浅析CDC-16型道岔捣固车拨道随动系统原理

浅析CDC-16型道岔捣固车拨道随动系统原理
CDC-16型道岔捣固车是我国为适应铁路大提速，我国昆明厂制造，用来维护铁路道岔的专用大型养护设备。

该设备除了具有正线捣固设备的功能外，还具备适应道岔作业的一系列特有功能，其拨道系统前后端的随动补偿系统就是CDC-16为防止道岔区域作业时捣固装置捣断拨道系统测量钢弦而专门设计的一套随动系统。

这套系统的加入，为了不影响随动时拨道系统准确的测量线路的方向误差，对拨道系统的几何及电路模型上做了特殊的设计，本文将对其几何及电路实现原理进行说明，以达到对新车型、新技术进行深入的了解。

一、拨道随动系统组成及功能
拨道系统由4个测量小车（编号由后向前为A、B、C、D）组成，各小车的功能为：D、A为拨道系统的前、后张紧小车，上面安装有前后随动位移传感器f03、f02，传感器当量为11.5mv/mm，在A、D小车上都装有前后随动气缸，有自动和手动两种操纵模式；C点小车为拨道小车，上面安装有拨道系统的高精度位移传感器，弦线相对机械0位的偏移量可以通过拨道传感器测量出来，主要用来满足拨道伺服系统的矢矩的测量；B点小车上装有正矢测量传感器，为正矢测量小车，与拨道小车上的传感器类型及功能一样，设置来满足四点法作业、三点法模拟及随动补偿。

CD08-475的拨道随动补偿系统包括：拨道系统A、B、C、D测量小车、4个位移测量传感器、测量钢弦及其它辅助元件。

该随动补偿系统的主要功能是：1.前后张紧小车中心固定点存在左右偏移量时，系统接受相应传感器的输入，通过电路板上的相应电路进行补偿处理，使A、D之间的弦线测量出来的偏差仍然是线路的实际偏差值；2.实现A、D点最大横移量的限制，以保护A、D小车中心叉及整个方向测量系统；3.实现自动对中功能。

二、随动的几何模型
前后随动系统功能的实现，是通过严格的几何原理推导而通过电路来实现的，随动的可能情况有以下几种：1、A点固定，D点左右移动；2、D点固定，A点左右移动；
3、A、D点同时向一个方向移动；
4、A、D点交叉向相反方向移动。

分析以上四种情况，我们可以把它归结为两种移动工况，即第3、4的移动情况可以等效为1、2种工况的叠加。

第3种工况可以认为是1、2向相同的方向移动叠加的结果，第4种工况可以认为是1、2向相反的方向移动叠加的结果，故实际的移动工况我们可以等效为1、2两种工况的组合，如下图1及图2所示。

以下我们将对这种等效结果进行几何上的证明。

图1：D固定，A移动图图2：A固定，D点移动图
图3：A、D向相同方向随动等效图
1.A、D向同一个方向移动的等效证明
对该随动系统3、4等效为1的证明如图3及所示，图3所示情况为A、D点同时
向左移动f02及f03的距离（以车作业的方向为前进方向，单位为mm），移动后钢弦
的实际位置是A1D1位置，其中AD为钢弦未随动的位置，也就是A、D测量小车的中
心连线。

我们现在要验证A1D1位置可以等效为AD1及A1D两个位置的叠加，只要这
个等效成立的话，我们在电路上的分析就可以按简化后的模型来进行。

我们可以证明
B0B=BB2+BB1;CC0=CC1+CC2，即可以认为随动的等效是成立的。

1）证明B0B=BB2+BB1
由图3的几何关系可以得出：B0B= f02+（f03- f02）*AB/AD (1)
BB2+BB1= f02*BD/AD + f03*AB/AD (2)
BD=AD-AB (3)
由式(2)及(3)，可以得到BB2+BB1= f02+（f03- f02）*AB/AD (4)
我们比较(1)及(4)，即可以证明B0B=BB2+BB1=BD*f02/AD + AB*f03/AD
2）证明CC0=CC1+CC2
由图3的几何关系同理可得出：CC0= f02+（f03- f02）*AC/AD (5)
CC1+CC2= f02*CD/AD + f03*AC/AD (6)
CD=AD-AC (7)
由式(6)及(7)，可以得到CC1+CC2= f02+（f03- f02）*AC/AD (8)
我们比较(5)及(8)，即可以证明CC0=CC1+CC2= AC*f03/AD + CD*f02/AD
2. A、D向相反方向移动的等效证明
如下图4所示情况为A向右移动f02mm，D点向左移动f03mm的距离（以车作业
的方向为前进方向），移动后钢弦的实际位置是A2D1位置，其中AD为钢弦未随动的
位置，也就是A、D测量小车的中心连线。

