铁路救援起重机下车控制系统设计

I 摘 要 铁路救援起重机是处理铁路行车脱轨事故、排除线路障碍、保障铁路安全运输的关键设备，在铁路救援作业中有着不可替代的作用。进入 21 世纪，我国铁路建设向高速、重载和面向西部开发的方向发展，这对铁路起重机的机动性能、作业效率、可靠性和适应性等提出了新的更高的要求，同时也为铁路起重机技术的革新和发展指明了方向。 控制系统是铁路救援起重机的关键组成部分，它对起重机整机的工作性能和安全性具有重要影响。 目前我国铁路起重机控制系统与国外先进水平相比还有一定差距。 因此，对铁路救援起重机控制技术进行研究，并应用先进技术设计开发新的控制系统和对现有系统进行改造，对提高我国铁路起重机的技术水平和整体性能，提高铁路沿线事故的救援能力，减少事故造成的损失具有重要意义。 本文对国内外铁路救援起重机控制技术进行了分析， 根据国产某新型 160t 铁路救援起重机的控制要求，确定了其下车控制系统总体方案，并进行了下车控制系统硬件设计和软件设计。文中采用 制器对下车的各个工作机构进行控制，控制器之间以及控制器与其它节点之间通过 控制程序采用与控制器配套的 制器通过对接收到的数据进行计算处理，判断起重机是否满足作业条件。在满足作业条件时控制工作机构进行作业，在超出安全工作范围时控制工作机构停止作业，并将有关数据送至显示器进行显示，对司机进行提醒，同时向上车控制器发送报警信号。 与传统起重机的控制系统相比，本文设计的控制系统能够对铁路起重机下车各机构的工作进行实时监控、安全限制以及状态显示。系统可视性好，可靠性高，抗干扰能力强，能够保证起重机在恶劣环境下稳定高效地完成作业任务。 关键词：铁路救援起重机；下车控制系统；线；制器； he is a of it an in 1st of is to of of At it of is a of it on of At of of at a it is to by It is of of in of at on to of 60 of is of In is to AN is as is is as a By If it to is to be it to of in of in on s it in 录 摘 要 . 一章 绪 论 . 1 题研究的背景和意义 . 1 内外铁路起重机的发展 . 2 内铁路起重机的发展 . 2 外铁路起重机的发展 . 4 路起重机控制系统研究现状 . 5 课题的主要研究内容 . 6 本章小结 . 7 第二章 铁路起重机的工作机构及控制要求 . 8 路起重机的组成 . 8 路起重机的主要工作机构 . 9 臂 . 9 转机构 . 10 向架 . 11 行挂齿机构 . 12 腿机构 . 14 路起重机下车液压系统工作原理 . 14 路起重机下车控制要求 . 17 力控制要求 . 18 业控制要求 . 19 本章小结 . 21 第三章 铁路起重机下车控制系统总体设计 . 22 制系统的总体结构 . 22 制系统的总线节点分配 . 23 本章小结 . 24 第四章 下车控制系统硬件设计 . 25 感器的选择 . 25 磁阀的选择 . 30 制器的选择 . 30 于控制器的 信实现 . 37 线简介 . 37 议 . 37 制器的通信实现 . 41 制器控制的硬件实现 . 42 本章小结 . 46 第五章 下车控制系统软件设计 . 47 车控制程序主要功能模块及主程序流程 . 47 程序模块的功能及程序流程设计 . 49 线信号发送功能模块 . 49 助泵条件判断模块 . 50 载油缸控制模块 . 51 台支撑控制模块 . 54 腿控制模块 . 54 行挂齿控制模块 . 62 程环境及编程方法 . 63 制系统初始化程序编制 . 66 量定义 . 66 线网络节点的初始化 . 69 制器的初始化 . 76 车主要控制程序汇总 . 76 本章小结 . 77 结 论 . 78 参 考 文 献 . 80 附录 A 总线信号发送与辅助泵条件判断程序 . 82 线信号发送程序 . 