一种列车双线限界门一体化切换装置及控制方法与流程

本发明涉及铁路设备，具体而言，涉及一种列车双线限界门一体化切换装置及控制方法。

背景技术：

1、在现代铁路立体化、网络化、共线化运营体系中，大量高铁与普速共线车站、客货交汇枢纽、重载货运专线并存，不同类型列车的车体高度、通行荷载存在显著差异，对线路通行限界标准要求截然不同，需配备专用限界切换装置实现线路限界的灵活切换，保障不同车型安全通行。目前行业内传统双线限界切换设备已广泛投入应用，但受限于传统结构设计、锁定原理及驱动控制方案，现有设备普遍存在空间占用冗余、重载定位精度差、断电工况安全隐患、运行稳定性不足等诸多实质性技术缺陷，无法适配现代铁路高密度、重载化、高安全、紧凑型的运营需求，具体技术短板详细分析如下。

2、1.传统设备结构冗余，空间占用量大，场景适配性极差

3、现有常规限界切换装置普遍采用分体式双门体独立布局，针对两种不同通行限界，需单独配置两套独立的门体结构、驱动传动系统与定位锁紧机构，两套设备并列布置、独立运行，整体设备体积庞大、结构冗余、集成度极低。该类结构设计对铁路站台、线路两侧的安装空间要求极高，而多数老旧枢纽、城区紧凑式车站、多线交汇路段的设备安装空间极为有限，传统大体积设备无法适配安装工况，适配场景单一。

4、同时传统门体为固定式刚性结构，无自适应几何变形能力，仅能实现单一固定限界切换，无法兼顾高铁轻载、普速通行、重载货运多工况兼容需求，设备通用性与适配性严重不足，难以适配现代化铁路多元运营场景。

5、2.重载工况定位误差大，传动稳定性差，切换精度与效率不足

6、传统限界切换设备的驱动传动结构多为简易直驱结构、普通标准连杆传动结构，无参数化优化设计与运动轨迹校正机制，结构配合间隙大、刚性不足。在常规轻载工况下可勉强满足基础切换需求，但在30t及以上轴重的重载货运工况下，设备承载载荷大幅提升，传动结构易发生弹性形变、间隙偏移、卡顿振动等问题，直接导致门体切换轨迹偏离理论预设轨迹，定位误差急剧增大。经实测，传统重载切换设备单次切换位置最大偏差普遍≥2mm，重复定位误差≥1mm，定位精度差、稳定性弱；

7、且重载工况下设备切换阻力大，切换耗时普遍达到15~25s，切换效率低下，无法满足现代铁路高频次、快响应、高精度的运营要求。同时传统结构无磨损自适应补偿能力，设备长期运行磨损后，定位误差会持续累积，设备运维周期短、运维成本高。

8、3.传统锁定方式依赖能源维持，断电/失压工况存在重大安全隐患

9、目前行业内限界门锁定机构主流采用电磁锁、电动卡扣锁、液压锁紧等能源依赖型锁定方案，锁止状态必须依靠持续供电、持续液压保压维持，机械自锁能力缺失。在铁路实际运营过程中，极易出现线路突发断电、液压管路泄漏、液压泵站故障、电压波动等突发工况，一旦出现断电或液压失压，传统锁定机构会瞬间解锁、锁止失效，无法保持门体固定状态。

10、受列车通行风压、设备自重、户外风力等外力影响，门体极易发生偏移、晃动、错位，导致线路限界异常，极易引发列车车体剐蹭、设备撞击等重大铁路安全事故，运营安全风险极高。同时传统锁定结构无自动定心功能，锁合精度依赖传动机构定位，适配偏差大，进一步加剧了设备运行的不稳定性。

11、综上，现有技术存在空间利用率低、重载适配性差、锁定可靠性不足、控制智能化与专属化程度低、安全兜底能力薄弱等问题，亟需一种一体化、高精度、高安全、专属化的双线限界门切换方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述背景技术中提出问题，继而提出了一种列车双线限界门一体化切换装置及控制方法。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

3、一种列车双线限界门一体化切换装置及控制方法。该装置包括一体化双通道门体、驱动传动组件、多点自锁定位组件、智能控制组件以及安全保护组件。智能控制组件作为核心控制中枢与其余四者建立双向联动控制关系。一体化双通道门体为限界切换执行主体。驱动传动组件为门体几何变形提供精准动力输出。多点自锁定位组件为门体切换到位后提供无能源依赖的机械自锁定位。安全保护组件为其余四者的运行提供全流程状态监测与异常应急兜底。五者形成中枢控制-动力驱动-执行切换-定位锁止-安全兜底的闭环联动架构以实现单套装置对双线限界的快速、精准切换，适配高速铁路与普速铁路共线车站、货运专线与客运专线交汇枢纽及30t及以上轴重的重型货运铁路线等应用场景。

4、智能控制组件采用plc控制器，信号输入端集成连接位置传感器、力矩传感器、安全传感器、编码器及压力传感器，信号输出端集成连接伺服驱动器、液压控制阀组及锁定装置，实现多部件高精度联动、故障自主诊断与动态自适应调控;

