牵引电机联轴节自动装配系统设计及实现

刘金鹏,周 浩,金 铭

武汉地铁运营有限公司,湖北 武汉 430000

0 引言

地铁列车联轴节装配在牵引电机驱动端和齿轮箱之间,负责传递牵引电机的驱动力,起着至关重要的作用。在大架修时,需对牵引电机联轴节进行拆装维护[1]。

目前联轴节压装采用的是轴向力和径向力相互配合的人工压装法,即人工操作油泵控制油压径向力来扩张联轴节,控制油压轴向力来压装联轴节。此过程工艺要求高、操作难度大,径向压力、轴向压力过大或者过小都会造成压装失败,甚至损伤孔轴压装面,对列车的运营留下安全隐患。针对目前联轴节压装设备的不足,本文提出一种基于PLC的牵引电机联轴节自动装配系统,可实现自动化快速组装、拆卸,同时避免人为因素导致的安装精度差,降低联轴节和轴的划伤、联轴节与轴的蠕退风险。

1 系统总体设计方案

联轴节与电机轴采用锥度过盈连接,装配过盈量在0.19～0.22 mm,压装时要求用高压油胀开联轴节,再用中空油缸将联轴节压入轴中,保压30 min,压装精度在0.1 mm之内。联轴节压装时,将高压油输油螺杆拧紧在轴端孔中并套上止推垫圈;安装中空油缸并用螺母锁紧;在高压油输油螺杆另一端连接高压泵。工作时高压泵开启输出190 MPa左右高压油将联轴节胀开,并使联轴节与轴表面之间充满润滑油液防止划伤,再开启低压泵,低压泵提供40 MPa左右的高压油驱动中空油缸将联轴节压入轴上[2]。

本设备由液压系统、测量系统、控制系统、操作控制等部分组成。其中,液压系统主要包括油泵、单向阀、精密过滤器、电磁换向阀、比例溢流阀等;测量系统主要包括位移传感器、压力传感器等;控制系统主要包括PLC、增/减压开关、启停按钮、急停按钮等;操作系统主要为触摸屏人机交互界面。PLC实时分析压力、位移传感器采集的压力泵的输出量和联轴节的位移量,进而对继电器和电磁阀按照设定的拆装流程进行精确闭环控制。触摸屏与PLC之间采用网口通信完成操作指令下发和过程数据显示。设备整体为可移动柜体,高压泵及控制阀件安装在柜体内,电气控制部分集成在柜体上部操作面板上。

牵引电机联轴节自动装配设备如图1所示。

图1 牵引电机联轴节自动装配设备

2 液压系统设计

自动装配设备液压系统如图2所示,图中左侧为液压控制部分,右侧为前端压装工装部分。比例溢流阀用于增压、调整油泵压力;电磁换向阀用于控制油路的切断和导通;液压增压器用于将0～20 MPa压力放大为一路最高200 MPa、一路最高68 MPa,分别作用于联轴节压装的径向和轴向。

1—箱体;2—油泵电机;3—联轴器;4—双联油泵;5—为精密过滤器;6—单向阀;7—压力传感器;8—压力表;9—比例溢流阀;10—电磁换向阀;11、12—增压器;13—压力表;14—压力传感器;15—压力表;16—压力传感器;17—直通针线。

高压液压泵提供设备所需的压装力,在电磁换向阀的控制下控制压装力的大小,按照设定参数完成主压油缸的压装动作。设备启动后,电磁换向阀10打开导道,高压液压油进入压装工装的管路,达到所需压力后,电磁换向阀截止保压;若压力过大则电磁换向阀泄压,下降到所需压力时电磁换向阀截止。机械式压力表便于操作者观察。在工作过程中液压回路压力最高达到190 MPa的超高压,油泵、电磁换向阀、压力表、管路及接头均满足200 MPa的使用要求。其主要零部件型号参数如表1所示。

表1 液压系统主要零部件

3 控制系统设计

本设备采用西门子S7-1200 1214 DC/DC/RLY紧凑型PLC,PLC电源采用西门子PM207 3 A,交换机采用西门子SCM1277,人机交互系统(HMI)采用威纶通MT8106iP型触摸屏。触摸屏与PLC之间采用基于以太网的自动化总线标准(PROFI NET)读取PLC中的数值并显示。

系统可实现全自动操作模式和手动操作模式。①全自动操作模式。系统按照设定参数自动完成整个测试过程,过程中无须人工干预。测试时可在显示屏上查看生成的压力曲线、时间等参数。②手动操作模式。通过设备操作面板径向(加压/泄压)自复位旋钮、轴向(前进/后退)自复位旋钮,操作控制径向/轴向压力完成联轴节装配。表2、3为部分PLC输入输出点位分配表。

表2 部分PLC输入点位分配表

表3 部分PLC输出点位分配表

联轴节压装的过程可分为以下阶段。

1)增大径向张力至50 MPa,相应增大轴向推力。

2)增大径向张力至100 MPa,相应增大轴向推力。

3)增大径向张力至150 MPa,相应增大轴向推力。

4)增大径向张力190 MPa,相应增大轴向推力。

5)位移传感器监测压装到位后,径向泄压,轴向推力保压30 min后泄压。

触摸屏可以监视系统压力、位移数据,并进行参数设定及上传。操作台通电后触摸屏会亮起,待触摸屏运行程序工作正常后会,点击触摸屏任意位置可跳转至操作画面。

操作界面如图3所示。操作画面会显示系统当前状态,例如径向(轴向)油缸当前压力、轴向油缸当前位置、径向(轴向)系统当前压力、当前自动步骤等,并且可以设置径向(轴向)油缸工作压力值。

图3 操作界面

4 系统实现及应用

设备操作面板及实物操作如图4、5所示。图4中,“急停”为自锁按钮,当运行时出现紧急状况可拍击此按钮用以停止油泵,液压系统会处于卸压状态,若在自动运行状态下按下则会强制结束自动运行并停止电机的运行;“试验开始”为复位按钮,当试验台具备自动运行条件时可以按下此按钮开始自动运行程序,当再次按下此按钮则停止自动运行;“径向加压、卸压”为选择复位开关旋钮,当油泵运行方向正常并且设置好了相应压力参数后,可以通过操作此旋转对径向油缸进行加压或卸压操作(即油缸的伸出或缩回)。本项目在武汉地铁11号线经过大量压装、拆卸实验,论证了本设计的实用性。

图4 设备操作面板

图5 实物操作

5 结束语

经过大量试验验证,设备压力控制准确,有效避免了孔轴损伤及联轴节蠕退问题,具有可靠性;省去人为反复确认压力、测量压装量及反复压手柄动作,具有高效性;一键操作,降低操作人员技能需求,具有易操作性;设有急停和高、低压泵手动泄压功能,具备安全性。