随着中国铁路技术的发展，动车交通网络已经成为中国重要的交通动脉，同时为了合理分配动车的不同级别检修，在国内七个重要城市设置了动车段，分别为沈阳动车段、北京动车段、西安动车段、上海动车段、武汉动车段、成都动车段、广州动车段。其中，动车转向架在动车拆解后和检修完成后采用立体仓库进行存储，可以节省空间，同时可提高转向架的调度效率。

本文所述动车转向架立体仓库系统采用国内独有的重载四立柱堆垛机，该产品获得北京市科委落地转换项目奖励，为中国动车段智能装备产品提供了一种有效的解决方案。

如图1所示，动车转向架立体仓库的机械硬件系统主要由带平行双轨道的基坑、移轨车、四立柱堆垛机和货架组成，其他附属控制系统有配电柜和监控柜。移轨车和堆垛机在基坑的双轨道上行走；移轨车顶上安装对接轨道，用来接通基坑两侧的轨道，方便转向架通过；堆垛机的载货台可以跟随堆垛机沿着基坑轨道前后运行，同时，还可沿着四根立柱实现升降动作，在载货台上的搬运器实现对转向架的搬运。货架布置在基坑的两侧，可以设置为多层，每个货位设置为平行轨道，带有前后止挡，在前后止挡之间存放转向架。

由于需要搬运的转向架属于重载物品，无法采用传统货叉进行插取。根据转向架的四轮可以滚动的结构特点，采用对轮子进行推拉的方式移动转向架，图2所示为载货台搬运器的结构图。

图1 转向架立体库系统构成总图   下载原图

1.堆垛机2.库口轨道3.移轨车电气柜4.巷道地沟5.总电源柜6.移轨车7.监控机8.堆垛机电气柜9.货架10.地轨

图2 载货台搬运器结构图   下载原图

1.轨道2.楔形端头3.货叉4.提取器5.伸缩小轮6.机械止挡

可以看出，载货台上配置了两条轨道，每条轨道的端头安装了楔形块，可以以载货台为中心左右伸缩与入库口轨道、货位轨道定位对接。货叉作为提取器的移动轨道，也同样可以以载货台为中心携带提取器左右伸缩；提取器设置了四组移动轮，卡在货叉的两根横梁上左右移动；同时提取器设有四个伸缩小轮，具有伸缩和夹紧的功能。在其中一根轨道的一侧安装两台电动机械止挡，止挡块可以伸过轨道，形成止挡空间，将转向架卡在载货台正中间。

提取器的伸缩轮有3种状态：伸缩小轮在松开且缩回状态、伸缩小轮松开且伸出状态、伸缩小轮夹紧且伸出状态，如图3所示。提取器需要移动到转向架前后轮对之一的正下方，通过伸缩轮来夹持轮对的两侧边缘，实现对转向架的推拉产生移动。

提取器只有在载货台轨道与入库口轨道、货架轨道对接时才能沿着伸出的货叉移动到转向架的正下方夹取轮对。在提取器的四只伸缩轮侧面皆安装光电开关，用来检测提取器是否移动到转向架轮对下方、确定是否可以伸出伸缩轮、是否夹紧转向架轮对到位。图4所示为提取器从外侧夹取转向架轮对的过程：提取器首先向转向架高速移动，此时提取器伸缩轮处于缩回且松开的初始状态；当提取器正对转向架的两个伸缩轮光电开关被轮对边缘遮挡时，表明提取器已经进入到转向架下方，提取器以低速继续向前移动；当正对转向架的两个光电开关扫过转向架轮缘直到完全露出且远离转向架的提取器伸缩轮光电开关还没有被轮对轮缘遮挡时，提取器停止移动，此时提取器的伸缩轮正好停在轮对的正下方，伸出伸缩轮并加紧轮对，直到四只光电开关均到达轮缘，此时表明加紧到位，完成对转向架轮对的夹持，提取器此时可以对转向架进行推拉动作。

图3 提取器伸缩小轮的俯视与侧视图   下载原图

图4 提取器在转向架外侧夹取的过程示意图   下载原图

1.提取器2.转向架3.转向架前轮对4.转向架后轮对

机械电动止挡的作用是当转向架被提取器拉到载货台轨道正中间时，电动止挡在转向架前后轮对的外侧伸出形成止挡区间，将转向架限制在此区间内，防止堆垛机在运行过程中或者提取器更换夹持轮对时转向架从载货台滑落。如图5所示，两个电动止轮器可以单独控制，当转向架准备拉至载货台上时，首先远离转向架的电动止轮器伸出，等转向架被拉到载货台中间位置另一个止挡伸出。

