楊 亮，柴雪松，金 花，暴學(xué)志，潘 振

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車跟隨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 亮1，2，柴雪松1，2，金 花1，2，暴學(xué)志1，2，潘 振1，2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車通過曲線時(shí)，如不主動(dòng)控制，安裝在儀器車車底的剛度檢測架與軌道之間會(huì)有偏移，當(dāng)曲線半徑很小時(shí)，剛度檢測架上的激光位移傳感器就會(huì)超出量程，造成曲線地段軌道剛度無法測量。為此，設(shè)計(jì)了剛度檢測架跟隨系統(tǒng)。本文介紹了跟隨系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制軟硬件設(shè)計(jì)。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車上。

移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車 軌道剛度 跟隨系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車是由中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所研發(fā)的新型軌道檢測車輛。它能在運(yùn)行中對(duì)軌道施加載荷，模擬列車運(yùn)行時(shí)與軌道之間的相互作用，通過測量鋼軌位移來計(jì)算軌道的剛度［1］，找出軌道病害位置。移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車由兩節(jié)車組成(圖1)，一節(jié)為動(dòng)力車，一節(jié)為儀器車［2-3］。兩車車底中部的剛度檢測架上安裝有激光位移傳感器，加載車工作時(shí)激光位移傳感器實(shí)時(shí)檢測鋼軌的位移，以輕車測得的位移為基準(zhǔn)，通過輕重兩車測量位移差值計(jì)算出試驗(yàn)區(qū)段軌道的連續(xù)剛度。

圖1 移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車

當(dāng)移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車通過小半徑曲線時(shí)，由于儀器車車體很長，車體中部與軌道之間會(huì)有偏移。儀器車通過半徑為300 m的曲線時(shí)理論計(jì)算的偏移量可達(dá)±135 mm，加之軌道游間［4］、鋼軌變形、車體晃動(dòng)等的影響，實(shí)測的最大偏移量可達(dá)±180 mm。安裝在儀器車車底中部剛度檢測架上的激光位移傳感器量程為±100 mm。如果剛度檢測架固定在儀器車車底中部，移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車在通過小曲線半徑軌道時(shí)激光位移傳感器會(huì)超出量程，無法測得軌道的剛度。因此，需要設(shè)計(jì)跟隨系統(tǒng)，以控制激光位移傳感器實(shí)時(shí)檢測傳感器與鋼軌之間的位置偏差，使激光位移傳感器與軌道的間距始終在量程范圍之內(nèi)。動(dòng)力車上的剛度檢測架安裝在移動(dòng)加載架上，當(dāng)通過曲線軌道時(shí)剛度檢測架隨著移動(dòng)加載架運(yùn)動(dòng)，激光位移傳感器測得的位移始終在其量程范圍之內(nèi)，因此動(dòng)力車不需要跟隨系統(tǒng)。

1 跟隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 跟隨系統(tǒng)理論分析

移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車通過不同曲線半徑的軌道時(shí)剛度檢測架與軌道之間的最大偏移量是不同的，曲線半徑越小偏移量越大。儀器車前后轉(zhuǎn)向架相距18 m［5］，根據(jù)移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車的工作環(huán)境和國內(nèi)軌道曲線半徑的實(shí)際情況，最小通過曲線半徑按350 m計(jì)算。同時(shí)，考慮游間與車體晃動(dòng)的影響，通過曲線時(shí)最大偏移量可達(dá)165 mm。設(shè)計(jì)時(shí)留有一定的余量，按180 mm計(jì)算。移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車速度為60 km/h，緩和曲線長度80 m，則通過緩和曲線進(jìn)入350 m半徑曲線的平均時(shí)間t=(80+18)/(60/3.6)≈5.90 s，則跟隨系統(tǒng)的平均跟隨速度v=180/t≈30.5 mm/s?？芍?，選擇推桿時(shí)其跟隨速度應(yīng)＞30.5 mm/s。

