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(jī)車大多采用美國(guó)卡特發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。以廣州地鐵8號(hào)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(dòng)機(jī)，而GK0C型及JMY 600型內(nèi)燃機(jī)車均使用3412E型發(fā)動(dòng)機(jī)。由于機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)及作業(yè)工況環(huán)境不一，其發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)操縱裝置及控制信號(hào)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(dòng)機(jī)為例，其調(diào)速系統(tǒng)中的油門位置傳感器(見(jiàn)圖1)負(fù)責(zé)向卡特發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)發(fā)送脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號(hào)，ECM將接收到的PWM信號(hào)發(fā)送至IAPC激勵(lì)動(dòng)作油壓調(diào)節(jié)電磁閥，使該調(diào)節(jié)閥完成激勵(lì)致動(dòng)機(jī)油流量的變化，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油注射單體的燃油噴放時(shí)間和壓力，進(jìn)而完成發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速。司機(jī)可通過(guò)傳感器上的操作手柄來(lái)改變PWM信號(hào)的脈沖寬度，不同的脈沖寬度對(duì)應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速裝置在較早出廠機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用較多。

圖1 油門位置傳感器

以廣州地鐵8號(hào)線內(nèi)燃機(jī)車為例，其采用手輪式司機(jī)控制器(見(jiàn)圖2)作為調(diào)速控制裝置，同時(shí)配有遠(yuǎn)程速度控制器(即油門信號(hào)轉(zhuǎn)換器)，司機(jī)通過(guò)操作司機(jī)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(hào)，經(jīng)運(yùn)算后由PLC的D/A(數(shù)模轉(zhuǎn)換)擴(kuò)展模塊輸出至油門信號(hào)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(shí)別的PWM信號(hào)，進(jìn)而完成發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)為動(dòng)力的機(jī)車上較為常見(jiàn)。在卡特發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)引腳在ECM得電后均有12 V電壓。當(dāng)機(jī)車常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可采用上述引腳完成機(jī)車調(diào)速控制:司機(jī)按下控制臺(tái)上的PTO操作開關(guān)，381/PU接地，當(dāng)ECM檢測(cè)到該引腳電壓為0時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的升降速功能。

圖2 手輪式司機(jī)控制器

第三種調(diào)速方式由于僅通過(guò)改變ECM引腳電壓的接地時(shí)間來(lái)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(shí)際調(diào)速操作精度上尚不能與PWM控制信號(hào)相比擬，且其控制信號(hào)易于模擬，容易出現(xiàn)故障。廣州地鐵8號(hào)線DWG型網(wǎng)軌檢測(cè)車曾出現(xiàn)過(guò)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(jí)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)。同理，若G955/GN引腳與地虛接，亦可造成啟動(dòng)PTO故障調(diào)速功能后，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)飆速至額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min，且無(wú)法通過(guò)降速引腳接地來(lái)恢復(fù)怠速。此時(shí)只能恢復(fù)使用常規(guī)調(diào)速功能來(lái)完成發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)上降級(jí)使用亦無(wú)可厚非，但需加強(qiáng)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(hào)，但在實(shí)際應(yīng)用中，第二種(采用司機(jī)控制器作為操縱裝置)調(diào)速控制方式更為常見(jiàn)。以8號(hào)線內(nèi)燃機(jī)車為例，其充分利用了三菱PLC及其D/A轉(zhuǎn)換擴(kuò)展模塊，將機(jī)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(jī)控制器可一目了然地完成定檔定速操作，操作性更強(qiáng)。然而，隨著機(jī)車的長(zhǎng)時(shí)間使用，兩種調(diào)速方法在控制方式設(shè)計(jì)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(wèn)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(duì)位上存在少許差異，導(dǎo)致兩者安裝對(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)位移，使得發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后初始轉(zhuǎn)速直接升至720～750 r/min，且無(wú)法恢復(fù)到700 r/min怠速。為保障機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)的安全使用，可通過(guò)使用卡特發(fā)動(dòng)機(jī)ET檢測(cè)平臺(tái)修改設(shè)置參數(shù)來(lái)優(yōu)化油門位置傳感器的互換性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)眾多配置參數(shù)中，有2個(gè)名為“油門輸入低/高怠速工作負(fù)載循環(huán)設(shè)置點(diǎn)”的參數(shù)。2個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值分別為10%及90%。這2個(gè)參數(shù)分別為發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)下開始升速及到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)PWM信號(hào)占空比的要求:當(dāng)PWM信號(hào)的占空比大于10%時(shí)，ECM才開始控制發(fā)動(dòng)機(jī)升速;當(dāng)占空比達(dá)到90%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。卡特發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 卡特發(fā)動(dòng)機(jī)部分配置參數(shù)設(shè)置

