高速铁路长轨生产系统研发与应用中设备方案及强度校核结果

（1）结构设计

1）形式及特点。固定式起重机主梁结构采用钢板焊接成U型槽钢，再与工字钢组焊成箱型实腹板梁，支撑为混凝土基础。起升机构采用MD型电动葫芦。

2）主要技术参数确定。

起重量：Gn=5t。

跨度：S=34m。

电动葫芦规格：MD15～6D。

起升速度：8/0.8 m/min。

起升高度：6m。

工作制度：中级JC25%。

葫芦运行速度：20.3 m/min。

葫芦自重：530 kg。

3）主梁计算。

A.主梁断面几何特性。根据系列产品资料，初步给出主梁断面尺寸如图5-24所示。

图5-24　主梁断面尺寸示意图（单位：mm）

B.主梁强度计算。主梁强度计算按Ⅱ类载荷进行组合，活动载荷按集中载荷计算，计算只对主梁跨中断面弯曲正应力进行验算。

跨中断面弯曲正应力包括梁的整体弯曲应力和由小车轮压在工字钢下翼缘引起的局部弯曲正应力两部分，合成后进行强度校核。

梁的整体弯曲在垂直平面内按简支计算（图5-25）。在水平平面内按刚接的框架计算。

图5-25　梁的整体弯曲在垂直平面内按简支计算模型图

垂直载荷在下翼缘引起的弯曲正应力

σZ=y1（PL/4+KⅡ.q.L2/8）/Jx1

其中：　P=ψⅡQ+KⅡ.G葫

q=1 000F.γ+q'

主梁工字钢下翼缘局部弯曲计算

计算轮压作用点位置i及系数ε：

i=a+c-e

其中：a=（b-d）/2=6.3，c=0.4，e=0.164 R=2.87

工字钢下翼缘局部弯曲应力计算

σ1=±α1k1P轮/t2

点1纵向（yz平面内）局部弯曲应力σ2

σ2=α1k2P轮/t2

点2'纵向（yz平面内）局部弯曲应力σ3

σ3=α2k3P轮/t2

主梁跨中断面当量应力计算

主梁垂直静刚度计算

f=PL3/48EJx

4）有限元分析。为了计算方便，忽略螺栓、支撑板以及板材上的孔等结构；忽略各个模型的倒角、倒圆、拼接扣等不必要的结构，建立主梁的三维模型。模型如图5-26所示。

图5-26　力学计算模型图

板材覆盖件设置为计算精度较高的结构化网格，而支撑件设置为有利于计算结果收敛的非结构化网格。网格划分结果如图5-27所示，其中网格的节点数为：71 972个，单元数为：42 715个。

图5-27　网格划分结果图

在以上载荷情况下，结构的最大变形量小于设计要求；应力不大于材料的屈服极限。所以结构设计安全、合理（图5-28）。

图5-28　主梁载荷变形与应力云图

（2）控制系统

由于当前的500m长轨吊运控制系统存在的众多缺点，设计一种全新的500m长轨吊运控制系统迫在眉睫，彻底解决32台吊车的同步控制，降低人力成本，增加效率是本项目需要解决的几个关键问题。要解决这几个问题，必须解决以下几个技术关键。

能精确地对各吊车位置进行检测，并能实现32台吊车的自动定位功能，从而降低人力成本。

实现32台吊车的同步控制，解决32台吊车的通讯问题，保证32台吊车的响应同步。

实现自动抓轨和放轨功能，开发具有能实现自动抓轨放轨的吊具及相应控制技术，最大限度地降低人力成本，提高效率。

能够保证安全生产，能实现手动、自动等多种控制方式。

1）系统功能。

A.精确定位功能。系统可实现各吊车精确一次定位到指定取轨和放轨位置，整个定位过程只需一键操作，所有吊车会同时到达指定取放轨位置，确保所有吊车在同一水平坐标位置，同时提高取轨、放轨作业效率。采用多种定位控制方式实现500m钢轨的同步吊装作业，可根据操作系统和各现场的不同，灵活进行选择，便于操作。

第一种方式，信息化堆场作业方式：将整个钢轨的堆放料场进行信息化、数字化管理，即将堆场虚拟成若干个钢轨堆放位仓，每个堆放位仓刚好为一条钢轨放置的宽度，在系统中存放有每个钢轨位仓的准确地址信息，同时通过触摸屏也可以随时更改各钢轨位仓的地址。这样整个堆放场地就被编码成由多个钢轨位仓组成的数字存贮料场，利用触摸屏从软件中实时设定取轨与放轨的具体的钢轨位仓号，控制系统就可根据各吊车的位置信息控制各吊车同步到达指定的目的钢轨位仓号，自动完成取轨和放轨作业，实现钢轨的同步起吊作业。

