GMC48鋼軌打磨車液壓走行控制技術研究

馮平書

【摘 要】針對GMC48鋼軌打磨車的液壓走行系統，介紹了閉式液壓系統的液壓傳動原理，分析了液壓走行電氣控制系統的組成結構。重點研究分析了液壓走行低恒速與同步控制技術：基于PID控制器的速度閉環控制，以及基于速度外環與壓力內環的雙閉環PID控制策略。最終實現了GMC48鋼軌打磨車打磨作業速度控制精度高、穩定性好的目標。

【關鍵詞】鋼軌打磨車;液壓走行;同步;PID控制器

中圖分類號： U216.65文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.008

Research on Hydraulic Travel Control Technology of GMC48 Rail Grinder

FENG Ping-shu

（CRCC High-Tech Equipment Corporation Limited， Kunming Yunnan 650215， China）

【Abstract】Aiming at the hydraulic traveling system of GMC48 rail grinder， introduces the hydraulic transmission principle of closed hydraulic system，and analyzes the composition and structure of the hydraulic travel electric control system. Mainly analyzes the low constant speed and synchronous control technology of hydraulic traveling：speed closed loop control based on PID controller，and double closed loop PID control strategy based on speed outer loop and pressure inner loop.Finally，the GMC48 rail grinder has achieved the goal of high speed control accuracy and good stability.

【Key words】Rail grinder;Hydraulic travel;Synchronous;PID controller

0 前言

隨著我國鐵路越來越重視鋼軌的維護，鋼軌打磨車的應用將越來越廣泛。鋼軌打磨車可以對鋼軌進行修復性打磨，有效地消除鋼軌表面的不平順、波浪型磨耗、鋼軌肥邊等病害。影響打磨車打磨效果的因素很多，其中作業走行速度的穩定性是尤其關鍵的。一般來說，打磨車的作業速度范圍是3-16Km/h，最佳打磨速度為8-10Km/h，作業走行速度的精度和穩定性控制是鋼軌打磨車控制技術中最為核心的部分之一。

大型養路機械液壓走行系統一般有兩種，一種是采用閉式液壓驅動的走行系統，另一種是采用液力變矩器驅動的走行系統。GMC48鋼軌打磨車是中國鐵建高新裝備股份有限公司研制的一臺48頭鋼軌打磨車，其采用的是閉式液壓驅動方式，這種驅動方式的優點是走行運行平穩，尤其適合于走行精度要求高的場合。本文基于此液壓驅動系統，介紹了GMC48鋼軌打磨車走行控制的液壓、電氣組成，以及作業低恒速走行和同步控制的算法策略。

1 走行液壓系統

GMC48鋼軌打磨車由A車、C車、B車三車固定連掛組成，如圖1所示。其中A/B車為動力車，C車為從動車。走行液壓系統由4個A4VG250的柱塞泵驅動8個A6VM215的柱塞馬達，A車和B車的8根車軸為動力軸，分別由8個柱塞馬達驅動。C車的4根軸為從動軸。2個柱塞泵和4個柱塞馬達組成一套閉式液壓回路。整車走行由兩套閉式液壓回路同時驅動，每個閉式液壓回路中都設置有100bar和150bar的反向制動閥，防止在長大下坡時出現反拖工況。

閉式液壓走行傳動系統如圖2所示

通過閉式液壓走行傳動系統將發動機產生的動力傳遞到車軸齒輪箱，經過齒輪箱的減速后帶動車輪運轉，以驅動打磨車的走行。其中，變量泵和變量馬達組成的閉式液壓系統控制了壓力、流量和方向。變量泵是斜盤結構設計的軸向柱塞泵，通過調節旋轉斜盤的角度，可實現流量的無級調速，內部帶有比例電磁鐵，通過EP電氣控制。當斜盤通過中位時，液壓油流動方向會平穩改變。變量馬達采用斜軸式設計的軸向錐形柱塞馬達，其排量在最小和最大之間無級可調。馬達內部帶有比例電磁鐵，通過EP電氣控制。

