柴油機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)器模擬仿真系統(tǒng)

周寶偉

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

在鐵路檢修系統(tǒng)中，柴油機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)器模擬仿真系統(tǒng)得到廣泛使用，在聯(lián)合調(diào)節(jié)器的檢修中起著十分重要的作用，系統(tǒng)主要完成聯(lián)合調(diào)節(jié)器的以下試驗(yàn)[1]：

1）磨合試驗(yàn)；

2）轉(zhuǎn)速整定；

3）啟動性能檢查；

4）負(fù)載性能試驗(yàn)，初定功率懸掛點(diǎn)；

5）齒條抖動量測定；

6）轉(zhuǎn)速波動量測定；

7）啟動時(shí)間測定；

8）調(diào)速率及穩(wěn)定時(shí)間的測定；

9）負(fù)荷突變時(shí)調(diào)控性能檢查；

10）空載供油刻線的測定；

11）工作油壓、油溫測定（具有加熱裝置）；

12）測試數(shù)據(jù)網(wǎng)傳。

因?yàn)闄C(jī)車柴油機(jī)及其傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)是一個(gè)大惰性系統(tǒng)，聯(lián)合調(diào)節(jié)器在仿真系統(tǒng)上調(diào)試時(shí)遇到的問題是，如何相對準(zhǔn)確的模擬聯(lián)合調(diào)節(jié)器在全程轉(zhuǎn)速下的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，是保證聯(lián)合調(diào)節(jié)器在裝車后能與柴油機(jī)及其傳動系統(tǒng)很好的匹配的關(guān)鍵問題。為解決這個(gè)問題，使用模擬乘法器及高精度變頻器來解決，并配以51單片機(jī)和數(shù)字顯示屏來顯示仿真系統(tǒng)的所有模擬及數(shù)字量。

1 控制系統(tǒng)介紹

柴油機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)器模擬仿真系統(tǒng)主要包括：模擬運(yùn)算電路、單片機(jī)控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路及電源電路。

模擬運(yùn)算電路是本系統(tǒng)的核心部分，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動、齒條抖動、啟動時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、瞬時(shí)調(diào)速率、穩(wěn)定調(diào)速率、功率懸掛點(diǎn)調(diào)整等項(xiàng)目的測試。

在機(jī)車運(yùn)行過程中司機(jī)控制器（也就是機(jī)車速度）和主發(fā)電機(jī)電流（負(fù)載）以及柴油機(jī)油門的自身惰性（噴油泵供油量）共同作用，驅(qū)動機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行。本系統(tǒng)中采用兩塊1595乘法器模擬這種工作狀態(tài)。一路是轉(zhuǎn)速和主發(fā)電流的乘積，一路是轉(zhuǎn)速和供油量的乘積，這兩路的乘積再與供油量傳感器相加共同控制運(yùn)算放大器09和011，輸出端送給變頻器的模擬控制端，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)大的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)中各種參數(shù)的定義以及調(diào)整方法如下。

（1）啟動時(shí)間：本系統(tǒng)設(shè)定的啟動轉(zhuǎn)速為195 r/min左右，在此啟動轉(zhuǎn)速下，齒條拉桿拉出4刻線所用的時(shí)間，檢測自動進(jìn)行。在本系統(tǒng)中是由SB1、KA1以及RP18來實(shí)現(xiàn)。

（2）穩(wěn)定時(shí)間：模擬機(jī)車測量在負(fù)荷突卸時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間：在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下負(fù)荷突卸，測量由轉(zhuǎn)速突升到轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定所用的時(shí)間。這部分功能在模擬電路中是由運(yùn)放011和C16來實(shí)現(xiàn)的。

（3）瞬時(shí)調(diào)速率：測量在負(fù)荷突卸時(shí)的瞬時(shí)調(diào)速率；本系統(tǒng)自動按如下公式計(jì)算：δ1——瞬時(shí)調(diào)速率；

δ1=

（4）穩(wěn)定調(diào)速率：測量在負(fù)荷突卸時(shí)的穩(wěn)定調(diào)速率；本系統(tǒng)自動按如下公式計(jì)算：

δ2——穩(wěn)定調(diào)速率；

δ2=

n1——變化前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；

n2——變化后的最高轉(zhuǎn)速（絕對值）；

n3——變化后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

瞬時(shí)調(diào)速率和穩(wěn)定調(diào)速率反映動態(tài)和靜態(tài)調(diào)控能力（見圖1）。

圖1 模擬刻線調(diào)速圖

2 功率懸掛點(diǎn)的調(diào)整

對于柴油機(jī)而言，不計(jì)雜散因素的影響，柴油機(jī)的輸出功率可表示為：

式中的K對于某一確定的柴油機(jī)為一常數(shù)；Q為每工作循環(huán)的噴油量；Vn為齒條拉桿拉量，在此可認(rèn)為是供油刻線值；n為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。