第二种方式，跟随控制方式：此控制方式为一主多从结构，系统中可取32台吊车中的一台站作为参考对象，其他31台吊车为跟随对象，当参考对象的吊车运动时，其他的吊车跟随参考吊车同步移动。系统可适时检测到参考吊车以及跟随吊车的位置差异，根据差异控制跟随吊车与参考吊车的位置同步，并最终到达相同的位置和高度。完成同步起吊作业。在设置为跟随方式时，系统先进行同步位置校正，保证跟随吊车与参考吊车在同一高度和水平距离。此控制方式优点为可最大限度地减少操作人员数量，只需配备几名辅助操作人员，保证吊钩能准确挂钩和脱钩。

第三种方式，坐标控制方式：此控制方式通过在触摸屏中输入取轨或放轨坐标，确认后所有吊车可自动到达指定位置，为方便操作，在触摸屏中设置取轨位置，放轨位置以及取轨间隔地址和放轨间隔地址，系统可根据加减间隔地址自动计算出下次吊车取轨或放轨位置，保证所有吊车可快速定位于目标取轨放轨位置。

B.自动抓轨、放轨功能。系统中通过高精度拉力传感器以及利德公司自主研发的长钢轨专用吊具，可实现吊车的自动抓轨和放轨，整个自动抓轨过程可通过一键完成，包括吊具触轨到位自动下降停止，吊具下降到位自动上升抓轨，抓轨到位自动停止上升等自动化过程。

C.遥控控制功能。系统选用进口无线控制接收与发送装置，可通过无线控制器控制所属集控中心中任何一台吊车的上升和下降。

D.多台吊车同步控制功能。系统采用双层现场总线控制网络，上层网络为4个中心集控台之间，下层网络为中心集控台与各现场控制台之间。通过总线网络发送控制命令，保证各32个吊车的同步起降和走行。整个网络完成所有32台吊车的读写和控制指令传递时间小于0.05m/s，响应速度快，同步性能优越。

E.交互式人机界面控制功能。在使用中，可以通过操作触摸屏按键或输入相关控制及地址信息，实现对吊车的控制，人机互动，操作员可以灵活选用控制方式，实现对32台吊车的同步控制。

F.安全联锁控制功能。所有现场控制台以及中央控制台中均配有急停保护功能，其中任何一台现场控制台或中央控制台急停，则该急停控制台所属区域内所有吊车均立即停止运行，保证生产安全。如急停时在联锁控制状态下，则所有32台吊车会全部停止运行。如联锁解除，急停若非本中心集控台所属范围，该中心控制区不受任何影响，可正常运行。

2）32台同步吊设备。

A.32台吊车同步控制。为保证32台吊车的同步响应速度，系统中采用了现场总线的分布式控制结构，整个系统分为两层，上层为4个中央集控台之间，采用modbus总线协议；下层为各中央集控台和8个现场控制站之间，采用PC-LINK通信协议，通信速率为19 200bps。采用此控制结构，整个控制循环设计为0.06s，极大地提高32台吊车的同步响应速度。

B.水平位置检测与定位。格雷母线位移检测系统以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电磁耦合来进行位置检测和数据通信，它是一种非常成熟的非接触绝对位置检测和数据通信传感器，该传感器主要由格雷母线、天线箱、地址编码发生器、地址解码器4大部分构成。格雷母线类似一把有刻度的标尺，天线箱类似指针，指针指向的刻度即是当前位置值，无须初始参考点，定位精度5mm，可以断续或连续检测，尤其适用于轨道不平整的大车或环形运动机械位移检测，一般将格雷母线铺设在轨道边，天线箱固定在移动机车上，可以在车上或地上得到位移量，地址信息可以通过自身感应或数传电台、信号拖缆进行传输。一条格雷母线可以供多台移动设备使用，而且长度可依工程需要而定，多根格雷母线可拼接。防水、防油、防尘、耐酸碱，理论上无寿命极限，因此在本方案中采用此定位方式。

a.格雷母线结构。系统为实现各吊车水平位置检测，采用格雷母线定位技术格雷母线位移传感器以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电磁耦合来进行通信，并在通信的同时检测到天线箱在格雷母线长度方向上的位置。

格雷母线由电缆芯线、模芯和电缆护套构成。电缆芯线有两种，即基准线（R线）和地址线（G0～G9线），基准线用于获取标准信号，地址线用于检测地址。各对地址线按不同步长规律编排，每隔一定长度（步长）交叉一次，设格雷母线的最小步长为W，则G0、G1、G2、…、G8、G9步长分别为1W、2W、4W、8W、…、256W、512W，基准线R在整个格雷母线段中不交叉，格雷母线芯线展开如图5-29所示。