82 助泵条件判断程序 . 84 附录 B 均载油缸伸出控制程序 . 86 载缸压力判断程序 . 86 载缸辅助泵控制程序 . 87 载缸伸出控制程序 . 88 支腿支撑和车身调平控制程序 . 92 腿支撑控制程序 . 92 身自动调平控制程序 . 94 横倾角之一超限的调平子程序 . 95 横倾角同时超限的调平子程序 . 97 致 谢 . 100 1第一章 绪 论 铁路救援起重机是进行铁路救援的重要设备，其性能的好坏直接影响铁路救援的效率和质量。 控制系统是铁路救援起重机的关键系统之一， 它决定了起动机工作的安全性、可靠性、灵活性和稳定性。近年来，国内外对铁路救援起重机进行了大量研究，开发和应用了一系列先进技术，使整机性能不断提高。本章对国内外铁路起重机的发展及其控制系统研究现状进行总结分析，并给出本文的主要研究内容。 题研究的背景和意义 进入 21 世纪，随着我国经济的快速发展，商品的交易量不断增加，承担主要运输任务的铁路运输系统经常处于超负荷运转状态，致使铁路运输事故时有发生，这不仅降低了我国铁路运输的效率，也给国家和人民造成巨大的经济和生命财产损失。 铁路起重机是一种用以排除铁路沿线故障物、起复机车和车辆的专用设备1。它能够顺轨迅速开赴救援现场开展救援工作，具有良好的机动性能。铁路起重机是铁路救援工作的主要装备，而救援工作的质量与其性能密切相关，铁路起重机的技术发展是衡量一个国家铁路救援能力的重要指标。 我国从 20 世纪 50 年代开始发展铁路起重机，从最初的以蒸汽机为动力、采用机械传动和定长吊臂，发展到 20 世纪末以内燃机为动力、采用液压传动和伸缩式吊臂的全液压伸缩臂式铁路起重机，起重机的机动性能、起重能力、工作效率、独立救援能力和操控性得到了重要改善，产品体系进一步完善，铁路事故的处理能力有了很大提高。 迈入 21 世纪，国内铁路网络建设向高速、重载发展，向偏远地区和西部扩展，铁路救援的作业环境变得复杂多变，同时对铁路救援起重机的工作效率、整体性能等要求也在不断提高。而对起重机的研究改进，除了要提高起重机的机动性、工作效率、起重能力、工作稳定性外，还需要从总体上进行考虑，对起重机进行有针对性的改进完善，使各系统之间互相协调、互相匹配，以提升其整体性能2。 铁路起重机的发展在很大程度上取决于控制技术的改进。控制系统把起重机的各个机构组合成一个统一的整体，进行协调控制，可以有效地提高起重机的安全性能、工作效率，降低劳动强度，增长使用寿命3。因此，控制系统研究对铁路起重机的发展起着至关重要的作用。 目前，先进的起重机控制系统利用计算机技术、微电子技术及通信技术控制各执行机构的动作，并具有状态判断、操纵限制、故障诊断、数据管理、远程通讯等功能，初步实现了铁路起重机的智能化与自动化。 2本文根据某新型 160t 伸缩臂式铁路起重机的工作要求， 对其下车控制系统进行设计研究，通过采用基于 线的控制系统，对起重机下车各机构的工作进行实时监控、安全限制以及状态显示，实现以控制器进行安全控制的模式。目前，应用 线技术解决起重机的综合控制问题已成为发展趋势，国内铁路起重机还没有把 线技术作为先进的控制手段，制约了起重机下车性能等级的提高和产品的进步。国外的大部分铁路起重机生产厂商已经普遍较早地采用 线技术，有效地解决了起重机的控制问题。所以，应充分重视对起重机 线控制系统的研究，跟上世界起重机发展的潮流， 在国际市场上争得技术领先地位。 因此本研究对改进我国铁路起重机控制系统，提高产品的设计水平和整体性能具有重要意义4。 内外铁路起重机的发展 内铁路起重机的发展 在新中国成立初期，我国自己研发的铁路起重机数量很少，使用的为数不多的起重设备大多是从国外进口的，当时我国的铁路起重机主要是引进和仿造前苏联和日本生产的铁路起重机，铁路货物的装卸主要以人力为主。 在建国后的第一个五年计划期间，大连机车车辆工厂在前苏联专家主持下测绘了日本遗留下的 15t 蒸汽铁路起重机，设计出了基于前苏联标准的起重机图纸。