地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨控制系統(tǒng)自主化研制

王 坤

(北京東風(fēng)電器有限公司 北京 100072)

地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨控制系統(tǒng)自主化研制

王 坤

(北京東風(fēng)電器有限公司 北京 100072)

目前地鐵鋼軌打磨列車的道岔打磨控制系統(tǒng)，一般依賴于整車設(shè)備進(jìn)口，不僅購(gòu)置成本高，而且后續(xù)維修、更新困難，本文重點(diǎn)介紹完全自主研發(fā)的GMC16A型地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨控制系統(tǒng)的組成、功能及設(shè)計(jì)。

地鐵鋼軌打磨車；道岔打磨；控制系統(tǒng)；自主化

1 概況

地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨主要用于有效避開道岔及護(hù)軌有害區(qū)域，對(duì)單開型道岔鋼軌在生產(chǎn)、運(yùn)輸和鋪設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的病害進(jìn)行修復(fù)性打磨，提高鋼軌的平順性[1]，大幅度提高鋼軌利用率，延長(zhǎng)使用壽命，改善地鐵車輛運(yùn)行平穩(wěn)性，減少噪音，提高道岔區(qū)域運(yùn)行品質(zhì)。

GMC16A型地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨控制系統(tǒng)是完全自主研制的一套系統(tǒng)。列車由2節(jié)車(A1、A2)編組，每節(jié)車各包含1套獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)、走行系統(tǒng)及道岔打磨控制系統(tǒng)，每節(jié)車裝配1個(gè)打磨小車，包含8個(gè)打磨電機(jī)和砂輪，其中有4個(gè)特殊單元(打磨角度為0°～-70°，鋼軌內(nèi)側(cè)為負(fù)角度)，4個(gè)普通單元(打磨角度為+20°～-15°)，列車可進(jìn)行編組作業(yè)，提高作業(yè)效率，也可每節(jié)車單獨(dú)作業(yè)，提升作業(yè)靈活性。

2 道岔打磨控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

道岔打磨控制系統(tǒng)由交換機(jī)、兩車CPU單元(包含AI、AO模塊和DI、DO模塊)、通信單元(包括遠(yuǎn)程通信模塊)、顯示屏等設(shè)備組成，相互之間由通信模塊通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)連接組網(wǎng)，且采用以太網(wǎng)并行冗余技術(shù)，提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。采集單元包括各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，如電壓、電流、氣缸壓力、工作壓力、溫度等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)裝置(氣動(dòng)閥島、溢流閥、氣缸等)及液壓裝置(傾斜油缸、張緊油缸、歸中油缸、接觸油缸)等。根據(jù)地鐵鋼軌道岔打磨的現(xiàn)場(chǎng)需求及技術(shù)要求，設(shè)計(jì)打磨列車的道岔打磨控制系統(tǒng)如圖1所示。

CPU單元通過(guò)通信模塊對(duì)道岔打磨相關(guān)的電氣信號(hào)進(jìn)行采集、處理，以控制機(jī)、電、液系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)打磨電機(jī)控制、打磨電機(jī)偏轉(zhuǎn)控制、打磨小車控制、恒功率打磨控制、打磨模式編組及設(shè)定、人機(jī)界面顯示等功能；顯示屏用于顯示系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)及相關(guān)控制；交換機(jī)用于連接顯示屏和CPU及以太網(wǎng)并行冗余組網(wǎng)。

3 道岔打磨控制方法

3.1 道岔打磨作業(yè)區(qū)域

根據(jù)鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2658.22—2010《工務(wù)作業(yè)第22部分：鋼軌、道岔打磨車作業(yè)》及實(shí)際用戶需求，道岔打磨作業(yè)區(qū)域示意圖如圖2所示。為避免在打磨過(guò)程中對(duì)尖軌尖、轍叉心造成傷害，打磨作業(yè)方向?yàn)橛刹嫘南蚣廛?，即A到H方向?yàn)榇蚰プ鳂I(yè)的方向。