由式（1）不難看出，對柴油機(jī)而言，一旦轉(zhuǎn)速給定，其供油刻線的大小最終決定了柴油機(jī)的輸出功率；刻線恒定則功率恒定，拉出刻線大則功率大，拉出刻線小，則功率小；可見在一定轉(zhuǎn)速下，功調(diào)系統(tǒng)的調(diào)整作用是通過聯(lián)合調(diào)節(jié)器自身的油馬達(dá)來控制主發(fā)輸出功率最終實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的供油刻線恒定；當(dāng)外界負(fù)荷變化時(shí)，引發(fā)轉(zhuǎn)速及供油刻線發(fā)生變化，但功率調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，供油刻線能恢復(fù)到原值上，即實(shí)現(xiàn)“恒轉(zhuǎn)速，恒供油刻線”；而當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，輸出功率按給定的牽引特性隨轉(zhuǎn)速相應(yīng)的變化，使柴油機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)特性曲線上。

所以只要掌握機(jī)車水阻試驗(yàn)時(shí)700、850、及1 000 r/min三種轉(zhuǎn)速下功率符合要求時(shí)的供油刻線值即可在試驗(yàn)臺上預(yù)先調(diào)出，實(shí)現(xiàn)功率懸掛點(diǎn)的予調(diào)。

由于同一型號的柴油機(jī)在不同的地區(qū)，輸出相同的功率時(shí)，供油刻線有所不同；車況不同，供油刻線也有一定差異；所以作為“標(biāo)準(zhǔn)”的刻線值要以本車型在本地區(qū)的水阻試驗(yàn)時(shí)實(shí)測平均值為準(zhǔn)，上車后還要進(jìn)一步微量調(diào)整。

為了使恒功調(diào)整順利進(jìn)行，在恒功調(diào)整前必須滿足以下要求：

（1）調(diào)速器穩(wěn)定性好，不游車波動。

（2）油馬達(dá)動作靈活，不允許有阻滯。

（3）油馬達(dá)的阻值應(yīng)符合要求。

在系統(tǒng)啟動前，先將聯(lián)合調(diào)節(jié)器偏心調(diào)整輪上刻線對準(zhǔn)夾叉上靠塔簧側(cè)上方離垂直中心線30°～45°度刻線處，聯(lián)合杠桿的十字銷靠伺服馬達(dá)側(cè)的端面調(diào)整至聯(lián)板上靠伺服馬達(dá)桿側(cè)的第二刻線處，將聯(lián)合杠桿與伺服馬的達(dá)桿連接的螺栓銷中心至上體平面的距離調(diào)整到100 mm左右，此時(shí)即可啟動試驗(yàn)臺，將轉(zhuǎn)速提到最高轉(zhuǎn)速1 000 r/min，緩慢給定負(fù)荷，供油拉桿隨之提高拉出量，當(dāng)油馬達(dá)處于浮動狀態(tài)時(shí)，校核供油刻值是否符合要求，同時(shí)通過改變給定負(fù)荷檢查油馬達(dá)動作，此時(shí)如刻線較要求的偏小，可調(diào)整伺服馬達(dá)桿鎖螺母將聯(lián)合杠桿下壓，使供油刻線到符合要求后鎖緊，然后在校核850 r/min和700 r/min時(shí)的恒功刻線值，根據(jù)這幾位的情況，適當(dāng)再調(diào)整十字銷和鎖螺母的位置，即可得到正確的整定點(diǎn)。此過程需反復(fù)幾次。（見圖2）

1 000、850、700 r/min三個(gè)整定點(diǎn)的恒功刻線正確即認(rèn)為調(diào)整正確，其他各點(diǎn)靠聯(lián)合調(diào)節(jié)器的自然特性保證；同時(shí)要看700 r/min以上油馬達(dá)是否能否靈活投入工作；在最低轉(zhuǎn)速位時(shí)必須回零位[2]。

系統(tǒng)給出的電流顯示值可作參考。

油馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度，可通過調(diào)整增減載針閥開度來調(diào)節(jié)。過慢，過渡時(shí)間加長，過快則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般調(diào)定在全程動作時(shí)間18±5秒為宜[3]。

3 其他試驗(yàn)

本系統(tǒng)的數(shù)字控制電路完成如下試驗(yàn)

圖2 C型調(diào)節(jié)器及功率整定

在51單片機(jī)為主的的數(shù)字運(yùn)算電路中[4]，系統(tǒng)從模擬電路中采集了轉(zhuǎn)速、主發(fā)電壓、主發(fā)電流、模擬刻線（電壓值）、模擬功率伺服器（電壓值）等參數(shù)來表征聯(lián)合調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)指標(biāo)，使其在顯示電路中以專業(yè)術(shù)語進(jìn)行描述。（見圖3）。

