工程車調(diào)速系統(tǒng)控制原理比較及優(yōu)化案例

王 超

(廣州市地下鐵道總公司，510310，廣州∥助理工程師)

1 工程車調(diào)速系統(tǒng)控制原理及控制方式比較

目前，廣州地鐵所使用的工程機車大多采用美國卡特發(fā)動機作為動力源。以廣州地鐵8號線為例，其段內(nèi)JY 280重型軌道車及JX－3DT接觸網(wǎng)作業(yè)車均使用3126B型發(fā)動機，而GK0C型及JMY 600型內(nèi)燃機車均使用3412E型發(fā)動機。由于機車發(fā)動機型號及作業(yè)工況環(huán)境不一，其發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)的控制方式和所采用的控制裝置也不盡相同。工程車調(diào)速系統(tǒng)依據(jù)所采用的司機操縱裝置及控制信號類型，大致可分為以下3種具有代表性的調(diào)速控制方式。

以3126B型發(fā)動機為例，其調(diào)速系統(tǒng)中的油門位置傳感器(見圖1)負責(zé)向卡特發(fā)動機的發(fā)動機控制模塊(ECM)發(fā)送脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號，ECM將接收到的PWM信號發(fā)送至IAPC激勵動作油壓調(diào)節(jié)電磁閥，使該調(diào)節(jié)閥完成激勵致動機油流量的變化，調(diào)節(jié)發(fā)動機噴油注射單體的燃油噴放時間和壓力，進而完成發(fā)動機的調(diào)速。司機可通過傳感器上的操作手柄來改變PWM信號的脈沖寬度，不同的脈沖寬度對應(yīng)不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速裝置在較早出廠機型的發(fā)動機上使用較多。

圖1 油門位置傳感器

以廣州地鐵8號線內(nèi)燃機車為例，其采用手輪式司機控制器(見圖2)作為調(diào)速控制裝置，同時配有遠程速度控制器(即油門信號轉(zhuǎn)換器)，司機通過操作司機控制器向PLC(可編程邏輯控制器)輸入端(X5/X6/X7/X10)輸入調(diào)速控制信號，經(jīng)運算后由PLC的D/A(數(shù)模轉(zhuǎn)換)擴展模塊輸出至油門信號轉(zhuǎn)換器(CAT140－2175)，再由轉(zhuǎn)換器將接收到的模擬量轉(zhuǎn)換為ECM調(diào)速接口(A307/GY)可識別的PWM信號，進而完成發(fā)動機調(diào)速。

第三種調(diào)速方式為故障調(diào)速。此調(diào)速方式在以3126B、C7型發(fā)動機為動力的機車上較為常見。在卡特發(fā)動機ECM上設(shè)有備用故障調(diào)速引腳381/PU、G955/GN和 G967/WH。其中:381/PU為PTO脈沖串輸出故障調(diào)速啟用引腳。G955/GN、G967/WH分別為升速及降速控制引腳，3個引腳在ECM得電后均有12 V電壓。當機車常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可采用上述引腳完成機車調(diào)速控制:司機按下控制臺上的PTO操作開關(guān)，381/PU接地，當ECM檢測到該引腳電壓為0時，發(fā)動機進入故障調(diào)速模式;再操作調(diào)速按鈕將G955/GN或G967/WH接地，即可實現(xiàn)相應(yīng)的升降速功能。

圖2 手輪式司機控制器

第三種調(diào)速方式由于僅通過改變ECM引腳電壓的接地時間來完成相應(yīng)的調(diào)速，在速度量變控制上存在一定局限性，故在實際調(diào)速操作精度上尚不能與PWM控制信號相比擬，且其控制信號易于模擬，容易出現(xiàn)故障。廣州地鐵8號線DWG型網(wǎng)軌檢測車曾出現(xiàn)過ECM的G967/WH降速引腳接線裸露與地虛接的現(xiàn)象，導(dǎo)致ECM在先接收到虛擬降速接地提示后始終執(zhí)行降速操作，故障調(diào)速升速功能在較低優(yōu)先級下無法實現(xiàn)。同理，若G955/GN引腳與地虛接，亦可造成啟動PTO故障調(diào)速功能后，發(fā)動機自動飆速至額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min，且無法通過降速引腳接地來恢復(fù)怠速。此時只能恢復(fù)使用常規(guī)調(diào)速功能來完成發(fā)動機調(diào)速。盡管如此，考慮到此種調(diào)速方式僅作為備用調(diào)速，故設(shè)計上降級使用亦無可厚非，但需加強日常檢修。

前兩種調(diào)速方式均采用調(diào)速精度較高的PWM作為控制信號，但在實際應(yīng)用中，第二種(采用司機控制器作為操縱裝置)調(diào)速控制方式更為常見。以8號線內(nèi)燃機車為例，其充分利用了三菱PLC及其D/A轉(zhuǎn)換擴展模塊，將機車轉(zhuǎn)速由怠速700 r/min至額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min之間分為16檔，利用司機控制器可一目了然地完成定檔定速操作，操作性更強。然而，隨著機車的長時間使用，兩種調(diào)速方法在控制方式設(shè)計上的缺陷也逐漸顯現(xiàn)。本文探討其解決方法。