我们现在要验证A2D1位置可以等效为AD1
及A2D两个位置的叠加。

我们可以等效的证明B0B=BB2 - BB1;CC0=CC1 - CC2，即可
以认为随动的等效是成立的。

1) 证明B0B=BB2 - BB1
由图4所示，BB1∥DD1,AA2∥BB2可以得出: BB1= AD f AB 03⨯ BB2=AD
f BD 02⨯ BD=AD-AB 故B B2-BB1=f02 - AD
f f AB )0302(+⨯ （1） 同理，如图4所示，△AOA2与△DOD1是两个相似三角形，可以得到：
DO AO = 03
02f f AO + DO =AD ∴ AO=03
0202f f f AD +⨯ BO=AO – AB 在图4中，还有BB0∥AA2,可以得出：BB0=
AO f BO 02⨯ ∴ BB0=()AO f AB AO 02⨯-= f02 - AD f f AB )0302(+⨯ （2）
由上（1）、（2）两式，即证明 BB0=BB2 - BB1= f02 - AD
f f AB )0302(+⨯ 2) 证明C0C=C1C – CC2
由图4同样可以得出以下各式：
CC1∥DD1,AA2∥CC2可以得出: CC1= AD f AC 03⨯ CC2=AD
f CD 02⨯ CD=AD-AC 故CC2-CC1=f02 - AD
f f AC )0302(+⨯ （1）
同理，如图4所示，△AOA2与△DOD1是两个相似三角形，可以得到：
DO AO = 03
02f f AO + DO =AD ∴ AO=03
0202f f f AD +⨯ CO=AO – AC 在图4中，还有CC0∥AA2,可以得出：CC0=
AO f CO 02⨯ ∴ BB0=()AO f AC AO 02⨯-= f02 - AD
f f AC )0302(+⨯ （2） 由上（1）、（2）两式，即证明CC0=CC2 - CC1= f02 - AD f f AB )0302(+⨯
图4：A、D向相反方向随动等效图
3. 证明两种移动后的结论
通过上述1、2两种情况下的等效证明，我们可以得出如下结论:1.CD08-475道岔捣固机方向测量系统的A、D固定点的实际移动情况有4种，3、4种移动情况在电路上的实现理解起来比较困难，也不是直接实现的；2.该随动系统是把3、4等效为1、2的移动情况，电路上对1、2两种情况的实现比较容易，我们也容易理解；3.电路板上只需要对1、2两种移动情况进行0点补偿后，3、4两种移动情况实际上也进行了0位补偿。

三．随动补偿电路实现分析
随动电路补偿的作用就是在A、D固定点出现偏移时，由于偏移产生的总拨道量将通过电路自身抵消到0，即A、D移动后，拨道测量系统测量出的线路偏差仍然是线路的实际偏差。

电路补偿分以下几种情况：1）、3点法A点左偏移补偿；2）、3点法A点右偏移补偿；3）、4点法A点左偏移补偿；4）、4点法A点右偏移补偿；5)、3点法D点左偏移补偿; 6)、 3点法D点右偏移补偿；7）、4点法D点左偏移补偿;8)、4点法D点右偏移补偿。

上一节我们做了偏移补偿的等效证明，使我们在电路上实现补偿就可以等效为以上8种情况，补偿的实现是线型的，即A、D点在极限位置以内任意位置移动，通过电路的补偿，弦线测量出的拨道误差仍然是线路的实际误差值。

以下将对上面的8种情况电路的实现进行说明,其中AD=24.65m，AC=12.94m，CD=12.71m,AB=5.85m,BC=6.09m，BD=18.8m，电路图参考EK-2173-02a，下面的计算没有把电阻的实际值带入计算，只把其作为常数就可以了，这样也不影响对随动系统的说明。