這部分的輸入端為運(yùn)放OP07編號A1、A2、A3、A4完成。

（1）負(fù)荷突變性能試驗(yàn)：在檢測參數(shù)界面下，按“記錄”鍵可進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)間及調(diào)速率的檢測狀態(tài)。

將載核給定到一定值上，將加載/卸載旋鈕扳向卸載位，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷突降，以檢驗(yàn)調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性能和調(diào)控能力。全過程檢測完成或進(jìn)入本狀態(tài)32秒無載荷變化將退出本狀態(tài)，中途按下記錄鍵也將退出本狀態(tài)，檢測結(jié)束“穩(wěn)定時(shí)間”“瞬時(shí)調(diào)速率”“穩(wěn)定調(diào)速率”等檢測結(jié)果將顯示在屏幕上。

（2）轉(zhuǎn)速波動測定：穩(wěn)定壯態(tài)下的轉(zhuǎn)速波動值，自動檢測。

（3）齒調(diào)抖動測定，按“0”鍵進(jìn)入齒條抖動檢測狀態(tài)，兩秒后自動返回并顯示齒條抖動量。

（4）啟動時(shí)間測定:本機(jī)啟動轉(zhuǎn)速為195 r/min左右，在此啟動轉(zhuǎn)速下，齒條拉桿拉出4刻線所用的時(shí)間，檢測自動進(jìn)行。

（5）空載供油刻線

空載供油刻線在430～1 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)2.2～3.2為正常。

（6）DLS吸合釋放的檢查 DLS應(yīng)能有足夠的吸合力，通電斷電可以通過主機(jī)前面板上的紐子開進(jìn)行。

（7）最高、最低轉(zhuǎn)速：對有級配速的聯(lián)調(diào)自動顯示記錄16位和1位的轉(zhuǎn)速；無級調(diào)速的聯(lián)調(diào)須人為按下“16”和“1”鍵分別記錄顯示最高和最低轉(zhuǎn)速。

（8）轉(zhuǎn)速波動：穩(wěn)定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速波動值，自動檢測。

4 系統(tǒng)的控制面板操作

系統(tǒng)的操作控制主要集中于控制柜的操作面板上，（見圖4），上電或復(fù)位后，液晶顯示屏將顯示出供選擇的車型，按“功能”鍵將循環(huán)高亮顯示各車型，按下“確認(rèn)”鍵確認(rèn)當(dāng)前車型并轉(zhuǎn)換到檢測界面。

5 網(wǎng)傳數(shù)據(jù)內(nèi)容

網(wǎng)傳數(shù)據(jù)共17幀，136字節(jié)，ASCⅡ碼傳送。

第1幀：4位操作者號+4位車型帶號；

第2幀：8位機(jī)車編號；

第3幀：8位試件編號；

第4幀：檢測年月日時(shí)；

第5幀：4位齒條抖動+4位轉(zhuǎn)速波動；

第6幀：4位最高轉(zhuǎn)速+4位最低轉(zhuǎn)速；

第7幀：4位啟動時(shí)間+4位穩(wěn)定時(shí)間；

第8幀：4位瞬時(shí)調(diào)速率+4位穩(wěn)定調(diào)速率；

第9幀：4位升速時(shí)間+4位降速時(shí)間；

第10幀：4位1位轉(zhuǎn)速+4位2位轉(zhuǎn)速；

第11幀：4位3位轉(zhuǎn)速+4位4位轉(zhuǎn)速；

第12幀：4位5位轉(zhuǎn)速+4位6位轉(zhuǎn)速；

第13幀：4位7位轉(zhuǎn)速+4位8位轉(zhuǎn)速；

第14幀：4位9位轉(zhuǎn)速+4位10位轉(zhuǎn)速；

第15幀：4位11位轉(zhuǎn)速+4位12位轉(zhuǎn)速；

第16幀：4位13位轉(zhuǎn)速+4位14位轉(zhuǎn)速；

第17幀：4位15位轉(zhuǎn)速+4位16位轉(zhuǎn)速。

圖3 數(shù)字控制電路圖

圖4 操作面板圖

6 結(jié)論

柴油機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)器模擬仿真系統(tǒng)在鐵路機(jī)務(wù)檢修中，是必備的設(shè)備，為檢修聯(lián)合調(diào)節(jié)器提供了近似于真實(shí)的環(huán)境，提高了檢修效率。簡單直觀的控制操作，使得柴油機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)器模擬仿真系統(tǒng)得到了廣大用戶的認(rèn)可。

［1］Q/HBT1157-2005.內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］葉嵐，李長生.內(nèi)燃機(jī)車電傳動［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］許大勇，卲嘉林.內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［4］張凡，盛珣華，戴勝華.微機(jī)原理與接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2003.