GCX-1000軌道除雪車高速走行系統(tǒng)及其控制方法分析

陳 松

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司 研究院，云南 昆明 650215）

0 引言

為了解決降雪對鐵路線路尤其是高速鐵路運(yùn)輸秩序的影響或降低雪災(zāi)給鐵路運(yùn)輸帶來的安全風(fēng)險，設(shè)計(jì)開發(fā)了GCX-1000軌道除雪車。該產(chǎn)品達(dá)到我國鐵路除雪需求，即能夠滿足高速鐵路也兼顧普通鐵路除雪。GCX-1000軌道除雪車在實(shí)現(xiàn)除雪功能的同時，設(shè)計(jì)時充分考慮了設(shè)備利用效率，故增加牽引功能，所以在日常還可兼作牽引軌道車使用。因?yàn)镚CX-1000軌道除雪車所具備功能的增加，也就給技術(shù)設(shè)計(jì)帶來了更多的要求，本文就該產(chǎn)品高速走行系統(tǒng)及其控制方法進(jìn)行介紹。

1 高速走行系統(tǒng)動力傳動

為了實(shí)現(xiàn)高效除雪與牽引功能，其中高速牽引速度要達(dá)到120Km/h；同時確保發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時，依然能實(shí)現(xiàn)作業(yè)裝置的收放以及走行功能，故GCX-1000除雪車采用雙機(jī)組靜液壓傳動方案。根據(jù)整車重量及牽引速度決定了該車所需牽引功率及扭矩需求；并根據(jù)液壓系統(tǒng)效率決定選擇兩臺道依茨500kW柴油發(fā)動機(jī)來滿足整車作業(yè)和高速走行工況所需的功率以及扭矩需求。動力傳動系統(tǒng)由柴油發(fā)動機(jī)、彈性聯(lián)軸器、傳動軸、分動箱、液壓泵、液壓馬達(dá)、車軸齒輪箱等傳動部件組成，該產(chǎn)品采用兩套相同傳動鏈傳遞動力，本文就一套傳動鏈系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

圖1 走行系統(tǒng)動力傳動方案示意框圖

柴油發(fā)動機(jī)通過彈性聯(lián)軸器及傳動軸驅(qū)動安裝于分動箱上的三個閉式變量液壓泵，然后壓力油驅(qū)動安裝于走行減速箱上的六個閉式變量馬達(dá)，最終驅(qū)動車軸齒輪箱實(shí)現(xiàn)整車高速走行。因?yàn)樽鳂I(yè)速度不須太快,所以在作業(yè)模式下其中兩個閉式變量液壓泵通過液壓閥切換分別驅(qū)動其它工作機(jī)構(gòu)馬達(dá),通過如此方案來實(shí)現(xiàn)整車不同工況下的功率分配,其傳動方案示意框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)中各主要部件參數(shù)

道依茨發(fā)動機(jī)怠速n0=900rmp,高速nm=2200rmp時功率P額=500kW;在牽引過程中因?yàn)榭紤]海拔及用于發(fā)動機(jī)自身散熱等功率消耗,其最大有效功率P有=450kW。

閉式變量液壓泵為薩奧165ml/r泵，通過壓力切斷閥設(shè)定最大工作壓力Pm=35Mpa;其瞬時壓力△P由負(fù)載決定，△P≤Pm；而通過泵比例閥PWM電流決定泵流量Q，PWM電流范圍200mA≤IO≤920mA,比例閥分為前進(jìn)閥a和后退閥b，泵的電流響應(yīng)時間為T=2S;泵的瞬時功率P瞬=△P*Q,泵的最大額定功率為240kW。

閉式變量馬達(dá)采用Parker160ml/r馬達(dá)，最大工作壓力Pm=35Mpa，通過調(diào)節(jié)馬達(dá)變量點(diǎn)，當(dāng)壓力P實(shí)≥30Mpa時馬達(dá)工作在大排量區(qū)間，即低速大扭矩；當(dāng)壓力P實(shí)＜30Mpa時馬達(dá)工作在高速小排量區(qū)間。