图5-29　格雷母线芯线展开示意图

b.格雷母线位置检测工作原理。格雷母线位置检测传感器以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电磁耦合来进行通信，并在通信的同时检测到天线箱在格雷母线长度方向上的位置。格雷母线位置检测有两种工作方式。

地上检测方式：地址编码发射器安装在小车上，通过格雷母线接收地址信号，地址解码器安装在固定站上，在地面站完成地址检测。

车上检测方式：地址编码发射器安装在固定站，通过格雷母线芯线发射地址信号，天线箱、地址解码器安装在移动电机车上，电机车直接检测到地址。

地址编码发射器和天线箱安装在移动站，通过天线箱发射地址信号，地址编码接收器安装在固定站上，在固定站完成地址检测。

通过G0、G1、…等地址线直接解析出的地址叫作绝对地址，也叫“大地址”。

如图5-30所示，我们通过一个最小的地址检测系统来描述地上检测方式工作原理，该系统格雷母线仅由一对交叉线和一对平行线组成。

图5-30　地上检测方式工作原理图

当移动站的天线箱线圈中通入交变电流时，在天线箱附近会产生交变磁场，由于天线箱离格雷线很近（约80mm），故格雷线近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，因此每对格雷母线会产生感应电动势。(https://www.xing528.com)

由移动站天线箱发射的地址信号通过电磁耦合方式传送到格雷母线的交叉线和平行线上，并通过交叉线和平行线把信号传送到固定站的地址编码接收器。地址编码接收器对接收到的信号进行相位比较。

将两对交叉线的信号分别与平行线（标准线）信号进行相位比较，如果交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，那么定义地址为“0”；如果相位相反，定义地址为“1”。图5-29中地址1的两对交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，因此地址1为“00”。地址2中的第一对交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，第二对交叉线的信号相位与平行线的信号相位相反，因此地址2为“01”。

从以上分析可以看到，格雷母线用一对地址线可以检测到2个地址，用二对地址线可以检测到4个地址。实际上，用n对地址线可以检测到2 n个地址。

根据电磁学理论：

Φ=S×B

式中：Φ——磁通量；

S——线圈面积；

B——电磁强度。

e=N×dΦ/dt

式中：e——感应电压；

N——线圈的匝数。

理论上讲，只要将格雷母线最小步长W取得足够小，格雷母线定位精度就可以做得很高，但在工程上由于格雷母线芯线、天线箱尺寸误差、机车摆动，磁场分布不均匀性，以及外界干扰等因素，格雷母线最小步长W取值受到一定限制。W取得太小，电磁感应面积变小，地址检测的信噪比低，造成地址不稳定。根据工程经验，W=200mm较好。

格雷母线最小步长W根据定位精度来确定，电缆长度由格雷母线芯线的数量和最小步长W确定。一般来说：

绝对定位精度μ=W/2（其中W为格雷母线最小步长）；

格雷母线长度L=2n×μ（其中n为格雷母线芯线的数量）。

通过上面的分析我们知道当格雷母线最小步长W=200mm时，大地址的检测精度为：

μ=W/2=200/2=100（mm）

如果格雷母线地址线为10对（G0-G9），当W=200mm时，则格雷母线长度为：

L=210×100（mm）=102.4（m）

地址线G0步长200mm，在100mm开始交叉；G1步长400mm，在200mm开始交叉；G2步长800mm，在400mm开始交叉，…；G8步长51.2m，在25.6m交叉一次；G9步长102.4m，在51.2m交叉一次。

为保证定位检测精度，在绝对地址的基础上，对大地址进行细分获得高精密地址。

精密地址检测方法是在格雷母线中增加一对地址线L0，L0交叉间隔跟G0一样，只是错开半个步长，如图5-31所示。

图5-31　精密地址检测方法示意图

与绝对地址一样，精密地址也分为车上检测方式和地上检测方式。两种工作方式原理相同，这里以地上检测方式为例。

如图5-31所示，G0，L0两对线的交叉间距一致，均为200mm，且错开100mm，其中R线为标准信号线，不交叉。

当移动站的天线箱线圈中通入交变电流时，地址线G0、L0产生的感应电动势如下。

V0=-N×dΦ0/dt　（1）

V1=-N×dΦ1/dt　（2）

Φ=S×B　（3）

式中：V0、V1——电缆芯线G0、L0上感应电动势信号幅度；

dΦ0、dΦ1——通过电缆芯线G0、L0的磁通变化量；

N——格雷母线芯线圈数，在这里N=1；

B——磁场强度；

S——磁场作用在电缆芯线G0、L0上的有效面积。

设S0是磁场作用在芯线G0上的有效面积，S1是磁场作用在芯线L0上的有效面积，H为电缆的宽度，W为格雷母线芯线的最小步长。当移动站上的天线箱按图5-30中方式移动时（移动距离为X，X＜100mm）。

