GCX-1000軌道除雪車高速走行系統及其控制方法分析

陳 松

（昆明中鐵大型養路機械集團有限公司 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輸秩序的影響或降低雪災給鐵路運輸帶來的安全風險，設計開發了GCX-1000軌道除雪車。該產品達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軌道除雪車在實現除雪功能的同時，設計時充分考慮了設備利用效率，故增加牽引功能，所以在日常還可兼作牽引軌道車使用。因為GCX-1000軌道除雪車所具備功能的增加，也就給技術設計帶來了更多的要求，本文就該產品高速走行系統及其控制方法進行介紹。

1 高速走行系統動力傳動

為了實現高效除雪與牽引功能，其中高速牽引速度要達到120Km/h；同時確保發動機出現故障時，依然能實現作業裝置的收放以及走行功能，故GCX-1000除雪車采用雙機組靜液壓傳動方案。根據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；并根據液壓系統效率決定選擇兩臺道依茨500kW柴油發動機來滿足整車作業和高速走行工況所需的功率以及扭矩需求。動力傳動系統由柴油發動機、彈性聯軸器、傳動軸、分動箱、液壓泵、液壓馬達、車軸齒輪箱等傳動部件組成，該產品采用兩套相同傳動鏈傳遞動力，本文就一套傳動鏈系統進行介紹。

圖1 走行系統動力傳動方案示意框圖

柴油發動機通過彈性聯軸器及傳動軸驅動安裝于分動箱上的三個閉式變量液壓泵，然后壓力油驅動安裝于走行減速箱上的六個閉式變量馬達，最終驅動車軸齒輪箱實現整車高速走行。因為作業速度不須太快,所以在作業模式下其中兩個閉式變量液壓泵通過液壓閥切換分別驅動其它工作機構馬達,通過如此方案來實現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 系統中各主要部件參數

道依茨發動機怠速n0=900rmp,高速nm=2200rmp時功率P額=500kW;在牽引過程中因為考慮海拔及用于發動機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，通過壓力切斷閥設定最大工作壓力Pm=35Mpa;其瞬時壓力△P由負載決定，△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,比例閥分為前進閥a和后退閥b，泵的電流響應時間為T=2S;泵的瞬時功率P瞬=△P*Q,泵的最大額定功率為240kW。

閉式變量馬達采用Parker160ml/r馬達，最大工作壓力Pm=35Mpa，通過調節馬達變量點，當壓力P實≥30Mpa時馬達工作在大排量區間，即低速大扭矩；當壓力P實＜30Mpa時馬達工作在高速小排量區間。

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動機啟動及掛檔等準備工作后,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,泵根據車體實時負載決定泵的壓力△P，同時馬達根據△P值決定以多大扭矩驅動車輪起步；隨著車速V實增大,車體負載減小,泵的壓力△P減小,馬達從低速大排量區間向高速小排量區間過渡,從而實現了整車的加速過程。

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瞬將會大于發動機最大有效功率P有=450kW,該過程中會出現發動機轉速下降,甚至發動機熄火現象；另一種情況即車V實很大,泵的壓力△P小于馬達變量點,但沒有超功率,但隨著車駛入上坡,則車的負載增加,對應泵的壓力△P也變大,同樣在該過程中仍然超功率而會出現發動機掉速或熄火。泵瞬時功率P1瞬+P2瞬最大時就大于P有=450kW，，設計中考慮液壓系統效率，并經過計算用兩個泵驅動該車加速到80km/h過程中壓力與流量均能滿足六個閉式變量馬達工作要求,因為該車設計最高時速為120km/h,當車速V實≥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加速到設計時速所需流量,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計時速。

為解決上述問題,GCX-1000軌道除雪車高速走行系統可通過基于總線的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≤發動機最大有效功率P有,動態平衡泵的壓力△P與流量Q之間關系，杜絕出現上述現象。

4 基于總線的PLC控制模式

隨著總線及PLC技術在工控領域的優越性不斷體現,GCX-1000軌道除雪車控制系統也采用了該技術。通過上述分析可見,通過調節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現走行泵功率控制。

在正常高速牽引工況下,發動機處于高速nm=2200rmp，但瞬時轉速n瞬在上述情況下會降低,控制器實時與發動機控制模塊EMR通信可讀取并采集發動機信息,如發動機轉速n瞬,與正常轉速比較得到轉速變化△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，現定義當a端有電流則車體前進,反之則反。泵的死區電流I0=330mA;當△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P實=△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框圖

從上述及框圖可見,當車輛起步過程中,走行手柄電位器給定0～10V電壓信號U瞬輸入到AI,控制器根據采集信號對應輸出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備工作完成后,通過走行手柄向前給定信號U瞬,V實≤80km/h且發動機轉速變化△n≤10,則AO對應通道穩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。

當走行手柄向前給定信號U瞬,車速V實≥80km/h，泵壓力P實＜30MPa且發動機轉速變化△n≤50時,AO對應通道穩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。

當走行手柄向前給定信號U瞬,車速V實≥80km/h且泵壓力P實≥30MPa時,AO對應通道輸出比例閥穩定電流分別為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＜30MPa時,I3a開始增加,增加到最大并保持,若P實≥30MPa時則I3a開始下降,如此循環。

當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;當車速 V實≤80km/h時 I3a=330 mA。

在發動機轉速△n≤50前提下，手柄給定值發生變化時，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的電流值。電流表達式如下：

In+1=In+△U*A/|△U|；△U有正負區分,即加減電壓,A為編程時設定的定值,大小可根據調試過程中狀況進行設定。

當In+1≥330+U瞬(760-330)/10 mA時，In+1=330+U瞬(760-330)/10 mA；當 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數。

上述為向前牽引走行過程分析,實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,當發動機掉速△n大于50轉時電流開始減小,泵3比例閥電流按照慢增快減的原則,始終保持發動機掉轉速不超過50轉；在加速過程中如果△n≥100轉時,I3a=330 mA,當發動機轉速回到正常轉速時控制器再根據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,得電情況如同前進方向。通過理清上述邏輯關系與算法,采用高級語言進行邏輯控制器編程,最終實現高速走行系統控制。

5 結論

通過上述分析,GCX-1000軌道除雪車高速走行系統實現了控制,達到了設計要求,可以實現牽引能力且最高速度達到129Km/h；該方法充分利用了發動機功率,并實現液壓泵與馬達的完美匹配。

［1］GCX-1000軌道除雪車方案設計報告[R].

［2］薩奧泵樣本手冊[S].

［3］Parker馬達樣本及手冊[S].