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摘要：随着国内高铁高速发展和建设，运梁车是高速铁路建设不可缺少的运架设备之一，具有轮组数量多、各轮组独立转向驱动和控制等特点，灵活准确的转向是保证其正常高效作业的基础。合理的轮组运动建模能根据应用实际需求并保证计算的实时性要求，提出各种运动模型，并建模计算单个轮组转向的目标角度。在实际应用中通过方向手柄、模组计算、编码器检测、PID算法计算和控制执行形成精准的闭环控制，使多轮组的运梁车为满足各种工况要求在各种转向模式下快速灵活的完成转向动作。
关键词：运梁车；轮组转向；运动建模；转向模式；闭环控制
1概述
运梁车适用于单线混凝土箱梁的运输并能与架桥机配合完成梁片架设。能够方便快捷的把梁片从预制场地运至架梁工位，为架桥机喂梁配合架桥机完成相应的架梁作业。运梁车具有轮组数量众多、各轮组独立转向驱动和控制等特点，合理的轮组运动建模与规划是保证其正常高效作业的基础。在中国中铁重点项目“YL550T轮胎式运梁车”支持下，根据工程应用实际需求并保证计算的实时性要求，进行运梁车在平坦路面上行驶的运动建模和运动模式规划研究，为该类特殊车辆系统的运行和控制提供依据。
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2.轮组运动建模
2.1基本运动建模原理
运梁车行驶的运动建模，轮组转向是基础。为保证车轮转向时是纯滚动动作，同时避免侧滑和滑转，理想的转向应满足通过各个车轮中点的垂直平面都应相交于同一直线上的条件。
如图 1所示，俯视运梁车，θ为车身转角；O为该转向角度的转向中心；M为两侧轮组中心线之间距离；Li为第i轴到转向中心线的距离；K为转向中心到运梁车纵向中心线的距离；αi为转向内侧第i轮理论转角；βi为转向外侧第i轮理论转角；X - O - Y惯性坐标系。
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图1 转向原理图示
运梁车在平坦路面行驶的情况下，车身转向运动主要依靠轮组转动，即需要知道各个轮组转角。根据条件和图1，OAi、OBi垂直于各轮组，i为1-n的整数，可得出理想转向情况下轮组的转角：
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i=1-n
公式（1）
2.2运动建模与规划
运梁车各个轮组都具备独立转向的功能，能够满足圆滑平稳的转向以及各种工作模式下的转向要求，基于控制算法和控制系统性能，可以实现多种复杂转向模式。运梁车的运动模式可分为八字转向、中心转向、半八字转向、直行、斜行和横行模式。
当运梁车行进时绕瞬心进行旋转，如图 2，在八字曲线上可以把曲线用若干近似圆弧段替代，每一段上运梁车绕圆心旋转，沿圆弧行走。
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图2 八字曲线的转弯分解图
如图 3，根据瞬心位置不同，分成八字转向、中心转向和半八字转向。这三种类型的转向必须有一个统一的转向中心，以达到无侧滑的纯滚动，避免侧滑和滑转。
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图3 运梁车的半八字、八字、中心转向运动模式
1）八字转向运动模式
如图 4，定义A~H八个独立转向轮组，顺着行驶方向，行驶方向左边的四个轮组转角依次定义为αi，右边的四个轮组转角依次定义为βi（i = 1，2，3，4）。M为两侧轮组的间距，L1为 1、2两轴之间和 3、4 两轴之间的距离，L2是2、3两轴之间的距离。K是转向中心到运梁车中心线的距离。
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图4 八字转向运动模式
利用（1）式建立其数学模型，以车前进方向为正方向，轮组逆时针为正向，则转角模型如下：
左转向时上式对应改成αi=-βi，βi=-αi即可。
2）中心转向运动模式
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图5 中心转向运动模式
左转向和右转向的车轮转角是相同的。
3）半八字转向运动模式
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图6 半八字转向运动模式
左转向和右转向的车轮转角是相同的。
当运梁车沿着曲线路径行走，不再是绕某个固定点旋转。根据路径曲线的特征，分为三类：（1）路径曲线斜率k=常数；（2）路径曲线斜率k≠常数，k 连续；（3）路径曲线斜率k≠常数，k 有突变（因运梁车车体庞大，基本不存在此类情况的转向，故此处不讨论）。图 8所示，是运梁车从A处驶往B处时运梁车几何中心的路线图。
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图8 运梁车沿一般路径行驶的运动模式
1）路径曲线斜率k =常数
如图 9，这种情形下，各轮组只要统一转到预定的转向角度，然后沿直线行驶即可。
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图9 运梁车沿一般路径行驶的运动模式
2）路径曲线斜率 k ≠常数，k 连续
这种情况路径是光滑连续变化的，运动建模思路是把路径上每一点都看成一个八字转向，转向中心是路径在此处的曲率中心，就能得到转角随位移变化情况。求解流程如图 10 所示：
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图10 光滑曲线求解流程图
3实际应用
在实际应用中，YL550T轮胎式运梁车设置有方向手柄，通过电压电流信号输入至控制器并换算出整车行驶转向的目标角度（θ），对模组输入定量纵向轮组轴间距（Li）和横向轮间距（M），选定转向模式后通过公式（1）可反推出转向中心到运梁车纵向中心线的距离（K），将得到的相关变量带到对应转向模式的的模组计算中可得出每个独立转向轮组各自的目标角度（αi，βi），比对每个轮组上编码器检测轮组的实际角度，进行PID算法计算输出并控制液压系统执行，形成闭环精准控制完成整个转向动作。
2）半八字转向运动模式
4结束语
通过在平坦路面行驶的条件下，对运梁车的运动模式进行建模与规划研究，有一下经验：
1.绕某一固定点旋转运动，主要有八字转向、中心转向、半八字转向、直行、斜行和横行模式等；运动模式分为沿直线行走，沿光滑曲线行走和沿有突变的曲线路径行走。
2.转向模式是运动模式的求解基础；运动模式路径上每一个点都对应一个转向模式。
将以上经验应用到YL550T轮胎式运梁车上，能够实现运梁车多种转向模式，使运梁车机动灵活，转向精度高，同步协调性能较好。
参考文献：
[1]潘大雷；郭为忠；高峰.动力模块车组的运动建模与规划[J].上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室.2002.
[2]高秀华；张春秋；李炎亮；王云超.多轮转向系统转向控制模式综述[J].吉林大学.2006.
[3]田志刚.多轮转向车辆转向原理与控制方法[J].装甲兵技术学院.2009.