3.2 道岔打磨作業(yè)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

道岔打磨作業(yè)時(shí)，首先在顯示屏設(shè)置道岔打磨模式及相應(yīng)曲線模式，PLC(可編程控制器)主機(jī)在接收到道岔和曲線模式設(shè)置控制指令后，通過(guò)主通信模塊向PLC從機(jī)發(fā)送；PLC從機(jī)在接收到指令后，向道岔打磨機(jī)構(gòu)發(fā)送執(zhí)行指令，使相應(yīng)機(jī)構(gòu)工作到位；采集單元采集相關(guān)狀態(tài)信號(hào)發(fā)送至CPU單元，并在顯示屏顯示。在作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)顯示屏可實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的打磨小車機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作反饋狀態(tài)和打磨電機(jī)電流、打磨角度等各種打磨電機(jī)狀態(tài)量。

圖1 地鐵鋼軌打磨列車道岔打磨控制系統(tǒng)示意圖

圖2 道岔打磨作業(yè)區(qū)域示意圖

從叉心向尖軌方向打磨作業(yè)時(shí)，其中A點(diǎn)為作業(yè)起始點(diǎn)，落下打磨砂輪開始打磨作業(yè)，到B點(diǎn)處夾緊提升叉心側(cè)的打磨砂輪；到D點(diǎn)處落下叉心側(cè)全部打磨砂輪，到E點(diǎn)處夾緊提升叉心側(cè)普通單元正角度的打磨砂輪，到F點(diǎn)處收起叉心側(cè)全部打磨砂輪；到G點(diǎn)放下叉心側(cè)全部打磨砂輪，到H點(diǎn)處提升全部打磨砂輪。

3.2.1 打磨電機(jī)偏轉(zhuǎn)控制

每2個(gè)打磨電機(jī)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)固定為1組，通過(guò)對(duì)打磨小車偏轉(zhuǎn)油缸的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨電機(jī)的偏轉(zhuǎn)控制，圖3為升降缸、打磨電機(jī)、砂輪、機(jī)構(gòu)受力及偏轉(zhuǎn)示意圖 (θ為打磨電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度) 。

圖3 升降缸、打磨電機(jī)、砂輪、機(jī)構(gòu)受力及偏轉(zhuǎn)示意圖

打磨電機(jī)角度偏轉(zhuǎn)控制分為手動(dòng)和自動(dòng)2種模式：手動(dòng)模式下，系統(tǒng)CPU 的AO模塊向偏轉(zhuǎn)油缸比例閥輸出固定值為5 V的電壓(內(nèi)偏為-5 V，外偏為+5 V)，搖籃筐勻速偏轉(zhuǎn)；自動(dòng)模式即作業(yè)模式下，為了形成完整的打磨包絡(luò)曲線及固定角度的精準(zhǔn)打磨，需要對(duì)打磨電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行設(shè)定及實(shí)時(shí)調(diào)整，以在不同的打磨模式下實(shí)現(xiàn)不同角度的打磨。在角度調(diào)節(jié)過(guò)程中系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)反饋角度值，并與設(shè)定值作比較，角度差值為Δθ，系統(tǒng)根據(jù)Δθ范圍向偏轉(zhuǎn)油缸比例閥輸出相應(yīng)的控制電壓值(見圖4)。

圖4 偏轉(zhuǎn)角度與電壓關(guān)系

(1)如果Δθ處于大范圍區(qū)間，則輸出極限電壓(10 V)，偏轉(zhuǎn)油缸以最快速度偏轉(zhuǎn)；

(2)如果Δθ處于中范圍區(qū)間，則輸出中間電壓5 V，偏轉(zhuǎn)油缸以中間速度偏轉(zhuǎn)，緩沖偏轉(zhuǎn)油缸；

(3)如果Δθ處于小范圍區(qū)間，需要角度精準(zhǔn)微調(diào)，偏轉(zhuǎn)油缸比例閥輸出電壓值公式如下：

U=2.020 59×|Δθ|+C1

式中：U為比例閥輸出電壓，C1為固定常數(shù)。

3.2.2 打磨電機(jī)背壓控制

打磨電機(jī)背壓控制方式有2種。

第1種方式是在靜態(tài)模式下，打磨電機(jī)工作壓不參與控制，手動(dòng)控制打磨電機(jī)升降，背壓值隨偏轉(zhuǎn)角度變化，公式為：

F背壓=13 361×cosθ+18×sinθ+C2

式中：F背壓為背壓值；θ為電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度值；C2為固定常數(shù)。

