及时清除积沙，将给人们的日常生活带来诸多不便，甚至影响铁路交通安全。研制高效的现代化轨道除沙机械对于沙害铁路干线的紧急疏通具有重要意义和工程实用价值。

1　轨道除沙车总体方案

轨道除沙车试验模型的总体方案示意图如图1所示。设备能够实现集沙、传沙和扬沙等功能。

图1　轨道除沙车试验模型的总体方案示意图

1.1　集沙装置

集沙装置位于机器驾驶室的前部。该装置主要由集沙箱体、侧翼和刮板机构组成。集沙箱体用于集沙，在其后部开有漏斗使沙子落入中间传送带，下部设有轨道滚轮进行引导。在非工作状态下，由箱体抬升液压缸将箱体抬起，以减少箱体与轨道之间的摩擦。侧翼位于箱体前端两侧，通过液压装置可实现侧翼抬升，侧翼抬升能避开铁道两侧的障碍物。刮板机构采用技术成熟的双链刮板输送机，在输送链上装有一组刮刀。动力装置采用液压马达驱动带轮，带轮将动力传递给链轮，链轮带动输送链使刮刀完成刮沙工作。

1.2　中间运输装置

中间运输装置位于机器的中部，采用结构简单、技术成熟的带式输送机。输送带将从集沙箱体漏斗中漏下的沙子传送到中间运输装置尾部的漏斗中。动力装置采用液压马达直接驱动滚筒，由滚筒带动传送带实现沙土运输。

1.3　扬沙装置

扬沙装置位于机器的尾部，由扬沙回转机构和带式输送机组成。扬沙回转机构采用双向液压马达驱动，可将扬沙输送带摆向轨道两侧。扬沙装置的带式输送机的原理与中间运输装置相同。

2　轨道除沙车工作过程

将小型轨道除沙车置于需除沙轨道位置，启动工作液压泵电机后，首先将扬沙装置转到轨道无障碍的一侧，再将集沙箱体下降至轨道地面上合适的位置，接着将侧翼下降、展开至合适的位置；然后将扬沙带、中间运输带和刮沙链顺序启动；之后，启动整车行走电机以工作速度前进，随着刮沙链板刮沙动作，沙土不断地沿集沙箱体底板落入一级漏斗，经过中间输送带的传送到达二级漏斗，扬沙装置将二级漏斗中落下的沙土扬到轨道的一侧。若工作过程中遇到轨道两旁有障碍，侧翼能够分别点动抬升。除沙工作结束后，除沙车停止行走，刮沙链、中间运输带和扬沙带顺序停止，集沙箱体抬升至合适位置，侧翼抬升到合适位置。

3　除沙车控制系统原理

3.1　整车行走控制

整车行走采用三相异步交流电动机作为驱动，通过控制电动机的正反转、启动及制动来实现整车前进、后退与停止的动作。

3.2　工作过程控制

3.2.1　供油回路

小型轨道除沙车的供油回路原理如图2所示。

3.2.2　卸荷回路

小型轨道除沙车的卸荷回路原理如图3所示。

3.2.3　箱体升降回路

图4为箱体升降液压原理图。当6YA得电时，压力油从A油口经左单向阀进入油缸，同时A口的压力油液给右单向阀一个信号，回油时，使得油液经右单向阀到B油口回油箱，此时液压缸活塞收缩，实现箱体抬升动作；当7YA得电时，压力油从B油口经右单向阀进入油缸，同时B口的压力油给左单向阀一个信号，回油时从左单向阀经A油口回油箱，此时液压缸活塞伸出，实现箱体下降动作。限位开关S4、S5为常开型限位开关，当液压缸活塞到位时相应的限位开关接通，指示灯亮。

图2　供油回路原理图

图3　卸荷回路原理图

图4　箱体升降液压原理图

3.2.4　扬沙回转回路

图5为扬沙回转回路液压原理图。扬沙回转回路由一个三位四通电磁换向阀、一个液控单向阀和一个双向回转的液压马达组成。三位四通电磁换向阀和液控单向阀工作原理和前面一样，处于中位时也是主回路保压，回转马达保压。回转马达可以双向回转，并且能够停留在任意位置。

