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柴油机电子调速器的改进设计
收录时间:2022-11-25 22:56:13  浏览:0
2 0 0 9年第 6期 2 0 0 9年 1 1 月 1 0日 机 车 电 传 动 ELECTRI C DRI VE FOR LOCOM 0TI VES 6 2 00 9 NOV 1 0 2 0 0 9 问题讨论 柴油机 电子调速器 的改进设计 3 8 0 r mi n 转 速波动 幅度 大并有飞车迹象 柴油机无法启机 经检查为力矩电机与传动齿 轮连 接 键脱 落 造成 电子调速器转换到联合调节器 比较复杂 司乘 人 员不 能 单独 更换 慕元鹏 刘海珊 北京二七机车有限责任公司 电器 公司技术部 北京l 0 0 0 7 2 2 改进设计 2 1 从设计方面的改进 摘要 针对柴油机 电子调速器在北京内燃段 DF T c 机车 上试验出现的问题提 出相应改进措施 在 双电源热备份 控制 参数优化 电子调速器 联合调节器互换等方面均做了详细的 描述 关键词 D F T c 机车 电子凋速器 转速传感器 ***保护 中图分类号 U 2 6 2 2 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 1 2 8 X 2 0 0 9 0 6 0 0 7 1 0 2 目前机械液压调速器各可调参数是一次性调定 使得柴油机的稳定性和动态指标 怠速和负载性很难 兼顾 另 外 柴油机 空转 稳 定转 速一 直在 4 3 0 r mi n 徘 徊 在 当前能源短 缺以及排 放法规 日趋严 峻的形 势下 提 高柴 油机 的运 用经 济性 更是 一 个突 出 的问题 因而 采 用先 进 的柴油 机调 控技 术 是非 常有 必要 的 柴油机 电子 调速器 的研究从 2 0 0 2 年起步 经过近 3 年的研发T作 经试验室模拟后 各项性能指标都达 到预期要求 并于2 0 0 5 年4 月1 3 日 9 月4日 9 月 l 3 l 7 日在北京二七机车厂柴油机试验站进行了3次台架试 验 空载转速稳定性 转速波动率和瞬时调速率等各 项参数都满足设计任务书的要求 控制效果比较理想 为 了装 车进 行线 路 运行 考核 先后 在北 京机 务段 2 台 D F v c 机车 卜 加装使用 试验 中暴 露 出一些 不足 为 确 保产 品的可靠运 用 提 出了一 系列 改进措 施 1 存在不足及分析 无故 障代码停机 机车在运用 过程 中 柴油机 出现 多次停 机 故 障 且 没有 故 障记 录 而设 计 上对 于 各种保护停机均有故障代码提示 干扰使系统复位有 重入功能 自动恢复到原有 的工作状态 通过随车跟 踪监测 发现5 v电源偶尔会降到4 7 V 针x 4 5 V电源进 行试验 确认电源电压瞬时降低至4 7 V以下时会引起 无故障代码的停机和转速飞升的现象 转速不稳 柴油机在某个功率负载1 作时 在 4 5 0 5 0 0 r mi n 时有振荡 5 6 1 l 号机车主要用于推峰作业 要求1 作转速在4 0 0 6 0 0 r mi n 之间 因此对推峰作业很不 利 通过分析这是由自动控制参数 配问题造成的 转速传感器问题 转速传感器端部吸附铁屑会 削弱 其输 出信 号 造 成启 机 之后 转 速无 法 稳定 在 收 稿 日期 2 0 0 9 0 4 2 6 1 电源改进 针对电源电压降低造成柴油机停机故障 分析发 现 5 v电源 由电源模块 输 出要 经 5 个连接器 才能送 入 控制板电压 接插件的压降将近0 3 