因此，可通過(guò)將油門輸入低怠速工作負(fù)載循環(huán)設(shè)置點(diǎn)參數(shù)設(shè)置為15%，來(lái)延遲傳感器編碼轉(zhuǎn)盤在安裝時(shí)提前產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)位移，進(jìn)而避免發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后初始怠速異常的現(xiàn)象。需要說(shuō)明的是，一般要求上述2個(gè)參數(shù)的和為100%，且當(dāng)油門輸入低怠速工作負(fù)載循環(huán)設(shè)置點(diǎn)越大、而油門輸入高怠速工作負(fù)載循環(huán)設(shè)置點(diǎn)越小時(shí)，傳感器編碼轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)單位角度時(shí)產(chǎn)生的速度量變?cè)酱?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(shí)，采用多大的加速率較為合適，尚需通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)及司機(jī)的操作習(xí)慣來(lái)確定。

3 內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速轉(zhuǎn)盤時(shí)，其下方的凸輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪與繼電器對(duì)應(yīng)的接觸點(diǎn)頂起或凹陷，使得繼電器接通及斷開。手輪式司機(jī)控制器控制電路如圖3所示。

圖3 手輪式司機(jī)控制器控制電路圖

機(jī)車調(diào)速至8檔時(shí)，PLC的 X4、X5、X6、X7繼電器閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 340 r/min;調(diào)速至9檔時(shí)，X4、X10閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 435 r/min;調(diào)速至16 檔時(shí)，X4、X5、X6、X7、X10 均閉合，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。但在實(shí)際工作中，當(dāng)司機(jī)控制器使用多年后，偶爾會(huì)出現(xiàn)凸輪操作卡滯現(xiàn)象，特別是由8檔轉(zhuǎn)9檔時(shí)，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(shí)閉合的現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)車調(diào)速系統(tǒng)的使用安全，可考慮增加限幅程序來(lái)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(jī)控制器的16個(gè)調(diào)速檔位在程序中用4位二進(jìn)制數(shù)放入D198存儲(chǔ)單元，故在新增程序中，先將D198存儲(chǔ)單元的數(shù)值存至D302存儲(chǔ)單元，并在接下來(lái)執(zhí)行周期利用CMP、SUB指令將新檔位信號(hào)與當(dāng)前檔位信號(hào)進(jìn)行比對(duì):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(duì)D198中調(diào)速進(jìn)階變化的限幅，避免由于外部硬件信號(hào)指令的跳躍輸出造成的調(diào)速異常。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試測(cè)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(jiàn)異常。

4 結(jié)語(yǔ)

卡特發(fā)動(dòng)機(jī)在地鐵各類型工程機(jī)車上應(yīng)用廣泛，盡管其ECM對(duì)調(diào)速信號(hào)的接收識(shí)別類型相對(duì)單一，但機(jī)車調(diào)速控制裝置卻在不斷升級(jí)完善。本文提出的優(yōu)化措施僅針對(duì)目前廣州地鐵工程車上所使用的卡特發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于其他型號(hào)的工程車發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與調(diào)速操作裝置的信號(hào)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(jī)車的運(yùn)行工況及司機(jī)操作等特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)踐和摸索，進(jìn)而找到適合設(shè)備的優(yōu)化方案。

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