1.2 結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

跟隨系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)需滿足保持剛度檢測架在車體前后方向(列車運(yùn)行方向)穩(wěn)定，左右方向(垂直軌道方向)隨著車體過曲線產(chǎn)生的偏移而擺動(dòng)。根據(jù)上述要求提出了2種設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

方案1采用旋擺機(jī)構(gòu)，剛度檢測架通過旋轉(zhuǎn)桿懸掛在儀器車底部中間，旋轉(zhuǎn)桿上端通過懸掛支撐座固定在車底底座，下端通過桿端關(guān)節(jié)軸承與剛度檢測架相連。當(dāng)推桿運(yùn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)剛度檢測架前后擺動(dòng)。方案2采用滑槽機(jī)構(gòu)，儀器車底部中間固定桿下端是滑槽，剛度檢測架連接到滑槽中的滑輪上，當(dāng)推桿運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)剛度檢測架在滑槽內(nèi)移動(dòng)。方案1、方案2都能滿足功能需求，方案1機(jī)構(gòu)更簡便，方案2滑槽需頻繁外伸，易造成安全隱患，故設(shè)計(jì)時(shí)采用方案一。

電動(dòng)推桿的前后端安裝有磁感應(yīng)限位開關(guān)并接入控制回路，當(dāng)推桿前后移動(dòng)觸碰到限位開關(guān)時(shí)剛度檢測架已偏離車體中線設(shè)定的極限距離，存在一定的危險(xiǎn)性，系統(tǒng)檢測后會(huì)報(bào)警并限制推桿向危險(xiǎn)的方向移動(dòng)，只可以往相反的方向移動(dòng)。

1.3 旋擺機(jī)構(gòu)下的跟隨計(jì)算公式推導(dǎo)

采用旋擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車通過曲線軌道時(shí)激光位移傳感器檢測到的偏移量(剛度檢測架與軌道的偏移量)并不是推桿的實(shí)際需要的伸縮量，而運(yùn)動(dòng)控制程序直接控制的是推桿的伸縮量，因此，需要推導(dǎo)出激光位移傳感器檢測到的偏移量與推桿實(shí)際需要的伸縮量之間的關(guān)系。如圖3所示，實(shí)線表示初始位置時(shí)推桿和剛度檢測架的狀態(tài)，虛線表示跟隨到某一位置時(shí)推桿和剛度檢測架的狀態(tài)，通過兩個(gè)直角三角形關(guān)系可推導(dǎo)出推桿伸長距離與跟隨架水平移動(dòng)距離的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

設(shè)推桿原長為L，跟隨架連接桿長度為a，跟隨架水平移動(dòng)的距離為y，剛度檢測架跟隨時(shí)上移的高度為h，則

圖3 跟隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意

以上兩式消掉h，則可推導(dǎo)出推桿伸長的距離x與跟隨架水平移動(dòng)的距離y的關(guān)系式為

2 跟隨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制方式對(duì)比

跟隨系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)際上是對(duì)伺服電機(jī)的控制。常見的伺服電機(jī)控制設(shè)備有單片機(jī)系統(tǒng)、可編程邏輯控制器(PLC)和運(yùn)動(dòng)控制卡［6］。單片機(jī)系統(tǒng)和可編程邏輯控制器是獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制卡則安裝在其他主機(jī)上便可運(yùn)行。此外，運(yùn)動(dòng)控制卡造價(jià)要低于前二者。因此，本文采用運(yùn)動(dòng)控制卡來控制伺服電機(jī)。這種方案可充分利用計(jì)算機(jī)資源。運(yùn)動(dòng)控制卡直接安裝在剛度檢測計(jì)算機(jī)上，剛度檢測計(jì)算機(jī)接收到激光位移傳感器實(shí)時(shí)檢測的數(shù)據(jù)，算出位移偏差后生成控制命令并通過運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送給伺服控制器。運(yùn)動(dòng)控制卡只需要從微機(jī)接收控制命令，將有關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器即可。驅(qū)動(dòng)器再將數(shù)字脈沖量信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置，從而帶動(dòng)推桿的前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)跟隨的目的。