则：

V0=-dφ0/dt=-BdS0/dt=-Bd（HW-2HX）/dt　（4）

V1=-dφ1/dt=-BdS1/dt=-Bd（2HX）/dt　（5）

在同一时间间隔内，由（4）/（5）得：

V0/V1=W/2X-1　（6）

格雷母线安装好后，当天线箱信号源不变时，由式（6）可知，当X＜100mm范围内，V0/V1与X呈线性关系。由于G0、L0的交叉间距相同且错开100mm，故在100mm间距的每个位置总有一个V0/V1比值对应，且这个比值不受环境噪音和接收信号电平波动的影响。

理论上如果将V0/V1比值无限细分，可以获得非常高的检测精度，但是由于工艺条件的限制，地址细分数不可能很大，根据工程经验，细分数取20较好。例如，如果格雷母线得到的大地址精度为100mm，细分数为20，则精密地址精度=100/20=5mm。

C.垂直方向定位与控制。系统垂直方向位置的检测采用高精度重力传感器、长钢轨专用机械式吊具以及PLC控制算法等实现垂直方向的定位，采用此控制方式可确保32台吊车垂直方向误差小于30mm。

重力传感器安装于每个电葫芦钢丝绳之上，选用的重力传感器可以实时检测出各吊钩的状态信息，包括触轨状态、触轨到位状态、空钩悬空状态、挂轨成功状态等，PLC控制根据吊具的状态信息，形成相应控制算法，保持各吊车的垂直方向的直线度。

D.系统方案。基于现场总线的控制系统（FCS）是目前工业控制的关键技术，通过对现场总线技术内核的对比分析，提出现场总线方式的控制网络，构成分布式的控制结构，实现中央集中控制，提供系统的可靠性。现场总线通信速率快，系统响应及时。通过总线节省成本，提高科技含量，具有较好的实用性和经济性，同时为系统的扩展提供了方便的接口，方便日后的系统功能扩展。

本方案中长钢轨吊车同步移动集控系统由4个中心控制站和32台现场控制站组成。采用现场总线控制技术，中心控制站，现场控制站组成分布式的控制结构。每个中心控制站可单独控制其所管辖的8台现场控制站中的一台或多台，同时任一个中心控制站也可以作为总控制站，负责统一指挥所有32个现场控制，实现32台吊车的同步操作。现场控制站负责每部吊车的执行。中心控制站和现场控制站通过总线方式连接。系统结构如图5-32。

图5-32　系统结构图

系统中各吊车的同步检测采用格雷母线定位技术实现，通过安装在各吊车上面的格雷母线实现小车沿Y轴移动的位置信号检测，各吊车位置可实时通过各现场控制站传递到集中控制站。集中控制站根据各吊车的位置进行统一调度和调整，同时在Y轴移动方向传动采用变频器控制，集中站根据各车当前位置与目的地址以及参考吊车位置动态调整各变频器的输出频率，保证各吊车的位置同步，并精确地控制吊车停到目的地址。

当吊车起吊过程中，本系统应用拉力传感器采集吊车所吊重量，并将所采集信号以RS232C通讯方式传输至PLC分站系统。集控台根据各现场控制台传送过来的重量信息进行相应的逻辑处理，保证每台吊车同时负荷钢轨重量，保持各台吊车负载均衡，确保每个吊车已安全起吊正确的钢轨，避免在吊装过程中出现挂错钩或脱钩的重大事故，保证起吊平稳、安全。而且重力传感器可以检测出吊钩状态信号，从而可实现自动挂钩和放钩。

因此，本系统中将采用每台吊车系统适配1台现场控制站，每8台吊车的现场控制站对应1个中心控制台。32台吊车采用4台中心控制台进行控制，开放权限后每个中心控制台都可集中控制32台吊车的启停。

a.中心控制站：中心控制台包括PLC、通信单元、触摸屏操作显示单元、操作按钮、手柄、无线接收器等构成，系统结构如图5-33所示。

图5-33　中心控制台结构图

触摸屏动态采集各设备的运行状态，报警指示并直观地显示与记录。同时通过操作控制屏上相应控制按键，也可完成各吊车的选择和控制。

触摸屏可以显示各吊车的二维信息，动态显示各吊车当前所在的位置，重量、联锁、控制方式、报警等信息。联锁时，各吊车在符合差异值范围内执行动作，同时对应指示灯亮；如果在允许差异值范围之外对应指示灯亮，并对该吊车执行机构进行调整，符合条件后执行动作。

通信单元采用现场总线与每个现场控制站进行通信，确保所有吊车能同步工作。

无线接收器接收现场无线发射器的控制指令，实现无线遥控功能。

b.现场控制站：现场控制站由PLC、变频器、格雷母线定位装置、拉力传感器、通信单元、无线发射器等组成。系统结构见图5-34。

图5-34　现场控制站结构图