作为 20 世纪50 年代初期我国唯一的一家生产铁路起重机的厂家， 大连机车车辆工厂为我国铁路起重机制造业的发展开创了新的局面，填补了我国铁路起重机的空白。 后来，由于结构调整和产品分工等问题，大连机车车辆工厂将铁路起重机的生产业务于 1957 年移交给了齐齐哈尔车辆厂。同年 9 月 4 日，我国第一台 15t 蒸汽铁路起重机在齐齐哈尔车辆厂通过验收，正式出厂。 20 世纪 50 年代，是我国铁路起重机发展的起步阶段，起重机的动力以蒸汽机为主，吊臂类型为机械传动构成的定长臂式吊臂。这种类型起重机的机动性能和工作效率都较低，其回送速度在 80km/h 以下，起重量在 1570t，起重机的总体性能较低，无法很好地满足铁路起重作业的要求。 20 世纪 60 年代，我国正式启动对小吨位机械传动定长臂蒸汽铁路起重机的自主研发工作。同时，针对蒸汽起重机在机动性、起重能力等方面存在的不足，采用内燃机作为起重机的主要动力源。使用内燃机的起重机较使用蒸汽机的工作效率有了很大提高，其回送运行速度达到 80km/h，最大起重量达到 100t，起重机的性能有了明显改善。 20 世纪 70 年代至 80 年代，液压传动技术在铁路起重机中获得了广泛应用，逐渐取代了老式的机械传动，铁路起重机的研制目标也转向定长臂大吨位内燃铁路起重机。 80 3年代末， 重技术得到了全面改进。起重机的最大起重量达到了 160t，独立救援能力与操控性得到了重要改善。系列化的铁路救援吊开始出现，铁路事故的处理能力有了很大提高。 进入 20 世纪 90 年代，电气化开始向偏远地区扩展，铁路救援作业环境变得复杂多变，定长臂式铁路起重机已经不能满足要求。例如，若要在电气化线路上进行作业，就必须拆除供电接触网；而在隧道内，定长臂式起重机则基本上没有救援能力。为了更好地满足铁路救援工作的实际需要， 90 年代中后期，我国将研发方向转向了伸缩臂式全液压内燃铁路起重机，并于 90 年代末研制成功，同时进一步完善了铁路救援吊的体系，使铁路救援起重机基本满足了救援工作的要求。 进入 21 世纪，我国铁路起重机的生产厂商，摒弃整体引进国外技术的做法，坚持以自主创新为宗旨，通过产学研联合，充分发挥高等院校和科研院所在基础理论、人才和研发能力方面的优势以及企 业的制造实力，突破了大量 铁路起重机设计制造关键技术，研制出了大批具有自主知识产权和优异性能的产品，缩小了与国际先进起重机技术的差距。 作为国内生产铁路起重机的骨干厂家之一，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，已研制出 100t 以上具有良好性能的铁路起重机系列产品。 其主要型号有： 100 125t 伸缩臂式铁路起重机、 160t 伸缩臂式铁路起重机、 160t 伸缩臂式铁路起重机、 160t 固定臂铁路起重机，部分产品如图 示。 武桥重工集团则推出了 铁路起重机、 定长臂、二节臂、三节臂铁路救援起重机。山海关桥梁厂、兰州机车厂等厂家也生产各具特色的铁路救援起重机产品。 这些不同类型的铁路起重机极大地丰富了我国铁路起重机市场，使我国铁路起重机基本实现了系列化，为在各种情况下处理铁路沿线列车脱轨、颠覆、线路损害、塌方等事故提供了重要保障，为提高我国铁路沿线的货物装卸能力和救援作业效率、保证铁路货运的安全畅通做出了重要贡献5。 4（ a） （ b） （ c） （ d） 图 铁路起重机产品 of a） 100t 伸缩臂式铁路起重机； （ b） 125t 伸缩臂式铁路起重机； （ c） 160t 伸缩臂式铁路起重机；（ d） 160t 固定臂铁路起重机 外铁路起重机的发展 国外铁路起重机的出现，可以追溯到 18 世纪 60 年代初期，当时英国生产出了世界上第一台以蒸汽为动力的铁路起重机6。发展至今，国外的铁路起重机经历了动力由蒸汽机向内燃机过渡，传统的机械传动被液压传动所代替，再到伸缩臂代替定长臂，大吨位起重机代替小吨位起重机的几个发展阶段，完善的吨位系列已经形成。无论从整机的工作性能还是从可靠性来看，国外的铁路起重机一直处于领先地位。 