許 萬(wàn)，趙國(guó)棟，趙大興，李 炯

XU Wan, ZHAO Guo-dong, ZHAO Da-xing, LI Jiong

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

公鐵兩用牽引車也稱陸軌兩用牽引車，是鐵路運(yùn)輸?shù)妮o助動(dòng)力車輛，是一種既能在公路、站臺(tái)等普通路面上行走，又能在標(biāo)準(zhǔn)軌距的鐵路上運(yùn)行，像調(diào)車機(jī)車一樣進(jìn)行牽引作業(yè)的特種工程車輛[1]。一般在調(diào)車作業(yè)過(guò)程中，大批量的調(diào)車作業(yè)主要由調(diào)車機(jī)車來(lái)完成，而小批量的調(diào)車作業(yè)更多的采用公鐵兩用牽引車。對(duì)于小批量的調(diào)車作業(yè)，公鐵兩用牽引車調(diào)車效率更高，成本更低，維護(hù)保養(yǎng)更方便，適用于鐵路檢修站段、工礦企業(yè)、小型貨場(chǎng)等場(chǎng)合的調(diào)車牽引作業(yè)[2]。

傳統(tǒng)的公鐵兩用牽引車大多為內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，噪聲大、尾氣重，不適用于封閉的環(huán)境[3]；以電動(dòng)叉車為基礎(chǔ)改造而來(lái)的公鐵兩用牽引車，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，控制系統(tǒng)安全可靠性不高[4]；液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，無(wú)法實(shí)現(xiàn)反饋，難以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向要求；采用驅(qū)動(dòng)橋，差速器轉(zhuǎn)向，牽引車機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本偏高[5～7]。

本文設(shè)計(jì)的新型公鐵兩用牽引車以電能作為驅(qū)動(dòng)，噪聲小、無(wú)尾氣，節(jié)能環(huán)保能在室內(nèi)、隧道等封閉環(huán)境下工作[8]；使用雙舵輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向單元，簡(jiǎn)化牽引車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高能量轉(zhuǎn)換效率；液壓系統(tǒng)控制導(dǎo)向輪實(shí)現(xiàn)公路模式與鐵路模式的快速轉(zhuǎn)換。引入CAN總線通訊技術(shù)，采用CANopen通訊協(xié)議，以CoDeSys V2.3作為軟件程序開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)牽引車縱向、橫向平移，對(duì)角線平移，圓周轉(zhuǎn)向，橡膠輪手動(dòng)調(diào)直、自動(dòng)調(diào)直，無(wú)級(jí)變速，行車途中的自動(dòng)剎車，橡膠輪調(diào)直和轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確，保證牽引車自由行走，快速到達(dá)指定現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)車牽引作業(yè)。行車途中自動(dòng)剎車功能，防止溜車危險(xiǎn)，確保牽引車作業(yè)安全可靠。整車控制系統(tǒng)穩(wěn)定、準(zhǔn)確，提高了牽引車自動(dòng)化程度，動(dòng)力性能與適用性能。

1 公鐵兩用牽引車結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 公鐵兩用牽引車結(jié)構(gòu)

公鐵兩用牽引車機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底盤，車架，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向單元，液壓?jiǎn)卧?，控制單元。?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向單元由行走電機(jī)，減速箱，轉(zhuǎn)向電機(jī)，轉(zhuǎn)向直齒輪副，橡膠輪組成。液壓?jiǎn)卧捎捅秒姍C(jī)，齒輪油泵，電磁換向閥，萬(wàn)向輪，前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪組成。控制單元由車載無(wú)線接收器，手持無(wú)線遙控器組成。牽引車的傳動(dòng)配置方式為：驅(qū)動(dòng)輪與轉(zhuǎn)向輪合一，橡膠輪既是驅(qū)動(dòng)輪也是轉(zhuǎn)向輪。轉(zhuǎn)向方式為：雙舵輪轉(zhuǎn)向方式。