3 高速走行過程分析

GCX-1000軌道除雪車在高速牽引走行前完成發(fā)動機(jī)啟動及掛檔等準(zhǔn)備工作后,通過走行控制電位器輸入信號至控制器,控制器根據(jù)方向決定輸出PWM電流至三個用于走行的變量泵比例閥,泵根據(jù)車體實(shí)時負(fù)載決定泵的壓力△P，同時馬達(dá)根據(jù)△P值決定以多大扭矩驅(qū)動車輪起步；隨著車速V實(shí)增大,車體負(fù)載減小,泵的壓力△P減小,馬達(dá)從低速大排量區(qū)間向高速小排量區(qū)間過渡,從而實(shí)現(xiàn)了整車的加速過程。

從上述可知,若給三個閉式變量泵比例閥電流增加過程中,隨著泵壓力△P增大,車速V實(shí)增大,泵流量Q也增大,泵的瞬時功率P瞬=△P*Q增大,因此三個泵瞬時功率P1瞬+P2瞬+P3瞬將會大于發(fā)動機(jī)最大有效功率P有=450kW,該過程中會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降,甚至發(fā)動機(jī)熄火現(xiàn)象；另一種情況即車V實(shí)很大,泵的壓力△P小于馬達(dá)變量點(diǎn),但沒有超功率,但隨著車駛?cè)肷掀?則車的負(fù)載增加,對應(yīng)泵的壓力△P也變大,同樣在該過程中仍然超功率而會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)掉速或熄火。泵瞬時功率P1瞬+P2瞬最大時就大于P有=450kW，，設(shè)計(jì)中考慮液壓系統(tǒng)效率，并經(jīng)過計(jì)算用兩個泵驅(qū)動該車加速到80km/h過程中壓力與流量均能滿足六個閉式變量馬達(dá)工作要求,因?yàn)樵撥囋O(shè)計(jì)最高時速為120km/h,當(dāng)車速V實(shí)≥81km/h則兩泵的流量不能滿足在該傳動速比下六個閉式變量馬達(dá)加速到設(shè)計(jì)時速所需流量,所以必須要第三個變量泵提供流量方能滿足該車加速到設(shè)計(jì)時速。

為解決上述問題,GCX-1000軌道除雪車高速走行系統(tǒng)可通過基于總線的PLC(可編程邏輯控制器)保證在不同工況下始終保證泵功率P瞬≤發(fā)動機(jī)最大有效功率P有,動態(tài)平衡泵的壓力△P與流量Q之間關(guān)系，杜絕出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

4 基于總線的PLC控制模式

隨著總線及PLC技術(shù)在工控領(lǐng)域的優(yōu)越性不斷體現(xiàn),GCX-1000軌道除雪車控制系統(tǒng)也采用了該技術(shù)。通過上述分析可見,通過調(diào)節(jié)比例閥電流改變泵的流量,而在泵的壓力不變情況下流量變化則泵P瞬變化，所以最終通過控制比例閥電流就能實(shí)現(xiàn)走行泵功率控制。

在正常高速牽引工況下,發(fā)動機(jī)處于高速nm=2200rmp，但瞬時轉(zhuǎn)速n瞬在上述情況下會降低,控制器實(shí)時與發(fā)動機(jī)控制模塊EMR通信可讀取并采集發(fā)動機(jī)信息,如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n瞬,與正常轉(zhuǎn)速比較得到轉(zhuǎn)速變化△n=nm-n瞬,所以要求△n在不同情況時對比例閥電流作出不同改變。

變量泵比例閥有a、b兩端，現(xiàn)定義當(dāng)a端有電流則車體前進(jìn),反之則反。泵的死區(qū)電流I0=330mA;當(dāng)△P=35MPa時,若泵P瞬=△P*Q為225kW時,I瞬=760mA；此時兩泵瞬時功率P1瞬+P2瞬≤450kW。

