（电气工程专业论文）连续式捣固车起拨道补偿控制系统研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：虱盔丝日期：坠年月堑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期：坠年羔月 摘要 捣固车是目前铁路养护的主要设备，随着我国铁路事业的快速发 展，对铁路线路的质量也提出了更高的要求。0 9 3 2 型捣固车采用连 续式工作方式，大大改善了养护作业的质量与效率，因此得到广泛应 用。 连续式捣固车和步进式捣固车主要的区别是连续式捣固车的作业 小车可在大车框架内移动作业，因此步进式作业的控制算法不再适用 于连续式作业。为了降低系统设计的难度，提高系统的兼容性，连续 式捣固车采用了在步进式捣固车控制系统的基础上增d l ：l - j l 偿控制的 方法。 本文对连续式捣固车起拨道补偿控制系统进行了分析与设计，包 括硬件设计与软件设计两部分。首先简单介绍了捣固车起拨道检测的 原理，分析了起拨道补偿原理与补偿算法设计。然后重点介绍了起拨 道补偿控制系统的组成，并总结了各组成环节的系统需求，包括沉降 补偿控制、卫星小车控制、起拨道补偿控制、激光起拨道信号处理等。 根据起拨道补偿原理与补偿算法以及起拨道补偿控制系统的结构，设 计了一套基于单片机的通用型控制电路板，起拨道补偿控制中的各组 成环节都能用该通用控制电路板完成。根据实际作业情况与操作手 册，开发了电路板的控制软件，补偿控制算法也由软件来实现。该起 拨道补偿控制系统硬件控制板与控制软件均通过实验检测，同传统的 模拟系统相比，修改程序比电路参数修改更方便。该系统结构简单， 调试方便，实验证明，该系统抗干扰能力强，稳定性好，精度高，通用 性强。目前该系统调试已完成，正投入生产，准备装车实验。 论文主要成果如下：( 1 ) 总结了起拨道补偿系统各环节的系统需 求和信号要求；( 2 ) 设计了一套基于单片机的通用型起拨道控制系统， 完成了控制电路板的研制；( 3 ) 完成了系统控制软件和控制算法开发。 关键字连续式捣固车，起拨道补偿，激光矫直 o p e r a t i o n sb e c a u s e o fc o n t i n u o u sw o r k ，s ol t1 sw i d e l yu s e d t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nc o n t i n u o u sa n ds t 印- t y p et a m p i n g m a c h i n ei st h a tt h es a t e l l i t eo ft h ef o r m e rc a nm o v ew i t h i nt h ef r a m e w o r k o ft r a c k s ot h ec o n t r o la l g o r i t h mo fs t e p p i n go p e r a t i o ni sn ol o n g e r s u i t a b l ef o rc o n t i n u o u so p e r a t i o n i no r d e rt or e d u c et h ed i f f i c u l t yo ft h e s y s t e mr e d e s i g na n di m p r o v et h ec o m p a t i b i l i t y , t h ec o n t r o la l g o r i t h mo f c o n t i n u o u st a m p i n gi sb a s e do ns t e p t y p eo p e r a t i o nw i t hc o m p e n s a t i o n c o n t r 0 1 i nt h i s p a p e r , t h es y s t e mo fc o m p e n s a t i o nc o n t r o lf o rl i n i n g a n d l i f t i n go fc o n t i n u o u st a m p i n gm a c h i n ei sa n a l y s e da n dd e s i g n e d ，i n c l u d i n g t w op a r t so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i r s t l y , t h ed e t e c t i o nt h e o r yo fli n i n g a n dl i f t i n gi s b r i e f l yi n t r o d u c e d