5、所述控制方法通过智能控制组件协同各部件完成双线限界门的切换控制，具体包括以下步骤：首先，系统上电自检，智能控制组件的plc启动自检程序。其次，判断自检是否通过，若存在传感器失效、执行器卡滞或通信线路故障，则触发安全保护并紧急停机；若通过，则读取门体当前位置并接收切换指令确定目标高度。接着，判断门体当前是否处于锁定状态，若是则下发解锁指令并检测解锁到位。然后，根据目标高度计算驱动传动组件的运动参数，下发驱动指令带动一体化双通道门体做几何变形，切换过程中实时同步监测门体位置、姿态及系统负载。随后，判断门体是否到达目标位置，若未到位则动态调整驱动参数，若已到位则停止驱动。之后，控制多点自锁定位组件执行锁定操作，并实时监测锁定力。之后，结合锁定销位置与锁定力综合判断锁定是否到位，若未到位则调整运行参数直至到位，并对门体最终位置及锁定状态进行二次检测确认。最后，将门体的最终状态信息反馈给铁路调度系统，完成切换流程。

6、作为一种实施方式，所述一体化双通道门体由上门板、中门板、下门板通过铰链铰接形成可折叠的可变几何结构，上门板与下门板的尺寸根据双线限界的两种高度要求确定，中门板作为过渡段连接上门板与下门板，各门板的尺寸及铰链的铰接位置经动力学仿真与运动轨迹优化设计，使门体在几何变形过程中无冲击、无振动，且在两种限界高度状态下均满足铁路设备的强度与刚度要求，下门板两侧设与多点自锁定位组件适配的锁定销安装位。

7、进一步地，所述驱动传动组件为多驱动适配结构以适配高速铁路线、普速铁路线及30t及以上轴重的重型货运铁路线，动力驱动部件包括伺服电机驱动单元和液压驱动单元中的至少一种，液压驱动单元适配重型货运铁路线的大载荷切换需求。伺服电机驱动单元包含伺服电机、减速器及编码器。液压驱动单元包含液压泵站、双作用液压缸、液压控制阀组及液压管路。驱动传动组件均配置四连杆机构，四连杆机构包括主动杆、从动杆、连杆和机架，主动杆与动力驱动部件连接，从动杆与一体化双通道门体的下门板固定连接，机架固定在基础框架上。

8、在一个实施例中，所述四连杆机构以门体运动平稳性、定位精度和机构紧凑性为优化目标，经运动学模型分析参数对运动轨迹的影响后确定最优尺寸，主动杆与从动杆长度比为1:(1.1~1.5)，连杆长度为主动杆长度的(1.3~1.8)倍，铰链的初始铰接角度经运动轨迹优化，保证一体化双通道门体的几何变形轨迹与预设轨迹的偏差不大于0.8mm，实现门体平稳切换无冲击。

9、进一步地，所述多点自锁定位组件为所述锁定装置，其包括锥形固定销、与锥形固定销适配的锥形锁定孔、电动机及驱动螺母。

10、锥形固定销的锥角为8°~12°，设有外螺纹并与驱动螺母螺纹配合，驱动螺母与电动机输出轴连接，通过电机旋转带动锁定销轴向移动。锥形固定销与锥形锁定孔锥面配合形成几何自锁结构，具备自动定心、磨损补偿功能，且锁定状态不受外部电源、液压源影响，锥形锁定孔开设在铁路基础框架上。

11、作为一种实施方式，智能控制组件包括plc、传感器模块、驱动模块、通信模块、人机交互界面（hmi）及安全传感器；

12、plc采用多源传感器融合控制策略，控制策略具体可包括卡尔曼滤波、pid控制以及前馈补偿等实现方式，可对多组位置传感器的采集数据进行融合处理，消除测量误差与环境噪声，得到门体的精准位置信息，同时可实现故障自动识别与诊断，负载异常时可控制设备执行紧急停止或反向运动的保护操作；

13、驱动模块包括伺服驱动器和液压驱动器，伺服驱动器与伺服电机驱动单元连接，液压驱动器集成于液压控制阀组中。

14、在一个实施例中，所述安全保护组件包括声光报警模块、紧急停止单元、备用电源、故障检测模块及液压保护元件。备用电源为不间断电源，在外部供电中断时为智能控制组件、传感器及声光报警模块提供持续供电。紧急停止单元可接收智能控制组件的自动触发信号或人工操作信号。液压保护元件包括安全阀、单向阀、液压锁和蓄能器。

15、进一步地，在根据目标限界高度计算驱动传动组件的运动参数的步骤中，智能控制组件采用pid+前馈复合控制策略。

16、门体位置偏差按照下式计算：

17、，其中，为目标限界高度，为门体实时高度，为门体位置偏差值；

18、plc根据位置传感器的偏差数据通过pid算法计算基础控制量，同时根据一体化双通道门体的动力学模型预测门体变形所需的驱动力矩，结合编码器和压力传感器的实时反馈数据，通过前馈控制提前补偿系统惯性和摩擦力，使动力驱动部件的运动参数与门体变形需求实时匹配。液压驱动单元还采用负载敏感控制策略，plc通过压力传感器检测液压缸负载压力，自动调节液压泵的输出流量和压力，使液压泵输出功率与负载需求相匹配。