泵的△P可以通過壓力傳感器測量得出，而馬達(dá)P實(shí)=△P；通過分析先將控制方案框圖列出如下圖2所示。

圖2 基于總線的控制系統(tǒng)框圖

從上述及框圖可見,當(dāng)車輛起步過程中,走行手柄電位器給定0～10V電壓信號U瞬輸入到AI,控制器根據(jù)采集信號對應(yīng)輸出PWM電流范圍為330mA～760 mA，同時通過DO輸出信號控制各液壓合流閥、流量切換閥等。

GCX-1000軌道除雪車牽引走行準(zhǔn)備工作完成后,通過走行手柄向前給定信號U瞬,V實(shí)≤80km/h且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化△n≤10,則AO對應(yīng)通道穩(wěn)定輸出比例閥電流分別為I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330 mA。

當(dāng)走行手柄向前給定信號U瞬,車速V實(shí)≥80km/h，泵壓力P實(shí)＜30MPa且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化△n≤50時,AO對應(yīng)通道穩(wěn)定輸出比例閥電流分別為I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330+t0*(760-330)/(T*1000)mA;其中 t0≤T；在該過程中△n≤50則I3a增加到最大值后保持 ,若△n≥50時,I3a開始減小,減小到△n=0,如此循環(huán)。

當(dāng)走行手柄向前給定信號U瞬,車速V實(shí)≥80km/h且泵壓力P實(shí)≥30MPa時,AO對應(yīng)通道輸出比例閥穩(wěn)定電流分別為I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330+(1-t0/2000)*(760-330)mA;其中 t0≤T；在該過程中 P實(shí)＜30MPa時,I3a開始增加,增加到最大并保持,若P實(shí)≥30MPa時則I3a開始下降,如此循環(huán)。

當(dāng)走行手柄向前給定信號U瞬從給定值減小過程中,三個泵的電流減小到手柄給定對應(yīng)電流值,I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330+U瞬(760-330)/10 mA;當(dāng)車速 V實(shí)≤80km/h時 I3a=330 mA。

在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速△n≤50前提下，手柄給定值發(fā)生變化時，輸出到三個泵閥的比例電流采用定時累加或累減算法，直至手柄新的給定值對應(yīng)的電流值。電流表達(dá)式如下：

In+1=In+△U*A/|△U|；△U有正負(fù)區(qū)分,即加減電壓,A為編程時設(shè)定的定值,大小可根據(jù)調(diào)試過程中狀況進(jìn)行設(shè)定。

當(dāng)In+1≥330+U瞬(760-330)/10 mA時，In+1=330+U瞬(760-330)/10 mA；當(dāng) In+1≤330+U瞬(760-330)/10 mA 時，In+1=In+△U*A/|△U|；此處n代表走行泵比例閥電流變化前后值計(jì)數(shù)。

上述為向前牽引走行過程分析,實(shí)行在加速過程中分兩段,在車速小于等于80Km/h時,走行泵1和走行泵2工作,當(dāng)車速大于80Km/h后走行泵3工作,泵3比例閥電流不斷增加,當(dāng)發(fā)動機(jī)掉速△n大于50轉(zhuǎn)時電流開始減小,泵3比例閥電流按照慢增快減的原則,始終保持發(fā)動機(jī)掉轉(zhuǎn)速不超過50轉(zhuǎn)；在加速過程中如果△n≥100轉(zhuǎn)時,I3a=330 mA,當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速回到正常轉(zhuǎn)速時控制器再根據(jù)條件選擇輸出不同的比例閥電流。

向后牽引走行則三個走行泵比例閥另一端I1B、I2B、I3B得電,得電情況如同前進(jìn)方向。通過理清上述邏輯關(guān)系與算法,采用高級語言進(jìn)行邏輯控制器編程,最終實(shí)現(xiàn)高速走行系統(tǒng)控制。

5 結(jié)論

通過上述分析,GCX-1000軌道除雪車高速走行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,可以實(shí)現(xiàn)牽引能力且最高速度達(dá)到129Km/h；該方法充分利用了發(fā)動機(jī)功率,并實(shí)現(xiàn)液壓泵與馬達(dá)的完美匹配。

［1］GCX-1000軌道除雪車方案設(shè)計(jì)報告[R].

［2］薩奧泵樣本手冊[S].

［3］Parker馬達(dá)樣本及手冊[S].