4车翻车机压车器故障分析及改造措施

周 祥

（神华黄骅港务公司，河北沧州 061113）

4车翻车机压车器故障分析及改造措施

周 祥

（神华黄骅港务公司，河北沧州 061113）

黄骅港4车翻车机在运行过程中经常出现的压车梁抬起到位（打开状态）和压下到位（关闭状态）信号不稳定故障，影响设备的正常运行。针对现场实际情况，利用有限元数值模拟方法对变形过程进行模拟分析并提出解决方案，降低设备故障率，保证设备的稳定运行。

翻车机；压车梁；信号检测装置

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.51

0 引言

翻车机是一种大型、高效的机械化卸车设备，用于翻卸铁路敞车。目前它是我国港口煤炭装卸运输中广泛采用的一种卸车设备。黄骅港3级4卸车系统由4台4车式翻车机组成，额定翻卸能力25次/h（8000 t/h），能接卸万t级重载列车。

1 翻车机压车系统结构及工作原理

翻车机翻卸形式为O形转子式，工作过程中由重车调车机牵引一节满载敞车准确定位于翻车机的平台，压车臂下落压住敞车两侧车帮，靠车板在液压缸的推动下靠向车皮一侧，然后在减速机的驱动下进行翻卸。

图1所示为压车梁结构。压车系统是翻车机的重要机构，是确保平台上重车翻转安全的重要保障，一套翻车机设有16组压车装置及4套靠车装置。翻车机翻转前要求所有的压车、靠车装置能够可靠地固定车厢。其中压车器的作用是在翻车机翻转作业中，保证车皮在翻车机平台内为压紧状态，压车臂作用于车皮顶部。黄骅港4车翻车机系统中，每节车皮上有4个液压控制的压车器压住火车车皮，压车臂的抬起和压下动作由一个液压系统统一控制，压车臂抬起时，称为打开状态，压车在液压控制压下到位时，称为关闭状态。每套压车梁都有相应的关闭和打开信号，这些信号是进行翻车作业的必要条件，但在实际生产作业时，如果压车装置在翻车机翻转过程中，16套压车装置及信号检测装置不稳定，将严重影响作业效率及设备安全。

图1 压车梁结构

随着计算机技术的日益普及，计算机工具在提高社会生产力方面发挥了越来越重要的作用，特别是CAD/CAE/CAM在工业界的日益成熟和普及，极大地提高了工业设计和生产效率。有限元分析技术已经发展成为计算机辅助分析CAE的核心，用CAE方法可以减少或避免物理测试过程，通过计算机模拟最恶劣载荷和工况下零件或结构的工作情况，准确地计算应力应变，使产品在设计阶段就能评估数学模型的各项性能，及早发现问题，缩短设计开发周期。数值模拟方法在机械装置模拟研究方面的分析有着自己特殊的优势，它只需要建造与实际相符的三维模型，然后导入有限元分析软件内进行模拟运算，就可以在提供在装置变形过程中的各个物理量的详细数据及变化趋势。

2 问题

2.1 翻车机压车臂下压到位信号不稳定

翻车机压车梁压车到位信号装置有两种，靠车板侧如图2所示，非靠车板侧如图3所示，该装置是确认压车梁压下到位的信号检测装置。当压车梁压下到位时，压车信号检测板被接近开关检测到，确认压车梁已经压车到位。这时翻车机才可以正常作业，否则如果翻车机控制系统没有检测到该信号，说明压车梁没有压到位，此时翻车机翻车作业火车就有脱轨危险。因此，程序中规定没有检测到有压车信号不允许翻车作业。

2.2 翻车机压车臂抬起到位信号不稳定

图2 靠车板侧压车梁压下信号检测装置

图3 非靠车板侧压车梁压下信号检测装置

翻车机将平台内重车翻卸完成后，压车臂需要抬起，靠车板收回，并有相应的检测开关，以保证压车臂和靠车板已经抬起和收回到位。如在压车臂和靠车板不到位的情况下牵引下一节车皮进入翻车机平台，车皮与翻车机机械结构相撞将导致事故的发生。因此，压车臂抬起信号的稳定是保证顺利进行下一个作业循环的关键因素。

翻车机原始设计中，压车梁抬起信号检测装置均将检测开关的感应挡铁焊接在压车梁主钢结构上，设备使用初期滑道压车梁与滑道的间隙较小，位置感应挡铁按照与接近开关感应距离进行布置。长期作业过程中，由于压车器动作频繁导致滑道磨损，压车梁与滑道的间隙变大，造成压车梁动作过程中晃动较大，翻车过程中接近开关和被检测的钢结构距离较近，导致抬起误信号的出现，同时由于PLC程序中安全保护的连锁控制，一旦出现误信号，设备立即停止翻车机，严重影响正常翻车作业。