a n dt h ep r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo f c o m p e n s a t i o na r ea n a l y s e d s e c o n d l y , t h ec o m p o s i t i o no ft h es y s t e mi s p r e s e n t e da n dt h er e q u i r e m e n t s o fe a c hp a r ta r es u m m a r i z e da sa n i m p o r t a n tp o i n t ，c o n s i s t i n g o ft h e c o m p e n s a t i o n c o n t r o lo f s e t t l e m e n t ，c o n t r o l o f s a t e l l i t e ，c o m p e n s a t i o n c o n t r o lo fl i n i n ga n d l i f t i n g ，s i g n a lp r o c e s s i n go fl i n i n ga n dl i f t i n gu s i n gl a s e ra n d s oo n u n d e r t h ec o m p e n s a t i o np r i n c i p l ea n da l g o r i t h ma n dt h es t r u c t u r eo ft h e s y s t e m ，t h i sp a p e ri sg o i n gt od e s i g nau n i v e r a lc i r c u i tb o a r do nt h eb a s i s o fm c u w h i c hi ss u i t a b l e f o rv a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e m t h e s o f t w a r eo ft h ec i r c u i tb o a r da n dc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sd e v e l o p e do n t h eb a s i so ft h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dm a n u a l s t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r ed e t e c t e db ye x p e r i m e n t s p r o g r a m sa r e m o d i f i e dm o r ec o n v e n i e n t l yt h a nt h ep a r a m e t e r so ft h et r a d i t i o n a la n a l o g s y a t e m t h es y s t e mi ss i m p l ei nt e r m so fc o n s t r u c t i o n ，e a s yt oo p e r a t e a s t h ee x p e r i m e n t ss h o w , t h i ss y s t e mh a sag r e a ta n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y , g o o ds t a b i l i t y , h i g ha c c u r a c ya n ds t r o n gu n i v e r s a l i t ya sw e l l a tp r e s e n t ，t h e s y s t e md e b u g g i n g h a sb e e n c o m p l e t e d a n di ti s p u t t i n g i n t o i i p r o d u c t i o n ，r e a d y t od oe x p e r i m e n t so nt h em a c h i n e t h er e s u l t so ft h i sp a p e ra r es h o w na sf o l l o w s ：( 1 ) t h er e q u i r e m e n t so f e a c hc o m p o n e n ta n ds i g n a l so ft h es y s t