圖1 公鐵兩用牽引車機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 公鐵兩用牽引車工作原理

在公路模式下，通過(guò)控制車載液壓?jiǎn)卧?，降下從?dòng)萬(wàn)向輪，使得萬(wàn)向輪與地面接圖1公鐵兩用牽引車機(jī)械結(jié)構(gòu)圖觸，起到支撐作用，同時(shí)升起兩側(cè)鐵軌前導(dǎo)向輪、后導(dǎo)向輪，牽引車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖2所示，(a)～(c)兩側(cè)橡膠輪速度均為V1，(d)兩側(cè)橡膠輪速度V1、V2大小相等，方向相反。(a)兩側(cè)橡膠輪調(diào)直，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)橡膠輪，牽引車縱向平移。(b)兩側(cè)橡膠輪左轉(zhuǎn)角度小于90°，轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向直齒輪副，左右兩側(cè)橡膠輪轉(zhuǎn)過(guò)相同的方向和角度，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的橡膠輪，牽引車對(duì)角線平移。(c)兩側(cè)橡膠輪左轉(zhuǎn)到90°，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)橡膠輪，牽引車左右橫向平移，實(shí)現(xiàn)軌道跟換的功能。(d)兩側(cè)橡膠輪調(diào)直,行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)橡膠輪，牽引車原地圓周轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)在狹小空間的調(diào)度功能。(b)左右橡膠輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，可以對(duì)左右橡膠輪分別手動(dòng)調(diào)直復(fù)位。

圖2 牽引車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

在鐵路模式下，通過(guò)控制車載液壓系統(tǒng)，升起從動(dòng)萬(wàn)向輪，同時(shí)降下兩側(cè)的鐵軌前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪，使得前后導(dǎo)向輪嵌入軌道，起到導(dǎo)向作用，防止?fàn)恳嚸撥墶４藭r(shí)兩側(cè)橡膠輪分別自動(dòng)調(diào)直，完成牽引車在鐵軌上的復(fù)軌。行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的橡膠輪以相同的速度在鐵軌上運(yùn)行，此時(shí)牽引車的對(duì)角線轉(zhuǎn)向，圓周轉(zhuǎn)向功能被鎖定，牽引車只能沿著鐵軌行走，實(shí)現(xiàn)牽引功能，最大牽引負(fù)載為100噸。

以上兩種模式實(shí)現(xiàn)了牽引車縱向平移，橫向平移，對(duì)角線平移，圓周轉(zhuǎn)向，橡膠輪的手動(dòng)調(diào)直復(fù)位，橡膠輪在鐵軌上自動(dòng)調(diào)直復(fù)軌。保證了牽引車能自由行走，快速到達(dá)指定現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)車牽引作業(yè)。

2 公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，細(xì)線箭頭表示控制信號(hào)連接，黑色粗線箭頭表示電氣連接，灰色粗線箭頭表示機(jī)械連接。公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括總控制單元，輔助控制單元，電源控制單元，驅(qū)動(dòng)單元，液壓輔助單元。

總控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車載系統(tǒng)的控制。輔助控制單元主要包括手持遙控器，車載接收器，狀態(tài)顯示燈，起到人機(jī)交互的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引車的遠(yuǎn)程遙控，使得對(duì)牽引車的操作更安全，更方便。電源控制單元主要由蓄電池，蓄電池管理單元組成，為牽引車提供動(dòng)力，同時(shí)對(duì)蓄電池起到欠壓保護(hù)，對(duì)整車控制系統(tǒng)起到低壓保護(hù)。驅(qū)動(dòng)單元主要由左右行走電機(jī)，左右轉(zhuǎn)向電機(jī)，左右驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，左右橡膠輪組成，實(shí)現(xiàn)牽引車在公路上的自由行走和鐵路上的牽引。液壓輔助單元主要包括油泵電機(jī)，齒輪油泵，電池?fù)Q向閥，萬(wàn)向輪，前導(dǎo)向輪，后導(dǎo)向輪，實(shí)現(xiàn)牽引車公路模式，鐵路模式的轉(zhuǎn)換，輔助完成牽引車的自由行走和牽引功能。