3 原因分析

3.1 理论分析

黄骅港4车翻车机正式运行以来，经常出现的翻车机压车梁压下信号故障主要有2种。

（1）发生在翻车机非靠车板侧，主要是由于该检测装置在压到位时，检测杆没有压到火车车皮的中心，导致压车梁压下信号检测装置压到车皮后，检测杆压偏，检测装置内轴发生严重塑性变形，检测开关将一直处于被触发状态，出现误信号。

（2）发生在靠车板一侧，技术人员现场考察后发现在火车车皮上的煤较多时，压下装置被煤垫起，杆内弹簧压到极限后轴向仍受较大的力，同时轴杆下压中心与所压到车皮位置有一定的距离，检测杆压偏。

3.2 有限元模拟仿真

（1）对靠车板侧压车到位信号检测装置进行模拟分析。利用有限元分析软件Deforn-3D对整个压车梁下压过程中的受力及变形过程进行模拟分析，由于Deform-3D软件不具备较强的三维模型造型功能，采用三维建模软件pro/e进行压车梁检测结构的三维模型的建立，并保存为STL文件格式，通过Deform-3D软件的前处理器的模型输入接口得到有限元软件中。

如图4所示，根据现场实际情况对靠车板侧压车梁检测装置进行模型建立同时导入进有限元软件中，将进行受力分析的杆件划分为18 248个单元。模拟温度设置为20°C，收敛法为牛顿迭代法，干涉深度为单元体边长相对0.6长时。压下装置内压杆材料分别选用45#钢，因此在软件中选用和这种钢物理性能相似的材料分别为AISI-1045COLD[70F(20C)]。模拟过程中其他部分设置为刚体。

按照现场实际情况模拟当靠车板侧压车梁下压到极限位置后继续下压，图5为该杆内金属流动图，显示轴两端变形严重，与现场轴发生塑性变形情况基本一致。因此，可以判断该轴上端弹簧在压下过程中已被压至极限，杆继续受轴向力发生塑性变形，导致压车到位检测信号出现故障。

（2）对非靠车板侧的压车梁压下到位信号检测装置进行数值模拟分析。图6为三维模型导入有限元分析软件后的图形。

技术人员现场考察后发现在火车车皮上的煤较多，导致压下装置被煤垫起，在杆内弹簧压到极限后轴向仍受较大的力，同时轴杆下压中心与所压到车皮位置有一定的距离，导致检测杆压偏，因此推断检测杆发生塑性变形是检测信号出现故障的直接原因。

压下装置内弹簧压到极限位置后，压杆继续承受轴向方向的力，超过屈服极限后发生塑性变形，模拟发现该杆在轴端变形较大。中间轴在软件模拟过程中的某一时刻的应力分，在压车梁下压过程中检测杆由于所压位置没有压在轴部正下方，导致左侧受力较大，当压杆压车极限位置处后，继续下压，导致中间轴杆发生塑性变形，发生塑性变形后轴端部应力值较大，见图7。

图4 靠车板侧三维模型

图5 压杆金属流动

图6 非靠车板侧三维模型

图7 压杆应变分析

图8显示检测杆已发生变形，轴部出现弯曲，状况与现场轴发生塑性变形情况一致。由此可以判断该轴变形原因是由于轴上端弹簧在压下过程中已被压至极限，继续受轴向力测杆发生塑性变形；由于轴发生变形，在压车装置的轴套中卡死而无法再弹出，接近开关一直处于被触发状态，最终导致翻车机作业停止。

4 改造措施

4.1 压车臂下压到位检测装置

（1）改造靠车板侧压车到位信号检测装置。改造后的靠车板侧压车到位信号检测装置将弹簧安装在轴杆外侧，而不是在原来装置轴的顶部，如图9所示。因此不会再出现由于检测杆压到车皮上的煤，引起轴杆压缩弹簧到极限位置后继续受力变形的问题。同时新检测装置采用开放式结构，可以防止套筒内进煤卡煤故障的发生，改进后的结构更便于检修人员检查更换弹簧。

图8 压杆弯曲变形

图9 改造后压车梁压下信号检测装置

新式压车梁压下信号检测装置在压车梁下压时，装置压下信号检测杆将压在车皮上，轴将向上运动，上部弹簧被压缩，当检测板达到接近开关位置处时，接近开关将信号传回PLC模块，此时确认已压车到位；翻车机作业完毕后压车梁抬起，弹簧释放，检测杆恢复到初始位置。