e ma r es u m m a r i z e d ；( 2 ) au n i v e r a l s y s t e mo fl i n i n ga n dl i f t i n gi sd e s i g n e do nt h eb a s i so f m c ua n dt h ec i r c u i t b o a r di sd e v e l o p e d ；( 3 ) t h ec o n t r o ls o f t w a r ea n da l g o r i t h mo ft h es y s t e m a r ec o m p l e t e d k e yw o r d sc o n t i n u o u st a m p i n gm a c h i n e ，c o m p e n s a t i o no fl i n i n g a n dl i f t i n g ，l a s e rl e v e l i n g i i i a b s t r a c t 上l 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 铁路养护作业的发展1 1 3 国外养路机械的发展2 1 4 我国养路机械的发展历程4 1 5 课题来源与课题研究内容和意义5 第二章捣固车简介7 2 1 捣固车结构和用途7 2 2 捣固车工作装置及作业过程介绍8 2 2 1 捣同车工作装置简介8 2 2 2 捣固车作业过程1 0 2 3 捣固车电气系统l l 2 3 1 作业控制系统1 1 2 3 2 辅助控制系统1 2 2 3 3 我国捣固车控制技术存在的主要问题1 2 2 3 4 连续式捣固车电气控制系统存在的主要问题1 3 第三章线路方向及水平检测与起拨道补偿设计1 4 3 1 单弦法整正曲线的方法1 4 3 1 1 曲线半径、弦长与正矢的关系1 4 3 2 线路方向偏差检测及拨道分析1 5 3 2 1 线路方向偏差自动检测拨道过程分析1 5 3 2 2 四点式检测1 7 3 2 3 三点式检测1 8 3 2 4 线路直线段的激光矫直分析1 9 3 3 线路水平检测及起道分析2 0 3 3 1 线路横向水平检测及起道过程分析2 0 3 3 2 线路纵向水平检测及起道分析2 1 3 4 拨道补偿分析与补偿算法设计2 2 3 4 1 四点法补偿分析与算法设计2 2 3 4 2 三点法补偿分析与算法设计2 4 3 5 起道补偿分析与补偿算法设计2 5 3 6 抄平补偿设计2 6 第四章起拨道检测与补偿控制系统电路设计2 7 4 1 起拨道控制系统的系统构成2 7 4 1 1 检测系统2 7 4 1 2 沉降补偿控制系统2 8 4 1 3 卫星小车控制系统2 9 4 1 4 起拨道补偿控制系统3 0 4 1 5 激光起拨道信号处理系统3 1 4 2 系统硬件电路设计3 2 4 2 1 微控制器3 2 4 2 2 模数转换单元3 3 4 2 3 数模转换单元3 5 4 2 4 数字量输入输出单元3 6 4 2 5 参数存储和1 2 c 总线通信单元3 7 第五章起拨道检测与补偿控制软件设计与测试3 9 5 1 软件设计3 9 5 1 1 显示程序设计4 0 5 1 2 数字量输入输出程序设计4 1 5 1 3a d 采样程序设计4 2 5 。1 4o a 输出程序设计4 3 5 1 5 起道补偿算法程序设计4 4 5 1 6 拨道补偿算法程序设计4 5 5 2 起拨道补偿试验结果4 6 5 2 1 起道补偿试验结果4 6 5 2 2 拨道补偿试验结果4 9 第六章总结5 3 参考文献5 4 致谢6 5 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 6 v 要求加快铁路建设、推进铁路技术创新、确保运输安全、搞好运输经营、深化铁 路改革。 我国中长期铁路网规划的发展目标是：到2 0 2 0 年，全国铁路运营里程 达到1 2 万公罩，其中建设1 6 万公里四横四纵客运专线，速度在2 0 0 k m h 以上， 高铁速度更是达到3 5 0 k m h ，建设1 9 万公里西部开发新线，并提高线路的电气 化里程数。2 0 0 9 年我国铁路建设计划完成投资6 0 0 0 亿元，我国铁路建设已经进 入快车道【1 1 。 高速铁路的安全运行对线路的要求更加严格，捣固车作为铁路线路的新线建 设、旧线大修清筛和运营线路维修作业的主要设备，在我国铁路干线提速过程中 发挥着至关重要的作用，是实现铁路跨越式发展的重要支柱。在铁路事业快速发 展的同时，我国捣固车的制造技术与电气控制技术的发展必然也会突飞猛进，跟 上铁路发展的节奏。 1 2 铁路养护作业的发展 铁路线路在自然的侵蚀和列车荷载的作用下，线路的钢轨、道碴、轨枕和 路基必然会产生各种变形或损坏，使线路产生不平顺，从而会导致线路的承载力 下斛2 1 。