2 油門位置傳感器互換性問題的解決

在第一種調(diào)速方式中，由于油門位置傳感器的出廠批次不同，新傳感器在與操作手柄底座安裝螺孔對位上存在少許差異，導(dǎo)致兩者安裝對位后，操作手柄底座與油門位置傳感器編碼轉(zhuǎn)盤提前產(chǎn)生10～15°相對旋轉(zhuǎn)位移，使得發(fā)動機啟動后初始轉(zhuǎn)速直接升至720～750 r/min，且無法恢復(fù)到700 r/min怠速。為保障機車調(diào)速系統(tǒng)的安全使用，可通過使用卡特發(fā)動機ET檢測平臺修改設(shè)置參數(shù)來優(yōu)化油門位置傳感器的互換性。

在發(fā)動機眾多配置參數(shù)中，有2個名為“油門輸入低/高怠速工作負載循環(huán)設(shè)置點”的參數(shù)。2個參數(shù)的默認值分別為10%及90%。這2個參數(shù)分別為發(fā)動機在怠速狀態(tài)下開始升速及到達額定轉(zhuǎn)速時對PWM信號占空比的要求:當PWM信號的占空比大于10%時，ECM才開始控制發(fā)動機升速;當占空比達到90%時，發(fā)動機才達到額定轉(zhuǎn)速?？ㄌ匕l(fā)動機部分參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 卡特發(fā)動機部分配置參數(shù)設(shè)置

因此，可通過將油門輸入低怠速工作負載循環(huán)設(shè)置點參數(shù)設(shè)置為15%，來延遲傳感器編碼轉(zhuǎn)盤在安裝時提前產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)位移，進而避免發(fā)動機在啟動后初始怠速異常的現(xiàn)象。需要說明的是，一般要求上述2個參數(shù)的和為100%，且當油門輸入低怠速工作負載循環(huán)設(shè)置點越大、而油門輸入高怠速工作負載循環(huán)設(shè)置點越小時，傳感器編碼轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)單位角度時產(chǎn)生的速度量變越大(即加大了油門提速的速率)。因此，在優(yōu)化油門位置傳感器互換性的同時，采用多大的加速率較為合適，尚需通過反復(fù)試驗及司機的操作習(xí)慣來確定。

3 內(nèi)燃機車調(diào)速控制程序的優(yōu)化

在第二種調(diào)速方式中，手輪式司機控制器的調(diào)速轉(zhuǎn)盤直接連接位于其底部的凸輪，且凸輪周圍裝有接觸式繼電器;當轉(zhuǎn)動調(diào)速轉(zhuǎn)盤時，其下方的凸輪隨之轉(zhuǎn)動，凸輪與繼電器對應(yīng)的接觸點頂起或凹陷，使得繼電器接通及斷開。手輪式司機控制器控制電路如圖3所示。

圖3 手輪式司機控制器控制電路圖

機車調(diào)速至8檔時，PLC的 X4、X5、X6、X7繼電器閉合，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 340 r/min;調(diào)速至9檔時，X4、X10閉合，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 435 r/min;調(diào)速至16 檔時，X4、X5、X6、X7、X10 均閉合，對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。但在實際工作中，當司機控制器使用多年后，偶爾會出現(xiàn)凸輪操作卡滯現(xiàn)象，特別是由8檔轉(zhuǎn)9檔時，如 X5、X6、X7尚未斷開而X10 已先閉合，就出現(xiàn)了 X4、X5、X6、X7、X10 同時閉合的現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速飆至額定轉(zhuǎn)速而調(diào)速手盤仍處于9檔位。為保障機車調(diào)速系統(tǒng)的使用安全，可考慮增加限幅程序來避免類似現(xiàn)象發(fā)生。新增限幅程序如圖4所示。

圖4 新增加限幅程序

由于手輪式司機控制器的16個調(diào)速檔位在程序中用4位二進制數(shù)放入D198存儲單元，故在新增程序中，先將D198存儲單元的數(shù)值存至D302存儲單元，并在接下來執(zhí)行周期利用CMP、SUB指令將新檔位信號與當前檔位信號進行比對:若檔位跨越2位，則將 D302數(shù)值存至 D198;反之則更新D302數(shù)值，以此完成對D198中調(diào)速進階變化的限幅，避免由于外部硬件信號指令的跳躍輸出造成的調(diào)速異常。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試測試，加入該段程序后轉(zhuǎn)速增量異常不再出現(xiàn)，且正常的緊急升降速也未見異常。

4 結(jié)語

卡特發(fā)動機在地鐵各類型工程機車上應(yīng)用廣泛，盡管其ECM對調(diào)速信號的接收識別類型相對單一，但機車調(diào)速控制裝置卻在不斷升級完善。本文提出的優(yōu)化措施僅針對目前廣州地鐵工程車上所使用的卡特發(fā)動機，對于其他型號的工程車發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)與調(diào)速操作裝置的信號接口優(yōu)化，本文的優(yōu)化措施可作為參考，但最終尚需結(jié)合機車的運行工況及司機操作等特點進行實踐和摸索，進而找到適合設(shè)備的優(yōu)化方案。

［1］李波.挖掘機卡特電噴柴油機構(gòu)造與拆裝維修［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.