2.2 硬件組成與參數(shù)

跟隨系統(tǒng)硬件由運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、推桿等組成。采用固高GE-200-PG-PCI-G運(yùn)動(dòng)控制卡，該卡是基于PCI總線的脈沖輸出型卡，設(shè)置每發(fā)10 000個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈。推桿選擇無錫艾爾特生產(chǎn)的LT30-500，推桿最大速度為46 mm/s，行程為±180 mm，最大推力為250 kg。與此所匹配的電機(jī)型號(hào)為臺(tái)達(dá)ECMA-C30804E7，該電機(jī)額定功率450 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/m。伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為ASDA0421AB。

2.3 程序設(shè)計(jì)

跟隨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制代碼采用VC++編寫，并當(dāng)作子程序嵌入到剛度檢測主程序中。為了不影響剛度檢測數(shù)據(jù)采集及處理，主程序開辟一個(gè)新線程專門處理跟隨系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，程序流程如圖4所示。

跟隨系統(tǒng)工作時(shí)運(yùn)動(dòng)控制子程序每10 ms從剛度檢測主程序處理結(jié)果中取一次數(shù)據(jù)，得到激光位移傳感器與鋼軌之間的偏移距離。當(dāng)激光位移傳感器與鋼軌偏距的絕對(duì)值比正常值＞5 mm便啟動(dòng)跟隨命令，剛度檢測架在推桿的作用下向左或向右移動(dòng)。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)中系統(tǒng)時(shí)刻檢測推桿是否觸發(fā)了前后限位開關(guān)，如觸碰則報(bào)警，此時(shí)推桿可以反方向運(yùn)行到安全位置。

圖4 跟隨系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程

3 跟隨系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)

跟隨系統(tǒng)安裝調(diào)試后進(jìn)行了多次運(yùn)行試驗(yàn)(圖5)，主要驗(yàn)證推桿的跟隨距離和跟隨速度。移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車以60 km/h的速度運(yùn)行，激光位移傳感器檢測剛度檢測架與軌道之間的偏距后自動(dòng)啟動(dòng)跟隨動(dòng)作，當(dāng)通過半徑為350 m的曲線軌道時(shí)最大前伸量為168 mm，最大后退量為-163 mm，跟隨距離行程為±180 mm，能滿足通過350 m曲線軌道的要求。同時(shí)，激光位移傳感器在推桿的作用下一直保持在量程范圍之內(nèi)，跟隨速度滿足實(shí)際需要。

圖5 跟隨系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

4 結(jié)語

本文給出了移動(dòng)式動(dòng)態(tài)線路加載車跟隨系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件設(shè)計(jì)方案。目前跟隨系統(tǒng)已成功運(yùn)用到加載車上，經(jīng)過多次試驗(yàn)證明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。跟隨系統(tǒng)已在軌道剛度的測量中發(fā)揮了重要作用。

［1］趙國堂.鐵路軌道剛度的確定方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2005，26(1):1-6.

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Design and implementation on follow-up system of Chinese track loading vehicle

YANG Liang1，2，CHAI Xuesong1，2，JIN Hua1，2，BAO Xuezhi1，2，PAN Zhen1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

The track loading vehicle requires active control at curve section，as the stiffness detecting frame attached to bottom of the vehicle may deviate from the track.This is particularly true when the curve radius is kept at a relatively lower level，as the outranged values the laser displacement sensor picks up fail to reflect the track stiffness status.Therefore，a follow-up system was designed for this situation.Its mechanical structure，software and hardware for motion control are introduced in this paper.The system has been successfully applied to track loading vehicle. Key words:T rack loading vehicle;T rack stiffness;Follow-up system;Design

U216.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.18

1003-1995(2015)01-0080-04

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-06-12;

2014-07-20

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2008G031-O)

楊亮(1982—)，男，山東滕州人，助理研究員，碩士。