为了让线路上各设备能够时常保持良好的状态，保证列车能够安全、平 稳而快速的运行，我们必须加强线路的养护与维修工作。铁路线路养护是铁路运 输组织体系中一项基础性的工作，是确保运输安全、运输效率、运输服务的前提。 我国的铁路发展已经有百余年的历史，随着我国铁路事业的整体进步，铁路 养护手段也得到了飞速发展，从表1 1 可知，我国铁路养护的发展经历了从纯人 工养护发展到小型机械化作业，最后发展到大型机械化作业的过程。 表1 - 1 铁路养护的发展 养护手段年代 养护工具 人工养护上t t i = 纪6 0 年代以前洋镐、锄头、手等 小型机械化上t u = 纪6 0 至8 0 年代捣同机、边坡刚填机、扒碴机、液压起道机等 大型养路机械上世纪8 0 年代末至今清筛车、捣固车、稳定车、磨轨车、配碴车、换 轨车、焊轨车等 硕士学位论文第一章绪论 铁路线路养护是一项十分繁重的工作，过去人工养护的办法是利用列车间隔 时间来进行养护作业，人工养护线路不仅劳动强度大，而且作业质量差，工作效 率也低。而且列车运行的密度随着列车数量的逐步增加和铁路的全面提速也变得 越来越大，供维修的列车间隔时间变得很短，人工养护和小型机械化的作业效率 都太低，已经无法满足在大密度的行车问隙中维修保养线路的要求。由于行车的 安全与线路养护的效率之间的矛盾变得同益突出，从而迫使铁路养护必须考虑新 的解决办法和出路，即甩掉洋镐把，实现机械化【3 】【4 1 。 近年来，线路作业的技术随着铁路运输事业的蓬勃发展而飞速发展，由于捣 固车在铁路线路建设、大修和维修机械化的整道作业中工作量大，对线路质量的 优劣起到了决定性的作用，所以很多国家都把捣固车的研制放在线路养护机械的 首位。 1 3 国外养路机械的发展 国外养路机械的发展很快，上世纪6 0 年代大型养路机械就广泛使用，养路 机械的产品也较全，包括捣固机械、道床处理机械( 配碴整形车、动力稳定车、 道碴夯实车1 、道床清筛车、路基整治设备、轨道和接触网检测车、机动式钢轨 加工设备( 焊轨车、磨轨车、轨接头矫直设备) 、特种装卸运输车、排雪车、排砂 车、吸碴车、起道器、钢轨钻孔机、拉轨器、收轨机等。这些产品技术先进，而 且质量很可靠，对铁路运输的安全运行起到了极其重要的保障作用，其中捣固车 是大型养路机械的重要大型设备。 现在世界上生产捣固车的著名公司有奥地利的普拉塞与陶依尔公司、美国的 坦博公司和瑞士的马蒂沙公司等，这些公司生产的捣固车的类型较多，按分类方 式不同有不同种类的捣固车，如表1 2 所示。 表卜2 国外捣固车类型 分类类别捣同车种类 按捣固轨枕数分 荦枕捣固车( 0 8 1 6 捣同车) 、双轨捣固车( 0 8 3 2 捣固车) 、四枕捣固车 按作业走行方式分 步进式捣同车( 0 8 3 2 捣固车) 、连续式走行捣同车( 0 9 3 2 捣同车) 按作业对象分 线路捣同车、道岔捣同车( 如0 8 2 7 5 型捣同车) 按作业功能分 单功能捣固车( v o - 3 道岔捣固车) 、多功能捣固车( 0 8 - 3 2 抄平起拨道捣固车) 除此之外，还有防尘和防噪音等一些具有特殊功能的捣固车【5 1 。 捣固车中应用最广的是0 8 系列和0 9 系列，0 8 系列采用步进式工作，由于 其价格比较低廉，操作方便，使用范围很广，0 9 系列是上世纪九十年代研制出 来的比较先进的新车型，采用连续式工作，其作业效率明显提高，冲击小，元器 件的使用寿命得到延长，操作更舒适，很快就得到了广泛应用。0 8 系列和0 9 系 2 硕+ 学位论文 第一章绪论 列的参数比较如表i - 3 所示。 表1 - 30 8 系列与0 9 系列参数比较 系统参数0 8 系列0 9 系列 系统总电源 2 4 v d c2 4 v d c 起道抄、f ，控制方法_ 二点式双弦抄、l ，法带补偿的_ 二点式双弦抄l ，法 拨道控制方法 啦弦二点法、四点法带补偿的嗨弦二 泫、四j _ 法 拨道伺服电流 0 1 5 m a0 1 5 m a 起道伺服电流 0 1 5 m a 0 1 5 m a 捣固比例电流 0 7 5 0 1 1 l ao 7 5 0 m a 控制精度l o m v1 0 m v 最高运行速度 8 0 k m l h9 0 k m l h 作业效率 10 0 0 m l h 13 0 0 m l h15 0 0 n d h 18 0 0 m h 纵向水、i z 精度 4 m m4 m m 横向水，f 精度 _ + 2 m m+ 2 m m 正欠测景精度 + 2 m m2 m m 最大捣固深度 5 6 0 m m5 7 5 m m 最大起道最1 5 0 m m1 5 0 m m 最大拨道最 1 5 0 m m1 5 0 r a m 0 9 系列和0 8 系列最大的不同之处是0 9 系列的作业小车可在大车框架内相 对移动，使作业效率得到明显改善，从每小时1 0 0 0 m , 、, 1 3 0 0 m 提高到1 5 0 0 m 1 8 0 0 m ，除此之外在车体结构上大致相同，车的尺寸略有不同。 