1）3点法A点（后跟踪）左偏移补偿
我们假设A、D点没有移动以前是处于小车的中点，四个测量小车是处于理论直线上面，这样可以认为此时四个位移传感器没有值输出，即此时拨道系统测量出的总拨道值为0。

当后跟踪人为操纵左移动f02时，此时由于是3点法，f02的值不进入拨道板误差处理电路。

前跟踪锁定在0位，f03输出值为0，此时只有拨道传感器f00，测量传感器f01参与补偿。

参考图1，可以看出此时f00
及f01的输出值：f00=CD*f02/AD, f01=BD*f02/AD，
由此我们可以得到f00/ f01= CD/ BD=0.68，在电路板EK-2173-02a上，我们通
过计算，可以得到P4=(R6+P2-0.68R9)/0.68,因P2在电气零点调节时已经调好，R6
及R9是定值，故P4调节到上式的值，就可以保证后跟踪向左任意移动（极限范围以内），拨道误差值显示为零，即可以实现3点法A点（后跟踪）左偏移补偿。

2）、3点法A点右偏移补偿
同1）的情况，只是传感器的输入值极性与1）相反，故f00/ f01= CD/ BD=0.68仍然成立，此时电路上通过P6电位器来实现补偿调节。

此时
P6=(R5+P1-0.68R10)/0.68，实现了3点法A点右偏移补偿。

3）、4点法A点左偏移补偿
由于是4点法，此时f02的值参与拨道板信号运算。

f00=CD*f02/AD, f01=BD*f02/AD仍然成立，要实现补偿，需要满足CD/(R6+P2)*AD –
BD/(R9+P3)*AD – 1/(R26+P16)=0,式中除了P16是待调节的电阻以外，其它都
是定值，也就是;P16调节到满足上式等于0的一个定值，就实现了4点法A点
左偏移补偿。

4）、4点法A点右偏移补偿
同3），f00=CD*f02/AD, f01=BD*f02/AD成立，要实现补偿，需要满足CD/(R5+P1)*AD –BD/(R10+P5)*AD – 1/(R25+P15)=0，式中除了P15是待调节
的电阻以外，其它都是定值，也就是;P15调节到满足上式等于0的一个定值，
就实现了4点法A点右偏移补偿。

5)、3点法D点左偏移补偿
如上图2所示，此时f02被固定在中间，在电路板EK-2173-02a上，可以看出，此时参与运算的传感器有f00、f01、f03.当D点左移f03时，f00=AC*f03/AD, f01=AB*f03/AD. 要实现补偿，调节P8满足AB/(R6+P2)*AD –AB/(R18+P8)*AD – 1/(R18+P8)=0，就实现了3点法D点左偏移补偿。

6)、 3点法D点右偏移补偿
同5），满足f00=AC*f03/AD, f01=AB*f03/AD. 要实现补偿，调节P10满足AB/(R5+P1)*AD –AB/(R10+P6)*AD – 1/(R19+P10)=0，就实现了3点法D点右
偏移补偿。

7）、4点法D点左偏移补偿
同6），满足f00=AC*f03/AD, f01=AB*f03/AD. 要实现补偿，调节P7满足AB/(R6+P2)*AD –AB/(R9+P3)*AD – 1/(R18+P7)=0，就实现了4点法D点左偏
移补偿。

8)、4点法D点右偏移补偿
同7），满足f00=AC*f03/AD, f01=AB*f03/AD. 要实现补偿，调节P9满足AB/(R5+P1)*AD –AB/(R10+P5)*AD – 1/(R19+P9)=0，就实现了4点法D点右
偏移补偿。

四、随动补偿电路分析总结
以上8种横移的电路分析只验证了我们固定一点，移动另外一点时电路的补偿情况。

实际作业往往是A、D点同时向一个方向或者同时向相反方向在极限偏
移量范围内左右移动，这在我们第二部分的证明做了说明，即实际情况可以看
成是分别固定A、D中的一点，而移动另外一点，叠加起来形成实际的横移工况。

只要以上8种电路情况满足偏移0点补偿功能，就可以认为由它们组合而成的
实际移动补偿工况满足A、D点移动而不影响测量精度。