19、进一步的，所述步骤s8中为提高锁定状态判断的可靠性，采用多传感器融合验证方式对锁定结果进行综合判定，其计算公式如下：

20、；

21、其中，为锁定有效性评价值；为位置检测结果；为力矩检测结果；为压力检测结果；

22、、、为对应权重系数，且满足++=1；

23、当大于预设锁定阈值时，判定门体锁定成功，否则执行二次校验或重新锁定操作。

24、进一步的，所述步骤s5在驱动传动组件带动一体化双通道门体做几何变形的过程中，智能控制组件的plc将力矩传感器采集的驱动系统负载数据、压力传感器采集的液压压力数据、编码器采集的电机转速数据与各自预设阈值进行实时比对，若任一数据超出预设阈值且持续时间大于0.3s，立即执行以下联动操作：

25、①控制驱动传动组件的动力驱动部件降低运行转速/速度，减小输出动力，避免设备过载损坏；

26、②触发安全保护组件的故障检测模块，对一体化双通道门体的铰链铰接处、驱动传动组件的四连杆机构、动力驱动部件进行实时故障诊断，定位负载异常的故障原因；

27、③将负载异常信息、故障诊断结果同步发送至铁路调度系统，并在智能控制组件的人机交互界面（hmi）进行显示，提醒运维人员处理；

28、④若故障诊断结果为非卡滞类轻微异常，plc根据故障类型动态调整动力驱动部件的运动参数，继续完成限界高度切换；若为卡滞类严重异常，立即控制动力驱动部件停止动作，并触发安全保护组件的紧急停机，同时控制锁定装置执行临时锁止操作，防止门体因外力发生位移；

29、若因负载异常调整动力驱动部件运动参数并完成门体切换，所述s6中plc将提升位置检测的比对精度，将门体实际位置与目标位置的偏差阈值缩小50%，通过多组位置传感器多维度验证门体位置；

30、步骤s7中plc将预设锁定力阈值提高20%-30%，并延长力矩传感器的锁定力监测时间至3s，确保门体在负载异常后仍能实现精准、可靠的限界切换与锁定；

31、步骤s8中二次检测确认时，增加锁定力的复检测试和压力传感器的系统保压检测，plc综合位置、力矩、压力三重数据判定锁定有效性，使装置在非严重故障工况下无需停机即可完成切换操作，提升装置的连续运行能力和恶劣环境适应性，装置整体切换时间可缩短至12秒内，位置控制精度不大于1.5mm。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

33、1.本发明通过一体化双通道门体、驱动传动组件、多点自锁定位组件、智能控制组件和安全保护组件五者构成闭环联动架构，实现了单一装置对双线限界高度的快速切换。一体化双通道门体作为可变几何结构，将传统上需两套独立系统实现的功能集于一体，极大地优化了空间占用，降低了成本。

34、2.针对现有驱动传动系统切换时间长、精度低的问题，本发明采用多驱动适配结构并配置经运动学优化的四连杆机构，结合智能控制组件中的pid+前馈复合控制策略，能有效补偿系统惯性和摩擦力，从而实现门体切换过程平稳无冲击，并将整体切换时间缩短至12秒内，位置控制精度提升至不大于1.5mm。

35、3.针对现有锁定机构可靠性不足的缺陷，本发明的多点自锁定位组件采用锥面配合的几何自锁结构。该结构在锁定到位后无需外部电源或液压源维持，显著降低了断电解锁的安全隐患。同时，锥面配合的自动定心和磨损补偿功能，保证了长期使用下的锁定精度和可靠性。

36、4.针对现有控制系统智能化程度低的问题，本发明的智能控制组件集成了多类传感器和先进控制算法，依托plc实现多维度状态监测、数据融合及高精度控制。特别是其具备的故障自动识别诊断能力，以及在检测到负载异常时能执行的多级联动处理策略，使装置在非严重故障工况下无需停机即可完成切换，显著提升了设备的连续运行能力和恶劣环境适应性。

37、5.本发明集成了完善的安全保护组件，包括不间断电源、紧急停止单元和专用液压保护元件，为装置提供了从供电、驱动到执行的全流程安全兜底。配合高防护等级的元件，使装置的整体故障率降低，能够在雨雪、灰尘、振动等恶劣环境下稳定运行。

38、6.对于采用液压驱动的配置，本发明应用的负载敏感控制策略能够根据实际负载压力自动调节液压泵输出，使输出功率与负载需求相匹配，从而显著降低了能源损耗和液压油温升，提升了系统能效并延长了液压元件的使用寿命。

39、本发明的核心在于可变几何门体、参数优化四连杆机构及无能源依赖锥面自锁结构的协同设计，实现单套装置完成双线限界切换。