（2）改造非靠车板侧压车梁检测装置。①将压车信号检测装置向翻车机平台内侧平移10 cm，保证压车梁在下压过程中不会压偏。②由于于火车定位不准经常造成压车梁压到火车四角角铁上，导致压车梁低位信号丢失；由于在于压车梁压弹装置设计结构弹性不够，造成压车梁经常回弹不到位。对此，将压弹装置处圆管更换为“T”形铁，既减少了压到火车车厢两侧的接触面积，又可以集中“T”形铁应力压碎车帮处积煤，减少信号丢失故障的发生。

4.2 臂抬起到位检测装置

原始设计压车梁的位置检测装置均将检测开关的感应挡铁焊接在压车梁主钢结构上，在设备使用初期由于滑道压车梁与滑道的间隙标准为6 mm，位置感应挡铁按照与接近开关感应距离4 mm进行布置，长期作业过程中由于压车器在液压缸的拉动下频繁的做伸缩动作，由于动作频繁导致滑道磨损，压车梁与滑道的间隙变大，最大可达到20 mm，且由于翻车机的交变应力作用，导致部分滑道紧固螺栓松动，造成压车梁动作过程中晃动较大，特别是向下压车过程中由于晃动原因常将接近开关切断，其次，在翻车机作业过程中由于晃动造成信号丢失，导致自动循环中断，严重影响翻车机作业效率。由于出现故障次数较多，维修耗费大量人力物力，维修需由技术人员登上翻车机或进行封点监护作业，存在较大安全风险。

如图10所示，改进后的新型压车梁中抬起到位信号检测装置由两种粗细不同的镀锌钢管、感应挡铁、油缸卡环、接近开关支座等部件组成，其中DN25镀锌钢管为机械结构的导轨，沿管道长度方向开有1个10 mm的通槽，利用2个卡环将钢管固定在压车器油缸缸筒上；DN15镀锌钢管为此机械结构的执行机构，在合适位置焊接1块8 mm厚的感应挡铁，利用卡环将其固定在压车器油缸的缸杆上，并沿导轨开槽插入导轨（DN25镀锌钢管）中，使其能在导轨灵活运动。使压车梁上下动作，分别在压车梁高、中、低3个位置感应挡铁的对应位置设3个接近开关支座（可利用卡环固定在液压油缸钢筒上，也可根据现场实际情况在固定位置焊接接近开关支座），由于液压油缸钢筒和活塞的间隙精度，不存在晃动问题，解决信号不稳定问题。

4.3 压车臂钢结构

改造前设备运行一段时间后经常出现部分压车梁晃动情况，这种情况的发生一方面会导致压车信号的丢失，影响卸车效率。同时，设备也存在一定的安全隐患。改造前定位块装置如图11所示，现场检查发现压车梁晃动原因是内部定位块松动造成。定位块由沉头螺栓安装在压车梁框架内部，如果要紧固松动的定位块螺栓，必须要先将压车梁钢结构与下面连接的液压油缸脱开，然后再将压车梁整体吊出，同时由于有些定位块安装在压车梁钢结构的中间部位，无法进行紧固。

改造后定位块装置如图12所示，新式压车器定位装置为整体结构，将定位块的沉头螺栓安装在接近框体上端和下端，同时在压车梁钢结构框体上焊接定位槽，使定位块只能在定位槽内移动，保障了定位块的稳定性，解决原来压车器定位块无法紧固的问题，同时当定位块出现磨损时易于更换。

图10 改造后的压车梁抬起到位信号检测装置

图11 改造前压车梁定位块

4.4 压车信号检测装置挡板

图12 改造后压车梁定位块

黄骅港务公司4车翻车机每个压车器的顶端都有1个接近开关，用来控制闭端压车器的关闭信号，每次翻车机翻车时，物料都会冲击闭端压车器顶端接近开关的连接电缆，电缆磨损严重，翻车机频繁出现压车器没有关闭信号的故障。现场发现压车梁的接近开关经常多次没有信号，查看接近开关连接线已断。于是在原来的接近开关前端焊接铁板，竖直焊接厚8 mm，长宽均为500 mm的钢板，并且在钢板一侧焊接2个三角形钢板，用来加强整个防砸装置的刚度和强度，防止煤炭翻卸时砸到接近开关，同时将接近开关连接线缩短到铁板内，用夹子固定，防止开关活动。翻车机翻车时，物料只会冲击压车器信号线的钢板，保护了接近开关的连接电缆，提高设备稳定性，保证设备的良好运转，提高生产作业效率。

［1］李春亭.三车翻车机主钢结构的有限元仿真分析和优化［J］.铁道车辆，2004，（9）：7-9.

［2］王金福，李继.翻车机卸车系统的改进［J］.起重运输机械，1999，7（11）：33-35.

［3］张凡华.翻车机设备选型分析［J］.华电技术，2008，30（6）：57-60.

TG378

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〔编辑 李 波〕