v 电源模块受环 境因素影响使输出电压降低 C P U不能正常工作 就会 造成无故障代码的停机或飞车故障 改进措施 将电源模块放入控制盒内 5 v电源经 过两级插 件进入控制板 并完成双电源热备份设计 原理见图 1 将 2 个电源模块并联使用 输出通过二极 管隔离 为弥补二极管 以及接插件的压降 对模块厂 家提出要求 将输 出电压提高0 3 v 4 1 供 电 电源 原 理 图 2 转速传感器 改 进 磁 敏 电 阻 测 速 传 感 器 工作 原 理 见 图 2 2个磁 敏 芯片 置于磁铁顶端 齿 轮通过传感器顶端 后 改 变 磁 场 大 小 磁 敏 芯 片 之 间磁 阻 产 生 相 应 改 变 经 过整形放大电路输 出 标 准 的 方 波 信 号 有 源 传 感 器 输 出信号较 高 能够 增 加信 号 的 抗 干扰 能力 缺点是传感 器 使 用 一 段 时 间 后 端部 会吸 附一 些 铁 屑 铁 屑 削弱 磁 敏 电阻 问 的磁 阻 匝巫卜 营 匝 l 机 车 电 传 动 变化而使输出脉冲信号减少或者消失 在 日常维护保 养上要求司乘人员定期清理传感器 给使用造成不便 本传感器对于安装方向以及安装距离有严格 的要求 不 便 于机 务段 自己更换 现选用无源免维护传感器 该传感器由永久磁铁 铁心和线圈组成 铁心一端 固定在永久磁铁上 线圈 绕在铁心上 传感器全密封防水防尘 磁路分布见图 3 测速齿轮旋转引起磁隙变化 在铁心线圈上产生感 应电动势 其输 出频率与转速成正 比 传感器端部吸 附铁 屑不会对磁隙产生影响 而且无安装方 向要求 对安装距离也 比有源传感器要远 选用无源传感器只 需 对整 形 电路做 部分 改 动 即可 3 P WM工作方式改进 电子 调速 器得 电之后 无论 柴油 机是 否启机 P WM均有输出使力矩电机反转 力矩电机工作时有调 整噪声 对电机使用寿命有影响 也对司乘人员 日常机 车保养过程有一定影响 为此增加 P WM工作的条件 必须是按动启机按钮或者柴油机转速超过 1 0 0 r m i n 时 P WM 才开始1 二 作 4 小闭环控制参数改进 针对柴油机在某个功率负载工作时 在4 5 0 5 0 0 r mi n 时有振荡 空载调速时没有振荡情况 带载后振荡也 不是一直存在 偶尔会在牵引某一列重载车情况下才 发生 经分析同小闭环放大倍数有关系 小闭环即齿条位移环的放大倍数根据转速不同分3 部分 转速小于5 0 0 r m i n 时为6 5 倍 转速在5 0 0 7 0 0 r mi n 之间为5 2 倍 大干7 5 0 r mi n 为3 2 倍 振荡点正好在2 个 放大倍数的切换点 因此将低转速放大倍数切换点改 为4 5 0 r mi n 将振荡排除 目前这套控制参数在DF 7 c DF 7 o 机车上 运用均未 出现振荡 2 2 使用可靠性 的改进 1 双套系统冷备份 一 个控制单元内安装了完全相同的一套控制电路 作为冷备份 当一套 出现故障时 通过切断供电电源 并将连接插头插到另一套 的插座 恢复供电电源后 就能恢复控制单元的功能 套控制电路 内的5 V供电 电源有 2 个完全相同的电源模块以热备份的 T作模式 进行供 电 以提供电源工作的可靠性 2 防***保护 对柴油机***以至 飞车 的故障 在设计 中给予 了极大 的改进 在一套控制电路中配备了2 块带有C P U的线路板 第一块为控制板 当柴油机转速达到 1 0 9 0 r mi n 或虽 然转速还未达到1 0 9 0 r mi n 但多次检测到其加速度已 足够使转速很快达到 1 0 9 0 r mi n 时 立刻控制供油齿条 返 回到 