图5　扬沙回转回路液压原理图

3.2.5　双侧翼升降回路

图6为双侧翼升降回路液压原理图。当电磁铁8YA得电时，左换向阀工作在左位，压力油进入左侧翼液压缸，此时，液压缸活塞杆缩回，左侧翼抬升；当电磁铁9YA得电时，左换向阀工作在右位，压力油进入左侧翼液压缸，此时，液压缸活塞杆伸出，左侧翼下降。右换向阀的工作过程也是一样的：当电磁铁10YA得电时，右换向阀工作在左位，压力油由P口经过A口进入右侧翼液压缸，此时，液压缸活塞杆缩回，右侧翼抬升；当电磁铁11YA得电时，右换向阀工作在右位，压力油进入右侧翼液压缸，此时，液压缸活塞杆伸出，右侧翼下降。限位开关S6、S7、S8、S9为常开型限位开关，当液压缸活塞到位时相应的限位开关接通，指示灯亮。

图6　双侧翼升降回路液压原理图

3.2.6　刮沙、运沙及扬沙马达回路

图7为刮沙、运沙及扬沙马达回路液压原理图。当电磁铁1YA得电时，左边的换向阀工作在右位，压力油通过换向阀进入马达，马达回转，链式刮板机构开始工作；当电磁铁1YA失电时，左边的换向阀工作在左位，马达卸荷，主回路保压。当电磁铁2YA得电时，中间的换向阀工作在右位，压力油通过换向阀进入马达，马达回转，中间运输机构开始工作；当电磁铁2YA失电时，中间的换向阀工作在左位，马达卸荷，主回路保压。当电磁铁3YA得电时，右边的换向阀工作在右位，压力油通过换向阀进入马达，马达回转，扬沙机构开始工作；当电磁铁3YA失电时，右边的换向阀工作在左位，马达卸荷，主回路保压。

图7　刮沙、运沙及扬沙马达回路液压原理图

4　系统控制方案

根据小型轨道除沙车控制系统设计的要求，拟定控制方案为：采用主从控制结构，上位机应用CenturyStar V 7.50(世纪星监控组态软件)，下位机为三菱公司的FX2N-64MR-001型PLC。可编程控制器PLC输入端为按钮，输出端为中间继电器，通过中间继电器来控制交流接触器和电磁铁的通断，从而控制行走电机的正、反转和马达的转动以及液压缸的伸缩。系统控制流程如图8所示。

图8　系统控制流程图

5　结语

对小型轨道除沙车各个组成部件的工作原理进行了分析，根据工作原理和控制要求确定了控制系统的方案。经实际应用实现了对铁路的快速、高效清沙工作。

(参考文献和英文摘要

[1]廖常初.可编程控制器应用技术.重庆:重庆大学出版社,2007.

[2]王兆明.电器控制与PLC技术.北京:清华大学出版社,2010.

[3]Rullan Agustin.Programmable logic controller versus personal computer for process control.Computer & Industrial Engineering,1997,33(s1-2):421-424.

文章编号：1672-6413(2016)04-0174-02

收稿日期：2016-01-21；

修订日期：2016-04-28

作者简介：郭晓东(1992-)，男，内蒙古察哈尔右翼中旗人，在读硕士研究生 ，研究方向：机电控制。

中图分类号：TP273

文献标识码：A

Design of Control System of Railway Sand Removal Vehicle

GUO Xiao-dong, ZHANG Wen-zhi, LI Yan-fei, CHEN Yong-lin

(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051, China)

Abstract： In this article, the control system of a small orbital cleaning car is designed, which is based on Mitsubishi’s FX2N-64 MR-001 PLC. Through the analysis of the orbital cleaning car’s structrue and working principle, we draw up the plan of the control system for the orbital cleaning car, in order to clean the sand on railway rapidly and efficiently.

Key words： railway sand removal vehicle; PLC; design