第2種是動(dòng)態(tài)打磨中的背壓設(shè)定，工作壓、背壓和機(jī)構(gòu)重力三者共同作用，采取的控制方式是設(shè)定背壓值只與偏轉(zhuǎn)角度θ有關(guān)系，即F背壓=f(θ)。

3.2.3 打磨電機(jī)工作壓控制

打磨作業(yè)過(guò)程中，打磨電機(jī)工作壓的作用是控制打磨電機(jī)在圖3中虛線方向上升降、動(dòng)態(tài)改變打磨砂輪作用在鋼軌上的打磨壓力F。打磨壓力控制的最終目的是通過(guò)調(diào)整打磨壓力控制打磨電機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)恒功率打磨，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磨削量的控制。

打磨電機(jī)工作壓的控制方式全部為開環(huán)控制和閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制相結(jié)合：第1階段是在打磨電機(jī)剛開始下降時(shí)，工作壓開環(huán)控制，按固定斜率增加；第2階段是打磨電機(jī)電流反饋值大于空載電流0.5A時(shí)，開始進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)恒功率打磨。

3.2.4 恒功率打磨控制PID算法

恒功率打磨控制是道岔打磨控制系統(tǒng)中的核心控制部分。工作壓控制電流PID算法的實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 PID算法的實(shí)現(xiàn)原理

圖3中，打磨作業(yè)中作用在鋼軌上的壓力F為F工作壓、F背壓及機(jī)構(gòu)自身重力在與鋼軌接觸面垂直方向(圖中虛線方向)上的分量G分=G×cosθ共同作用的結(jié)果，即F=F工作壓-F背壓-G分。

控制策略為：控制F背壓+G分為固定值，動(dòng)態(tài)調(diào)整F工作壓的值即可實(shí)現(xiàn)作用在鋼軌上的力F值恒定，進(jìn)而在列車低恒速走行工況下實(shí)現(xiàn)恒功率控制。具體步驟為：(1)設(shè)定輸出電流值，控制輸出打磨電機(jī)工作壓；(2)采集打磨電機(jī)工作時(shí)的電機(jī)反饋電流；(3)根據(jù)打磨電機(jī)實(shí)際電流反饋值與電流設(shè)定值，通過(guò)PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，改變AO模塊工作壓控制電流；(4)通過(guò)改變工作壓控制電流，實(shí)時(shí)改變打磨電機(jī)的工作壓；(5)改變工作壓，提升或下壓打磨砂輪；(6)改變打磨電砂輪作用在鋼軌上的壓力，同時(shí)反饋打磨電機(jī)工作電流。

4 結(jié)束語(yǔ)

GMC16A型地鐵鋼軌打磨列車已交付深圳地鐵公司使用，在實(shí)際打磨作業(yè)中取得良好的效果，滿足設(shè)計(jì)要求和用戶需求。自主研發(fā)設(shè)計(jì)的道岔打磨控制系統(tǒng)及控制方法作為鋼軌打磨列車的核心和關(guān)鍵，打破國(guó)際技術(shù)壁壘，降低了購(gòu)置成本及后續(xù)維修費(fèi)用。

[1] 胡海波,高 亮.道岔打磨車在道岔不平順病害整治中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(10):32-34.□

(編輯：林素珍)

2095-5251(2016)05-0028-03

2016-03-30

王 坤(1986-),男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事鐵路機(jī)車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

U213.6+8

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