在电气控制系统中，0 8 系列和0 9 系列都已从模拟系统向数字系统转变，采 用控制器以及外围控制芯片与一些接口电路完成控制，系统的稳定性得到较大提 高，采用程序控制的方法，解决了模拟系统中大量采用运放时的零漂问题和运算 电路的电阻偏差引起的系统误差以及多个电位器的调试难度，系统调试方便，采 用了中间值滤波和横向滤波等数字滤波算法，大大提高了捣固车的作业精度以及 电气控制系统的抗干扰能力，对精度要求高的控制对象采用了现代智能控制的方 法，控制算法通过程序可以简单实现，而模拟系统对现代先进的控制方法是无能 为力的。 在控制方法上，都采用了闭环控制的方法，0 9 系列捣固车的起道抄平与拨 道控制方法与0 8 系列类似，只是多了一个补偿环节，补偿控制是由于作业小车 相对大车移动所引起的，在电气控制系统转变为数字系统时，补偿控制系统也同 时向数字系统发生了转变，因此目前国外养路机械控制系统的数字化程度较高， 性能稳定，在国际市场上很受青睐【6 1 。 随着铁路速度的不断提高，列车的安全运行受到更大挑战，对线路的质量要 求更高，因此，捣固车的研制也在紧跟步伐，向高作业效率、高作业质量的方向 发展，目前很多国外著名的厂家已投入这方面的研究，相信不久又会有更先进的 硕 寓 尚 铁 拉 而 车 路 清 厶 口 型 路 机 科 操 和 进 捣 提 安全保证以及提速扩能等方面都发挥了极其重要的作用【4 1 。 2 0 0 8 年，昆明中铁研制的国内首台三枕连续式捣固稳定车( d w l - 4 8 ) 成功下 线使用，d w l 一4 8 三枕连续式捣固稳定车实现了捣固和稳定功能合一，作业效率 由原来的每小时养护铁路1 2 公里提高到2 4 公里，捣固轨枕数由一次捣固两枕 提高到一次捣固三枕，该车的试制成功填补了国内捣固稳定综合作业车的空白， 目前己向四大客运专线基础设施维修部门交付了近3 0 台捣固稳定车。该车满足 了高速铁路线路对高效率、高精度线路养护机械的需要，是当今世界作业精度和 作业效率较高、综合性能较先进的铁路线路捣固机械，标志着我国铁路养路机械 装备技术已达到了世界先进水平，我国铁路大型养路机械国产化又拉开了新的序 幕【l0 1 。 4 硕士学位论文第一章绪论 我国使用成套的大型养路机械进行铁路养护作业开始于上个世纪八十年代 末，经过2 0 多年的不懈努力，我国大型养路机械的生产技术和实际应用方面都 取得了举世瞩目的成绩，大型养路机械从无到有、从小到大，目前主型机械基本 齐全，配套设备也在不断更新中，除装备了捣固车、清筛车、配碴整形车、动力 稳定车外，又装备了钢轨打磨车、道佾捣固车、道龠打磨车、道分铺换设备等新 型配套机械【1 0 1 1 b 】【1 4 】。目前我国养路机械发展已形成一定规模，到2 0 0 9 年底，共 装备了3 0 多套大修机组和8 0 多套维修机组，形成了年大修能力5 0 0 0 多公里， 年维修能力4 0 0 0 0 多公里的规模。 我国大型养路机械制造体系通过引进国外先进技术，实现了全部线路大、中 维修主型机械的国产化，国产设备替代进口不仅大大降低了设备的购置费用、运 用成本，而且在使用中获得了更好的技术支持与售后服务，这些国产化设备以平 均低于国际同类产品2 0 3 0 的价格优势频频在国际采购中中标，与国外著名 厂家争得一席之地。 1 5 课题来源与课题研究内容和意义 我国养路机械的发展起步晚，制造技术与控制技术都来源于国外厂家，经 过2 0 多年的努力，捣固车的车体及机械制造技术已经可以和国外产品相媲美， 且价格要低廉很多，但捣固车的控制技术大部分还停留在模拟系统阶段，作业效 率、质量和控制性能与现在国外的数字系统相差甚远，且系统调试难度大，相关 资料少，很多是靠经验来完成，因此捣固车的电气控制技术长期以来还是依靠国 外技术进口，受制于国外的技术垄断，尚不具备自主知识产权的自研产品，这些 都严重阻碍了我国养路机械的发展进程。因此，要想实现控制系统的数字化，国 产化关键控制技术必须靠我们自己去摸索与研究。 高速铁路的发展，对路基、轨道等各类结构物的强度、刚度、稳定性、耐久 性的要求更高，对线路的沉降、超高等技术指标要求更加严格，国家铁路规划加 大铁路里程数的建设，包括高速铁路的建设，因此，捣固车将在铁路建设中起到 举足轻重的作用。 为了走自主发展的道路，株洲时代电子技术有限公司和中南大学轨道交通与 电力牵引研究所合作进行大型养路机械电气系统国产化控制软件开发项目的 技术研究，力图打破现有的国外垄断局面，摆脱国外技术控制，实现电气控制系 统的国产化，开发具有自主知识产权的电气控制系统，该项目的研究对象主要是 针对连续式捣固车电气控制系统中的起拨道补偿控制环节。 项目研究内容：对连续式捣固车电气系统中沉降补偿、起拨道补偿、卫星小 车控制、激光处理和稳定车微控制等五部分进行硬件系统设计和软件开发，研究 硕十学位论文第一章绪论 各控制环节的控制算法。