冯平书

【摘 要】针对GMC48钢轨打磨车的液压走行系统，介绍了闭式液压系统的液压传动原理，分析了液压走行电气控制系统的组成结构。重点研究分析了液压走行低恒速与同步控制技术：基于PID控制器的速度闭环控制，以及基于速度外环与压力内环的双闭环PID控制策略。最终实现了GMC48钢轨打磨车打磨作业速度控制精度高、稳定性好的目标。

【关键词】钢轨打磨车;液压走行;同步;PID控制器

中图分类号： U216.65文献标识码： A文章编号： 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

隨着我国铁路越来越重视钢轨的维护，钢轨打磨车的应用将越来越广泛。钢轨打磨车可以对钢轨进行修复性打磨，有效地消除钢轨表面的不平顺、波浪型磨耗、钢轨肥边等病害。影响打磨车打磨效果的因素很多，其中作业走行速度的稳定性是尤其关键的。一般来说，打磨车的作业速度范围是3-16Km/h，最佳打磨速度为8-10Km/h，作业走行速度的精度和稳定性控制是钢轨打磨车控制技术中最为核心的部分之一。

大型养路机械液压走行系统一般有两种，一种是采用闭式液压驱动的走行系统，另一种是采用液力变矩器驱动的走行系统。GMC48钢轨打磨车是中国铁建高新装备股份有限公司研制的一台48头钢轨打磨车，其采用的是闭式液压驱动方式，这种驱动方式的优点是走行运行平稳，尤其适合于走行精度要求高的场合。本文基于此液压驱动系统，介绍了GMC48钢轨打磨车走行控制的液压、电气组成，以及作业低恒速走行和同步控制的算法策略。

1 走行液压系统

GMC48钢轨打磨车由A车、C车、B车三车固定连挂组成，如图1所示。其中A/B车为动力车，C车为从动车。走行液压系统由4个A4VG250的柱塞泵驱动8个A6VM215的柱塞马达，A车和B车的8根车轴为动力轴，分别由8个柱塞马达驱动。C车的4根轴为从动轴。2个柱塞泵和4个柱塞马达组成一套闭式液压回路。整车走行由两套闭式液压回路同时驱动，每个闭式液压回路中都设置有100bar和150bar的反向制动阀，防止在长大下坡时出现反拖工况。

闭式液压走行传动系统如图2所示

通过闭式液压走行传动系统将发动机产生的动力传递到车轴齿轮箱，经过齿轮箱的减速后带动车轮运转，以驱动打磨车的走行。其中，变量泵和变量马达组成的闭式液压系统控制了压力、流量和方向。变量泵是斜盘结构设计的轴向柱塞泵，通过调节旋转斜盘的角度，可实现流量的无级调速，内部带有比例电磁铁，通过EP电气控制。当斜盘通过中位时，液压油流动方向会平稳改变。变量马达采用斜轴式设计的轴向锥形柱塞马达，其排量在最小和最大之间无级可调。马达内部带有比例电磁铁，通过EP电气控制。

2 液压走行电气控制系统组成

A、B两个动力车分别配置了一套力士乐RC控制器，该控制器是力士乐专门为走行机械而开发的一款控制器。RC28-14/30控制器提供了28个比例电磁铁输出（PWM）、14个数字量输出，用于控制变量泵和变量马达的比例电磁铁，以及其他功能的一些电磁阀;75个输入通道（包括数字输入、模拟输入、电阻输入、频率输入）可用于接入各种输入信号，比如压力信号、马达转速传感器的频率信号等;4个CAN通信接口，用于与其他控制器或CAN设备通信、也可用于调试。

RC控制器主要负责走行控制程序的执行，同时通过CAN总线与整车的主控PLC控制器进行数据交换。主控PLC给RC控制器下达与走行相关的指令（设定速度、方向、制动等），RC控制器将走行系统的一些反馈信息、报警信息等传给主控PLC，主控PLC将这些信息处理后再传到上位显示屏进行显示。

3 液压走行低恒速与同步控制策略

GMC48钢轨打磨车A/B动力车都可以单独进行牵引，也可以同時牵引，正常打磨工况下，A、B车发动机同时启动。打磨车作业走行速度范围为3-16Km/h，最佳打磨速度8-10Km/h。为了提高打磨车作业效果，液压走行的控制目标是：作业走行精度在±0.5Km/h以内、双动力驱动无反拖、速度响应快且无明显过冲、速度稳定无明显波动。

3.1 低恒速走行控制

通过走行液压系统的分析可以看出，打磨车的走行速度控制是通过控制变量泵和变量马达的排量来实现的，而泵和马达的排量又是通过控制比例电磁铁的电流从而控制斜盘的偏转角度来实现的。GMC48打磨车所选的泵和马达的比例阀EP控制电流都是200mA-600mA，对应泵和马达的最小和最大排量。在作业走行工况下，变量马达固定输出最大排量，即输出给马达的比例阀600mA的电流。然后通过控制变量泵的排量来控制走行速度。低恒速控制以速度为控制对象，各个马达的速度传感器采集的速度信号进行加权、滤波计算后作为速度反馈值，作PID算法处理，PID闭环控制计算出变量泵排量对应的比例阀控制电流值。

在PID控制器中，比例系数成比例的反应系统偏差，其大小决定了系统响应的灵敏度;积分环节的主要作用是消除系统的稳态误差;微分环节能够反应系统偏差的变化趋势。通过反复不断地调节PID参数，使得参数与实际系统的特性达到最佳匹配状态，从而得到速度调节的理想曲线，如图4所示。

3.2 同步控制

对于分散动力设计的液压走行方式，需要进行同步控制，GMC48钢轨打磨车有两个动力包，A、B车同时牵引时，采取一主一从的同步控制方式;主从的设定与整车控制权相关，获取控制权的一边设定为主车，而另外一边设定为从车。在主车的控制程序中，做速度的闭环PID控制算法;从车则做跟随控制，在速度PID算法的基础上再以两车液压走行回路AB口（高低压侧）的压力差值做一次PID闭环控制，即从车进行双闭环PID算法控制。如图5所示

图中以速度PID算法作为外环，以高低压侧的压力差值PID算法作为内环，从而构成双闭环PID控制。其中内环的PID控制器以压力差值作为反馈值，输出的调节量作为外环速度反馈的修正系数。从而实现从车在速度跟随的同时，压力也同步跟随。有效地消除A、B车出现的反拖状况，也保证了速度的精度和稳定性。

4 结语

GMC48钢轨打磨车已经完成样机试制，并已通过出厂检验，该液压走行控制系统、控制算法策略已经在此车上进行试验并得到了充分验证，实践证明其控制性能优越，对打磨车走行速度控制精度高，稳定性好。该项技术的突破为钢轨打磨车国产化提供了技术支撑。

【参考文献】

[1]葛一楠，唐毅谦，喻晓红，樊云，谢虹.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社.2016.

[2]中国铁建高新装备股份有限公司.GMC48钢轨打磨车操作手册[S].2019.

[3]王才东，王立权，赵冬岩.多马达液压同步控制系统设计及试验研究[J].机床与液压，2013.

[4]余高翔.PGM-48型钢轨打磨车电气控制系统研制[J].机车电传动.No.6 2013.