2.2 控制系統(tǒng)主要硬件選型

1）主控制器:選用專用的車載可編程控制器（PLC），IFM公司的通用系列CR0020可編程控制器。包含兩個(gè)CAN通訊接口，支持CANopen、SAE J1939通訊協(xié)議。共40個(gè)輸入輸出，支持開關(guān)量、模擬量輸入輸出，脈沖量輸入、PWM輸出、電流控制輸出。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向單元：選用KORDEL公司的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向單元，減速箱行走單元的總傳動(dòng)比i=22.78，轉(zhuǎn)向單元的總傳動(dòng)比i=350.27。行走電機(jī)，轉(zhuǎn)向電機(jī)均為三相交流異步電機(jī)，磁極對(duì)數(shù)均為p=2。行走電機(jī)選用的型號(hào)為KM A 132/4-150/3～50V/O，額定電壓50VAC，額定功率5KW，自帶剎車制動(dòng)器，轉(zhuǎn)向電機(jī)選用的型號(hào)為KMA 80/4-60/3～50V/O，額定電壓50VAC，額定功率0.4KW。內(nèi)置溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫度的反饋。

3）行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：均選用ZAPI公司的AC系列驅(qū)動(dòng)器，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ACE2，轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為AC-X。ACE2、AC-X驅(qū)動(dòng)器都內(nèi)置三相交流異步電機(jī)逆變器，CAN通訊接口，速度增量編碼器?？蓪⑿铍姵?0V直流電轉(zhuǎn)換為50V三相交流電，支持CANopen通訊協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度反饋，同時(shí)可對(duì)電機(jī)的加速度進(jìn)行設(shè)置。

4）絕對(duì)值編碼器：選用Baumer公司的多圈總線通訊系列編碼器，型號(hào)GXLMS.2205 P 32。一個(gè)CAN 總線通訊接口，支持CANopen通訊協(xié)議，單圈分辨率為13位，多圈分辨率為16位，總分辨率為29位。直徑12mm的盲孔安裝在轉(zhuǎn)向電機(jī)尾端輸出軸上，實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠輪轉(zhuǎn)向角度的實(shí)時(shí)反饋。

3 公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。控制系統(tǒng)軟件主要由可編程控制器（PLC），CAN總線模塊，行走模塊，轉(zhuǎn)向調(diào)直模塊，液壓模塊組成。整車各模塊之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通訊，采用CANopen通訊協(xié)議。可編程控制器（PLC）作為CAN總線上的唯一主控制器，左右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，左右轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，左右絕對(duì)值編碼器均作為從機(jī)，組成主從通訊模型?？删幊炭刂破鳎≒LC）同時(shí)控制油泵電機(jī)、電磁換向閥。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖

表1 行走電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的理論速度值與實(shí)際速度值

表2 左編碼器和右編碼器的理論位置值與實(shí)際位置值

3.2 軟件系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

CR0020可編程控制器(PLC)程序流程如圖5所示。IFM公司CR0020可編程控制器(PLC)的程序設(shè)計(jì)，以德國(guó)3S公司的CoDeSys V2.3作為開發(fā)平臺(tái)。CoDeSys支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中的六種編程語(yǔ)言，主要分為兩類：文本語(yǔ)言和圖形語(yǔ)言。文本語(yǔ)言包括指令表(IL)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)；圖形語(yǔ)言包括梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)、順序功能圖(SFC)、連續(xù)功能圖(CFC)。CR0020可編程控制器（PLC）程序使用功能塊圖(FBD)和結(jié)構(gòu)化文本(ST)兩種語(yǔ)言相結(jié)合。主程序與各子程序之間形成模塊化的結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)程序更簡(jiǎn)潔，更靈活。