以理论研究结合工程实践的可行性研究，开展我国具有 自主知识产权的大型养路机械电气控制系统。 目前，我国捣固车的控制系统正由模拟系统向数字系统转换，在数字化设计 时主要问题是相关的参考资料很少，而且资料较老，设计难度较大，工作量很大。 本项目的重点是研究连续式捣固车控制系统中的起拨道补偿控制部分，通过分析 补偿控制系统中各环节的控制要求，结合国外参考资料和操作手册以及检测过程 中的补偿原理，设计了一套基于单片机的通用型起拨道补偿控制系统，补偿系统 中各环节的控制都可由该系统来完成，而各环节的控制软件和控制算法开发经过 两年半的时间也已基本完成，实验调试效果较好。 在我国大型养路机械快速发展的同时，捣固车的电气控制系统必然迎来一次 大的变革，因此对捣固车关键控制技术的研究与技术攻克很有必要，其意义表现 在： 1 开发出具有自主知识产权的数字式电气系统，可大大降低捣固车电气控 制系统的成本； 2 解决我国长期靠技术引进的尴尬局面，摆脱国外控制技术的垄断； 3 掌握控制技术后，可进一步对控制系统进行改良，使之满足中国铁路的 发展国情： 4 为国产捣固车在国际市场取得更大的竞争优势，市场潜力大。 6 章捣下简介 铁路养护，大 1 9 9 0 年，昆 明机械厂从奥地利的普拉塞陶依尔公司引进了0 8 3 2 型捣固车的生产制造技术， 开始批量生产0 8 3 2 型捣固车，在线路大修段和线路机械化维修段逐步开始装备， 0 8 3 2 型捣固车外形如图2 1 所示。9 0 年代中后期，我国又引进了0 9 3 2 型连续 式捣固车，区别于0 8 3 2 型的步进式走行方式，其主要的作业部分与0 8 3 2 型捣 固车无区别。0 9 3 2 型捣固车的大车和作业小车分成了两部分，作业小车可在大 车的框架内移动，主要的作业装置都安装在作业小车上，而测量装置和控制系统 等都装在大车上【l i 】 1 2 】，其结构如图2 2 所示。 图2 - 10 8 - 3 2 捣固车外形图 卜捣固装置；2 一夯实装置；3 一起拔道装置；4 一车体；5 一司机控制室 一部分为作业小车 图2 - 20 9 - 3 2 捣固车结构图 捣固车在铁路线路维护中使用广泛，主要对轨道进行起道超平、拨道、石碴 捣固及道床肩部石碴的夯实作业，提高道床石渣的密实度，增加轨道的稳定性， 使轨道方向、左右水平和前后高低均达到线路设计标准或线路维修规则的要求， 保证列车安全运行。 捣固车与石碴回填整形车、动力稳定车或者枕间夯实车配套作业，组成机械 化维修列车，简称m d z 机组。该机组在铁路维修作业中对线路的质量有较大地 7 硕 ：学位论文 提高，线路的容许 2 2 2 2 1 捣固车工作装置简介 捣固车的工作装置主要包括捣固装置、夯实装置和起拨道装置。捣固装置的 作用是通过捣固钢轨两侧的枕底道碴来提高枕底道碴的密实度，和起拨道装置相 配合，消除轨道的高低不平，增强轨道的稳定性：夯实装置的作用是通过夯实道 床肩部的石碴来提高道床的横向阻力，提高轨道的稳定性；起拨道装置主要作用 于钢轨的头部，使轨排在水平和纵向产生位移，结合捣固装置的作用来恢复轨道 的几何尺寸，提高轨道的平顺性。这三套工作装置既可以同时对线路进行捣固、 夯实和起拨道的综合作业，也可以只单独进行捣固或是起拨道作业，但是在单独 进行捣固作业的时候，为了提高捣固的质量通常也应有适当的起道量。 捣固装置：捣固装置是捣固车的主要工作装置，通常有两套捣固装置，在捣 固车的中部左右对称地安装。每套捣固装置共装了1 6 把捣固镐，每次可以同时 捣固两根轨枕，因此称为双枕捣固装置。如图2 3 所示，双枕捣固装置主要由箱 体、捣固臂、捣固镐、飞轮、内外夹持油缸、偏心轴、捣固镐央持宽度调整机构、 液压系统和润滑系统等组成。左右两套捣固装置既可以同步捣固两根轨枕，也可 以只单独使用左右任一个捣固装置捣固轨枕的左右任一端道床。捣固装置不但具 有振动夹持的动作，还可以进行垂直升降和横向移动，升降和横移动作的控制是 由各自独立的自动控制机构来完成的。捣固装置的工作对象是碎石道床，工作环 境十分恶劣，振动的零部件很容易损坏，因此捣固装置是捣固车在日常维修保养 时的重点部位。 捣固装置的工作原理是以偏心轴连杆摇摆式振动和异步夹持原理，捣固作业 时利用捣固镐把振动力传递给石碴，石碴在捣固镐作用下产生振动并且向比较稳 定的方向移动，从而增加了道床的密实度；然后再利用捣固镐的夹持作用力，把 轨枕间隔中的石碴用力向枕底挤压，使枕底石碴变得更加密实，提高轨道的稳定 性，保证行车安全。 简介 夯实装置：夯实装置由夯实器( 激振器) 、升降限位机构、减振及锁定机构 组成，它安装在捣固装置的横移框架上面，夯实装置和捣固装置是同步工作的， 当捣固装置下降的时候，夯实器也随之而下降，夯实器落在被捣固轨枕外的道床 肩上对道床进行夯实作业。