目前，在世界上技术处于领先地位的铁路起重机设计制造厂商，是德国的 司7。它们在伸缩式吊臂、平衡重、转向架、计算机辅助操作等方面的技术水平，远远领先于其他的起重机制造厂商。 司作为铁路起重机市场的巨头企业 ，在前民主德国时期，就生产了多达5000 台铁路起重机。自 20 世纪 90 年代中期以来， 司开发出“多用途”伸缩臂起重机系列，从主要用于架设桅杆和隔音屏障、起重量为 1025t 的机型，到用于铁轨铺设和道口更新改造及桥梁工程、起重量为 25125t 的机型，再到用于抢修和救援任务 5和重大桥梁工程的 8 车桥、起重量为 100160t 的起重机8，具备了比较完善的铁路起重机体系。 同样，位于德国杜塞尔多夫的 司是欧洲著名起重机械生产企业。司的先进技术之一， 是采用旋转式伸缩平衡重作为起重机吊臂的伸缩平衡重技术。该项专利技术的发明，是铁路起重机伸缩技术领域的一大突破9。截止到今年年底，利用此项专利技术生产的铁路起重机已经超过 50 台，分别出售给了瑞士、韩国与日本。 另外，欧洲的其他铁路起重机制造商也都有自己各具特色的产品。奥地利的帕尔菲格公司生产的 列铁路专用起重机结构紧凑，可以为铁路轨道、导电线路和隧道的建设和维护提供服务。 芬兰 司的希尔博品牌的铁路起重机在市场上也很活跃， 2007 年曾向中国铁路建设部门销售了 23 台 288 型铁路起重机。 国外生产的铁路起重机，在内部各系统匹配、整机智能化控制、结构设计等方面，近几年都取得了很大发展。在自动化操作方面，国外的铁路起重机具有先进的设计理念和技术，起重机一般都配有用于检测起重机目标位置和载荷位置的传感器系统，另外，起重机上还装有控制与通讯设备，用于发送与接收视频和控制信号的远程控制台也多出现于国外起重机的控制系统中10。在结构设计方面，各大公司普遍采用了现代设计方法进行计算分析，例如采用有限元法进行结构分析和优化，既缩短了产品开发周期，降低了成本，又提高了结构性能，使起重机设计更加科学合理。 路起重机控制系统研究现状 控制系统是铁路起重机的重要组成部分，其性能优劣对起重机能否在救援工作中高效、稳定、安全地运行具有决定性影响。目前国内外对铁路起重机控制系统的研究都非常重视， 致力于采用先进可靠的技术建立一体化的安全监控系统， 使系统具有自动控制、状态检测、超限报警、数据记录、远程通讯等功能11。 研究开发的控制系统的基本结构，是以高性能的控制器做为中央控制单元，通过各种智能传感器采集外部数据信息， 经过控制器内部控制程序的运算处理， 产生控制信号，驱动起重机执行机构动作，并将起重机的作业参数、状态信息进行集中显示，所需接收和发送的信息通过总线进行传输。而其中最主要的是控制器的选取与设计，因为其性能优劣直接关系到控制系统的稳定性与可靠性。 徐州赫思曼电子有限公司研发生产了 列控制系统。它采用先进的微处理技术，具有温控及背光功能点阵式大屏幕图形；有完整的预先报警、超载报警及超载控制输出、系统故障自检和故障显示功能。该系统支持多种通讯方式，如 6工况参数计算、处理和数据显示分别由独立的处理器进行，特别适用于处理复杂的系统运算；系统的开发语言采用符合国际标准的 程语言，具有实时监控调试功能，可以显著地缩短产品开发的周期12。 宜昌三思科技有限公司开发了 制系统。该系统采用工业级 寸 800 600 像素的彩色液晶显示屏，可视性好；采用工业级嵌入式平台，处理速度快、可靠性高。系统可对传感器的“零点漂移”与“温度漂移”进行自动调节补偿，监测精度高。它可以实时监测起重机工况，并在起重机超出工作范围时切断起重机向危险方向运行的液压回路，同时允许其向安全方向运动13。 国外的铁路起重机控制系统产品大都与各自厂商生产的铁路起重机相配套。 通过 传感器和执行器等的信号连接到控制器，由控制器对系统进行统一控制。其现代安全集成控制系统装有电子式载荷力矩限制系统，在达到过载条件时能使起重机自动停止作业；系统允许驾驶员设置吊臂高度和最大回转角度；系统还可以优化照明工作区及周围区域。 