2 液壓走行電氣控制系統組成

A、B兩個動力車分別配置了一套力士樂RC控制器，該控制器是力士樂專門為走行機械而開發的一款控制器。RC28-14/30控制器提供了28個比例電磁鐵輸出（PWM）、14個數字量輸出，用于控制變量泵和變量馬達的比例電磁鐵，以及其他功能的一些電磁閥;75個輸入通道（包括數字輸入、模擬輸入、電阻輸入、頻率輸入）可用于接入各種輸入信號，比如壓力信號、馬達轉速傳感器的頻率信號等;4個CAN通信接口，用于與其他控制器或CAN設備通信、也可用于調試。

RC控制器主要負責走行控制程序的執行，同時通過CAN總線與整車的主控PLC控制器進行數據交換。主控PLC給RC控制器下達與走行相關的指令（設定速度、方向、制動等），RC控制器將走行系統的一些反饋信息、報警信息等傳給主控PLC，主控PLC將這些信息處理后再傳到上位顯示屏進行顯示。

3 液壓走行低恒速與同步控制策略

GMC48鋼軌打磨車A/B動力車都可以單獨進行牽引，也可以同時牽引，正常打磨工況下，A、B車發動機同時啟動。打磨車作業走行速度范圍為3-16Km/h，最佳打磨速度8-10Km/h。為了提高打磨車作業效果，液壓走行的控制目標是：作業走行精度在±0.5Km/h以內、雙動力驅動無反拖、速度響應快且無明顯過沖、速度穩定無明顯波動。

3.1 低恒速走行控制

通過走行液壓系統的分析可以看出，打磨車的走行速度控制是通過控制變量泵和變量馬達的排量來實現的，而泵和馬達的排量又是通過控制比例電磁鐵的電流從而控制斜盤的偏轉角度來實現的。GMC48打磨車所選的泵和馬達的比例閥EP控制電流都是200mA-600mA，對應泵和馬達的最小和最大排量。在作業走行工況下，變量馬達固定輸出最大排量，即輸出給馬達的比例閥600mA的電流。然后通過控制變量泵的排量來控制走行速度。低恒速控制以速度為控制對象，各個馬達的速度傳感器采集的速度信號進行加權、濾波計算后作為速度反饋值，作PID算法處理，PID閉環控制計算出變量泵排量對應的比例閥控制電流值。

在PID控制器中，比例系數成比例的反應系統偏差，其大小決定了系統響應的靈敏度;積分環節的主要作用是消除系統的穩態誤差;微分環節能夠反應系統偏差的變化趨勢。通過反復不斷地調節PID參數，使得參數與實際系統的特性達到最佳匹配狀態，從而得到速度調節的理想曲線，如圖4所示。

3.2 同步控制

對于分散動力設計的液壓走行方式，需要進行同步控制，GMC48鋼軌打磨車有兩個動力包，A、B車同時牽引時，采取一主一從的同步控制方式;主從的設定與整車控制權相關，獲取控制權的一邊設定為主車，而另外一邊設定為從車。在主車的控制程序中，做速度的閉環PID控制算法;從車則做跟隨控制，在速度PID算法的基礎上再以兩車液壓走行回路AB口（高低壓側）的壓力差值做一次PID閉環控制，即從車進行雙閉環PID算法控制。如圖5所示

圖中以速度PID算法作為外環，以高低壓側的壓力差值PID算法作為內環，從而構成雙閉環PID控制。其中內環的PID控制器以壓力差值作為反饋值，輸出的調節量作為外環速度反饋的修正系數。從而實現從車在速度跟隨的同時，壓力也同步跟隨。有效地消除A、B車出現的反拖狀況，也保證了速度的精度和穩定性。

4 結語

GMC48鋼軌打磨車已經完成樣機試制，并已通過出廠檢驗，該液壓走行控制系統、控制算法策略已經在此車上進行試驗并得到了充分驗證，實踐證明其控制性能優越，對打磨車走行速度控制精度高，穩定性好。該項技術的突破為鋼軌打磨車國產化提供了技術支撐。

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