当捣固装置升起的时候，夯实器也随之升起，向下一 个需要夯实的位置移动。夯实装置就像浮着式的平板惯性振动器，它浮着在道床 肩部对道床进行夯实，提高道床肩部的石渣密实度，增大道床的横向阻力。 起、拨道装置：起、拨道装置有左、右两套，分别作用于左、右两股钢轨上， 对轨排进行提起或左、右移动，即起道、拨道作业，起道、拨道作业可以消除轨 道线路方向和水平的偏差，使线路曲线变得圆顺，直线更加平直，从而确保行车 的安全。起、拨道装置可以单独进行起道或是拨道单项作业，在无起道量的单项 拨道作业时，为了减小拨道阻力，在实际工作中也要设置l o m m 左右的起道量。 起拨道装置和电液伺服阀、线路方向及水平检测装置、电子控制装置共同组成起 拨道电液位置伺服系统，该电液位置伺服系统中的执行机构是起拨道装置，起拨 道作业可以自动完成，不需要人工操纵。如图2 4 所示，起拨道装置由起道油缸、 拨道油缸、导向柱、拨道轮、夹轨轮组、起道架和摆架等组成。 9 硕十学位论文第二章捣i 刊车简介 图2 - 4 起拨道装置 卜起道油缸；2 一拨道油缸；3 一夹轨油缸；4 一拨道轮；5 一夹轨轮；6 一导向柱；7 一勾；8 一气缸； 9 一竖销轴；1 0 一起道架；1 卜吊耳；1 2 一摆动架；13 一勾座；1 4 - 车架；1 5 一接近开关。 起拨道装置最大起道力2 5 0 k n ，保证精度的最大起道量为15 0 m m ，起道精 度能达到横向水平2 m m ，纵向高低( 1 0 m 弦测量) 误差小于3 m m 。当重型轨 起道产生较大反弹或因起道量大出现较大下沉时，会出现起道量达不到要求的情 况，对此可利用起道补偿功能和起道增益功能，使起道量得到补偿。最大拨道力 为1 5 0 k n ，最大拨道量为左、右各1 5 0 m m ，精度能达到( 用1 6 m 弦量，每间隔 4 n d 正矢差 - 5 8 8 v 1 5 8 8 m v m m 5 8 8 8 m v m m 2 3 1 8 m v m m 1 2 8 8 8 m m ：i 7 5 8 m m ：2 8 7 5 8 m m ：& 7 8 8 m m h o r df i x e d ! 。，d z ，t 、时“一 。一船 ，。一勰“。r 、凇n 5 4 ：辨n 。燃r 。f i 、| 一，神t 一竹 ，“：”“机嘴；黜鬻蹄i 概 ，# w i “：，。一口| 。铭i ? 4 | 学锉缴 图5 - 2 参数显示与操作界面 参数介绍如表5 1 所示。 表5 - 1 界面参数说明 参数列表参数说明 s a t o f f s e t甲星小车零点位置设置 s a t s c a li n g 卫星小车位置当量 v e r s i n es c a li n g ( 3 - p k t )二点泫作业点正矢当量 v e r s i n es c a l i n g ( 4 - p k t ) 四点法作业点正矢当量 l e n g t ho fl e v e l1i n gc h o r d水、i ，检测弦线长度 l e n g t h3 一p t 1i n i n gc h o r d ( b d ) 三点法线路检测弦线长度 l e n g t h4 一p tii n i n gc h o r d ( a d )四点法线路检测弦线长度 m e a s t o1 i n i n g t r a n s d ( b c ) 线路检测传感器距离 5 1 2 数字量输入输出程序设计 数字量输入输出是通过可编程并行i o 接口芯片8 2 5 5 a 来完成的，由附图7 可知，8 2 5 5 a 的a 口地址为e o o o h ，b 口地址为e 0 0 1 h ，c 口地址为e 0 0 2 h ，控制 4 1 ra e e t 7 r 1 m l e n r lt，fe s y t y t a s d n s r 1 p o o e u h p t c g a w n 0 r o ：l b l t 1_i1_ 1 p a t l 0 一 c a af s s c 2356789 a 0 fffrrffrffrfff，ff )c 、j、_，、，一 r l r l jfl_ b 日b t (p d 一 ： ：r d d 3 ， ) ) ) o r r v h t t h o 0 d 一5 0 k k c h h s 一一 r p p c c n ( p：一一g a m e 9 3 n g g r m t e e n(1 n n t e n t (1 111一t o s l g g l n n g s r y a n n e 1 1 n y f s s c 1 1 v l 1 1 s 硕十学1 ：7 = 论文第五章起拨道检测与补偿控制软1 ，| ：设计与测试 字寄存器端口地址为e 0 0 3 h ，其中a 口为数字量输出端口，b 口为数字量输入口， c 口为输出口，用来选择模拟量采样通道。 