与国外铁路起重机的控制系统相比，国产起重机控制系统在技术性能和产品质量等方面仍然存在较大差距。国内还没有把 线技术作为先进控制手段用于铁路起重机下车控制，控制系统成品还存在可靠性不高等问题。因此，研究应用先进技术，完善控制系统功能，提高控制系统的可靠性和整体性能势在必行14。 课题的主要研究内容 本课题来源于铁道部“ 2007型 160t 伸缩臂式铁路起重机”项目中的“通用型铁路起重机下车安全控制系统设计”部分。上述铁道部项目由大连交通大学和北车集团齐齐哈尔轨道交通装备有限公司共同承担。 本课题的主要研究内容如下： （ 1）控制系统硬件方案的确定及系统设计 下车控制系统所要控制的对象包括：均载油缸、转台支撑、走行挂齿，支腿外展与内收、支腿支撑、中心油缸等机构。根据被控对象的结构特点、工作原理及其对控制系统的要求，研究确定控制系统硬件方案，并完成有关选择和设计。包括基于 线的控制系统总体方案的确定，传感器的选择，电磁阀的选择，高性能 制器的选择，下车控制系统控制线路的设计等内容。 （ 2）控制系统软件方案的确定及控制程序设计 7根据起重机对下车控制系统的要求，以及所选用的下车控制系统的硬件情况和有关设置，确定控制系统软件方案，设计控制系统的控制流程，选择软件开发平台，并根据控制流程设计控制程序。主要控制程序包括：系统初始化程序、信号采集程序、辅助泵条件判断程序、各机构控制程序。 本章小结 本章介绍了课题研究的背景及意义，分析了国内外铁路救援起重机的发展历史和控制系统的研究情况，给出了本课题的主要研究内容。 8第二章 铁路起重机的工作机构及控制要求 新型 160t 伸缩臂式铁路起重机如图 示。该起重机以柴油机为动力，采用伸缩式吊臂、 双层回转机构、 长行程伸缩重铁， 最大起重力矩为 1700最大起重量为 160t，满载起升速度为 4m/机主要用于铁路机车车辆事故救援工作，亦可用于桥梁、建筑构件架设或重大货物的装卸、大型设备的安装与铁路道岔的更换等作业，其作业方式灵活，可适用于多种场合和工况。 图 新型 160t 伸缩臂式铁路起重机 60 路起重机的组成 新型 160t 铁路起重机包括起重机和臂架平车两部分，如图 示。 图 新型 160t 铁路起重机组成 of 60 9 起重机主要由动力装置、工作机构、制动装置、转向架、液压系统、电气系统、安全系统和金属结构 8 大部分组成。 （ 1）动力装置。为两个柴油机。两柴油机分别驱动油泵为各工作机构提供动力源。两套动力源可同时工作，也可单独工作，用以满足起重机的作业要求。当一套动力源发生故障时，另一套可继续工作保证救援工作能正常进行。 （ 2）工作机构。由吊钩起升机构、起重臂伸缩机构、变幅机构、回转机构、配重挂放机构、支腿机构和走行机构 7 个液压工作机构组成。通过工作机构实现起重机的工作机能，满足各种救援工况的需要，并顺利、 快速完成救援任务。 （ 3）制动装置。主要包括三部分：空气制动机、基础制动装置和手制动机，用于阻止铁路起重机加速或给铁路起重机减速。 （ 4）转向架。用于支撑车体，传递车体与车轮之间的各种作用力，保证铁路起重机能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线线路。 （ 5）液压系统。由主回路、控制回路、下车回路和回油回路等构成，用来满足液压工作机构的需要。 （ 6）电气系统。主要包括控制系统、信号系统和照明系统三部分，用于满足铁路起重机的控制和照明等需要15。 （ 7）安全系统。为安全使用起重机而设置，主要包括中央监控系统和各种安全及显示装置16。 （ 8）金属结构。包括起重臂、转台、下车底架、支腿金属结构等，其作用是支承动力装置和各种工作机构并承受起重作业时的各种荷载17。 臂架平车是放置起重机吊钩和作为司乘人员宿营的专用车辆，平时与起重机连挂，起重作业时分开。在其中部设有柴油机电机组，起重机在驻地时，生活用电使用地面220 V 电源，在事故现场使用该发动机组的电源18。 路起重机的主要工作机构