程序初始化，完成可編程控制器(PLC)輸入輸出端口配置，打開手持遙控器面板，頻閃燈開啟，車載喇叭鳴笛5秒，松開剎車制動(dòng)器，牽引車進(jìn)入待機(jī)模式。初始化CAN總線，設(shè)置CAN總線的傳輸速率為250kbit/s。進(jìn)入圓周轉(zhuǎn)向模式，牽引車只能進(jìn)行圓周轉(zhuǎn)向；進(jìn)入平移行走，對(duì)角線轉(zhuǎn)向，調(diào)直，液壓系統(tǒng)開啟模式，牽引車可以平移行走，對(duì)角線轉(zhuǎn)向，手動(dòng)調(diào)直，自動(dòng)調(diào)直，同時(shí)開啟液壓系統(tǒng)。進(jìn)入對(duì)角線轉(zhuǎn)向模式，牽引車橡膠輪只能對(duì)角線轉(zhuǎn)向，不能調(diào)直；進(jìn)入調(diào)直模式，牽引車橡膠輪只能調(diào)直，不能對(duì)角線轉(zhuǎn)向。進(jìn)入橡膠輪手動(dòng)調(diào)直模式，牽引車橡膠輪只能手動(dòng)調(diào)直，不能自動(dòng)調(diào)直；進(jìn)入橡膠輪自動(dòng)調(diào)直模式，牽引車橡膠輪只能自動(dòng)調(diào)直，不能手動(dòng)調(diào)直。

通過(guò)改變?nèi)喈惒诫姍C(jī)的輸入頻率，可對(duì)行走電機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，因牽引車的特殊的工作環(huán)境，將牽引車的平移速度設(shè)定為兩檔，低檔速度3km/h，高檔速度5km/h。在行車途中，將兩側(cè)的行走電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為0，此時(shí)左右兩側(cè)橡膠輪停止運(yùn)行，牽引車自動(dòng)剎車。左右絕對(duì)值編碼器對(duì)左右兩側(cè)橡膠輪轉(zhuǎn)向的角度實(shí)時(shí)反饋，保證兩側(cè)橡膠輪調(diào)直復(fù)位，轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確。

4 測(cè)試結(jié)果分析

牽引車在公路模式空載狀態(tài)下，以低檔速度行走，通過(guò)對(duì)程序在線登陸運(yùn)行監(jiān)控，或者利用監(jiān)控軟件EC2112CANmonitor對(duì)CAN總線進(jìn)行監(jiān)控，可得到左右行走電機(jī)，左右轉(zhuǎn)向電機(jī)的設(shè)定理論速度與實(shí)際反饋速度，測(cè)試結(jié)果如表1所示，左右絕對(duì)值編碼器轉(zhuǎn)向角度的理論設(shè)定值與實(shí)際反饋值，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表1中得出，由于三相交流異步電機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，使得行走電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的實(shí)際反饋速度比理論設(shè)定速度降低了1.6%，而左右行走電機(jī)速度相同，左右轉(zhuǎn)向電機(jī)速度相同，保證牽引車左右橡膠輪協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)自由行走。

從表2中得出，由于左右轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝誤差的存在，控制系統(tǒng)本身存在延時(shí)滯后誤差，使得左右編碼器理論設(shè)定位置與實(shí)際位置存在2°～3°的誤差，但這并不影響牽引車的作業(yè)，左右橡膠輪之間的實(shí)際位置誤差在1°左右，保證左右橡膠輪轉(zhuǎn)向角度的一致，滿足牽引車自由行走和牽引功能的要求。

5 結(jié)論

完成了電動(dòng)公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)搭建，利用CAN總線技術(shù)，運(yùn)用CANopen協(xié)議，以CoDeSys V2.3為開發(fā)平臺(tái)，完成了軟件程序的設(shè)計(jì)以及整車控制系統(tǒng)的調(diào)試。牽引車實(shí)現(xiàn)了縱向平移，橫向平移，對(duì)角線平移，圓周轉(zhuǎn)向，橡膠輪手動(dòng)調(diào)直、自動(dòng)調(diào)直，無(wú)級(jí)變速，行車途中自動(dòng)剎車，橡膠輪調(diào)直和轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確，最終實(shí)現(xiàn)了牽引車自由行走和牽引功能。電動(dòng)公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)安全可靠，操作方便，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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