控制字格式为d 7 、d 6 、d 5 、d 4 、d 3 、d 2 、d 1 、d 0 ，其中标志位d 7 必须为1 ， d 6 d 5 为a 口工作方式选择控制，此处为0 ( 基本输入输出) ，d 4 为a 口输入输出 选择，此处为0 ( 输出) ，d 3 为c 口高四位输入输出选择，电路中没有接，d 2 为b 口工作方式选择控制，此处为0 ，d l 为b 口输入输出选择，此处为1 ，d 0 为c 口低四位输入输出选择，此处为o ，因此8 2 5 5 a 控制寄存器的值为8 2 h ，程序设 计如下： m o vd p t r ，# e 0 0 3 h m o va ，# 8 2 h m o v x d p t r ，a m o vd p t r ，# e 0 0 1 h m o v xa d p t r m o vd p t r ，# e o o o h m o y x d p t r a m o vd p t r ，# e 0 0 2 h m o v x d p t r ，a 5 1 3a d 采样程序设计 ；8 2 5 5 a 初始化 ；数字量读取程序，将数字量从b 口读入给a ；数字量输出程序，将a 中的值从a 口输出 ；c 口输出程序，根据a 的值选择a d 采样通道 a d 采样是由a d 转换芯片a d s 7 8 0 5 完成的，由附图7 可知，a d s 7 8 0 5 的选 通地址为e o d l h ，假设采样通道已由8 2 5 5 a 的c 口选通，采样程序设计如下： m o vd p t r ，# e o d l h m o va # o o h m o v x d p t r ，a：启动a d 转换 j bp 1 7 ，$；等待启动 t i m e ：m o vc ，p 1 7 j n ct i m e；等待转换完成 m o vd p t r ，# e o d l h m o v xa ， d p t r m o vr 6 ，a ；读转换数据的高8 位数据，保存在r 6 寄存器中 m o vd p t r ，# e o d o h m o v xa ， d p t r m o vr 7 ，a；读转换数据的低8 位数据，保存在r 7 寄存器中 在程序中对外部模拟量输入采用平均值滤波，连续采样三次后取平均值，将 4 2 硕十学位论文第瓦章起拨道检测与补偿控制软件设计与测试 平均值作为采样的实际值，提高数据采集的精度。 在运算中由于都是模拟量，为了提高计算的精度，程序中的计算数据均采用 浮点数形式存储，进行浮点数运算，将r 6 r 7 中存储的外部输入的定点数首先通 过转换程序转换为浮点数，再乘以a d 转换1 l s b 对应的电压值，这样存储的就是 外部输入的实际电压值，通过运算后再将模拟量的浮点数转换为定点数，从d a 输出。 浮点数和定点数的转换程序是根据i e e e7 5 4 1 9 8 5 4 8 - - 进制浮点数算术标准 来完成的，3 2 位二进制浮点数数的排位为： 3 1 3 0 2 9 2 1 0 ，其中 第 3 1 位为符号位( s i g n ) ，0 表示正，l 表示负，紧接着的8 位为指数位 ( e x p o n e n t ) ，最后2 3 位为尾数位( m a n t i s s a ) ，对应十进制数的转换关系为： d p c ：( - 1 ) 洲1 m a n t i s s a 2 ( e x p o u e 孵。1 2 7 ( - 1 ) 例如十六进制浮点数为0 x 4 0 8 2 0 0 1 2 ，s i g n = o ，e x p o n e n t = 0 x 8 1 = 1 2 9 ， 1 m a n t i s s a ：l + 1 3 丁1 0 9 0 ：1 0 1 5 6 3 ， 2 。 根据式( 5 一1 ) 可得其表示的十进制数为 d e c = 1 0 1 5 6 3 4 = 4 0 6 2 5 2 同理可将十进制数转换为对应的二进制浮点数。 5 1 4d a 输出程序设计 模拟量输出是由d a 转换芯片a d 7 8 4 1 完成的，1 4 位转换数据是分两次写入 到a d 7 8 4 1 中的，由附图7 可知，锁存器的选通地址为e o c o h ，a d 7 4 8 1 的选通地 址为e o c 8 h ，各输出通道的地址是在此地址的基础上加上通道号，如第4 通道输 出的地址是e o c c h 。 设输出定点数数据保存在r 4 r 5 寄存器中，输出通道值保存在r 6 r 7 寄存器中， 输出程序如下： m o va ，r 5 m o vd p t r ，# e o c o h m o v x d p t r ，a m o va ，r 4 a n la ，# 3 f h m o vr 4 a m o va # o c 8 h a d da ，r 7 m o vd p l ，a ；输出低八位数据到锁存器 ；取低六位数据 4 3 硕十学