图5 电动止轮器与提取器配合在入库口取转向架过程示意图   下载原图

1.止轮器楔形止挡块2.载货台轨道3.提取器4.入库口轨道5.撒沙器、排障器6.转向架前轮对7.转向架后轮对8.止轮器

转向架入库时，操作员点击上位机监控软件中“入库”按钮，地基坑内的移轨车移动到巷道基坑的端头，给堆垛机让出位置，堆垛机移动到库口，载货台轨道伸出与入库口轨道对接，远离轨道对接一侧的电动止轮器伸出，人工将转向架推入到载货台中部，抵住伸出的止轮器后操作员在点击“准备入库”按钮，另一个止轮器伸出，将转向架卡在两个止轮器区间内；提取器自动从载货台中间开始向轮对移动进行夹取，根据所要存取的货位方向不同，提取器夹取远离货位方向的轮对，同样按照库区夹取转向架的流程，靠提取器的光电开关来定位进行夹取后入库口取货完成。堆垛机载着转向架向货位区移动，到指定的货位对准后，载货台轨道伸出与货位轨道对接，同时打开货位端头的安全锁；然后靠近货位一侧的载货台电动止轮器缩回，货叉与提取器相对静止同步将转向架推入货位，货叉伸出到位后，提取器沿着货叉横梁继续往货位内移动，将转向架完全送入到货位抵住货位后止挡块，提取器伸缩轮松开缩回，货叉与提取器相对静止同步缩回载货台中位后，提取器再沿着货叉横梁移动到载货台中位，最后载货台轨道缩回中位，另一个载货台机械止挡缩回，完成入库过程。

转向架出库时，操作员在上位机监控软件中填写指定的货位信息，点击“出库”按钮，堆垛机在待机状态下移动到指定的货位对准，载货台轨道伸出与货位轨道对接并打开货位安全锁，同时远离货位一侧的载货台电动机械止挡伸出，货叉与提取器相对静止同步向货位伸出，货叉伸出到位后提取器沿着货叉横梁继续向货位转向架移动，按照图4所示的过程夹取转向架轮对，货叉与提取器相对静止同步将转向架向载货台拉动，货叉到达载货台中位后，提取器继续将转向架完全拉入到载货台后另一个电动止轮器伸出将转向架限制在止轮器区间内，最后载货台轨道缩回中位完成库区取货过程。堆垛机载着转向架移动到出库口后，根据出库口与提取器所在的方向，决定提取器是否需要更换夹持轮对方向，如果提取器与出库口在不同的方向，则可以直接在出库口执行出库动作；如果提取器与出库口方向在同一侧，提取器需要先更换夹持轮对的方向，再执行出库口的出库动作；库口出库时，载货台轨道先伸出与库口地面轨道对接，轨道对接一侧的电动止轮器缩回，提取器推着转向架向库口轨道移动，直到提取器移动到端位后停止，此时转向架已经将载货台大部分推出并停止在对接轨道处，提取器松开伸缩轮并缩回到位后移动回到载货台中位，此时转向架可以沿着地面轨道运往其他工位，转向架离开载货台后操作人员在监控机软件界面点击“出库完成”按钮，载货台轨道缩回中位，另一个电动止轮器缩回，回到设备待机状态。

本项目采用上位机集中管理、下位设备单独控制的方式进行控制。上位机管理系统含有监控软件和数据库管理软件，通过电脑工业以太网卡与无线发送模块连接，在移轨车与堆垛机上分别设置独立的PLC控制电气柜：移轨车电气柜安装在移轨车下横梁处，为方便操作，在栏杆处设置操作面板箱，可以手动、自动控制移轨车前进后退；堆垛机电气柜安装在侧面踏板处，电气柜面板设置触摸屏，可以手动、自动操作堆垛机动作。分别在移轨车电气柜、堆垛机电气柜顶部安装无线接收模块，与各自的PLC连接，实现上位机与设备之间的工业无线组网，如图6所示。

图6 上位机与设备间无线组网示意图   下载原图

移轨车的动作比较单一，只具有前进、后退功能，可以分别与巷道内的入库口轨道、货位区轨道对齐，在堆垛机出故障的情况下，可以通过移轨车移动到货位区，人工取出一层货位的转向架。如图7所示，移轨车采用激光测距检测位置，使用变频器驱动电机，以保证移轨车的精确定位。

图7 移轨车控制系统结构图   下载原图

堆垛机的动作比较复杂，除了具有前进、后退、上升、下降基本功能外，还有载货台轨道、货叉、提取器、电动止轮器的配合动作。其中，升降方向、运行方向采用激光测距定位；货叉采用编码器定位，提取器采用“编码器+光电开关”定位。图8所示为堆垛机控制系统结构图。

图8 堆垛机控制系统结构图   下载原图

转向架立体仓库作为动车、地铁检修线的重要存储设备，需要使用高精度重载堆垛机技术进行存储，目前在国内七大动车检修基地都建设有转向架立体仓库，为中国高铁检修设备重载存储提供了有效的解决方案。该立体仓库方案可以移植到类似四轮重载物品的存储应用中。