0 位并给 出相应 的故 障代 码告 知 司乘人 员 第二块带 C P U的线路板为保护板 其通过相同的 接 口电路***检测并计算转速和供油齿条位移 当柴 油机转速达到 1 1 0 0 r rai n 或虽然还未达到 1 1 0 0 r mi n 但多次检测到其加速度已足够使转速很快达到1 1 0 0 r rai n 时 保护板通过机车1 1 0 V的辅助电源和保护板控制的 继电器 使供油齿条返回 0 位 并给出相应的故障 代码 若控制板工作正常 则控制板的保护动作在先 只有 当控制板工作失常时 保护板 的保护功能才能实 现 3 软件工作可靠性提高 对微机控制来说 程序运行 的可靠性不亚于硬件 工作的可靠性 因此对程序运用的正确性和软件工作 的可靠性必须给予充分的重视 其主要体现在软件结 构 数据处理 数据安全保护等各种措施在软件编程 中的考虑和实施 为保证软件工作的可靠 需合理使用硬件和软件 看 门狗 充分运用CP U的软件资源来进行合理的复位 以恢复软件正常有序地工作 此外保护板也对控制板CP U软件工作流程进行监 视 当控制板C P U程序工作流程失常时 保护板C P U就 送 出控制板CP U的复位脉冲 使控制板程序返回到正 常流 程 控制单元由于某种原因而使控制程序跑飞或瞬间 死机时 采用软件 硬件看门狗及软件陷阱 非法操作 码中断等措施 使控制单元 自动复位以使控制单元不 会 死机 同时由于具有 热启动 功能 只要柴油机 转速不低于3 0 0 r mi n 就能 自动恢复柴油机的原有工 作状态而不需要人工干预 从概率来看控制单元 中的2个CP U不可能同时 出现 死机 现象 因此控制板CP U出现 程序跑飞 等软件故 障时 保护板 同样可以使控制板及时复位 而利用 热启动 功能 使柴油机恢复原有的工作状 太 o 4 电子和机械调速器快速转换 在 电子调速器执行机构安装后 在和柴油机调控 系统 的弹性拉杆连接中 设计了一个特殊 的连接头 连接头采用了双向调节设计 以保证 电子调速器 联 合调速器及柴油机喷油泵有共同的零位 结构如图4 所 示 通过 固定销将拉杆连接头与电子调速器直角摇臂 相连接时 通过旋转弹性拉杆可改变柴油机燃油泵齿 条与电子调速器直角摇臂的相对位置 保证 电子调速 器处于零位时柴油机燃油泵齿条也处于零位 保持此 状态 旋转拉杆连接头上 的调整轴 调整 内销架销孔 位置 使之与联合调速器处于零位时输 出摇臂的销孔 重叠 只需通过改变固定销的安装位置 即可选择所 需工作的调速器 此拉杆连接头的设计为电子调速器 和联合调节器互换节约了时间 若某个调速器出现问 题 更换及时能够避免机破故障 下转第7 4页 机 车 电 传 动 而L K J 现在功能中已对柴油机转速信号进行了采样处 理和显示 只需对监控控制软件进行修改 即可在 内 燃机车上实现将手柄级位变化作为解除警惕功能动作 的判断条件之 5 技术关键点 电力机车司机***牵引指令电压信号的采样 须做到以下 2 点 一是输入阻抗足够大 使采样环节对 牵引指令电压信号的影响可以忽略不计 二是光电隔 离环节的设计和器件选择必须可靠 如后续 电路故障 应不会对牵引指令造成影响 电力机车具体采样接线方案 国产韶山系列各型电力机车司机***输 出指令 原理均相同 即由司机***转轴带动电位器旋转 输出直流0 1 5 V电压 机车微机柜 电子柜 接收后处 理为0 1 0 级的级位信号 所以电力机车级位信号采集 可采用统一方案 如图2 所示 由两端主台司机*** 输出线并联 经过选择 电路 判断出工作端后送入下 一 环节进行级位判断 图 2 电力机车级位采样 电路原理图 级位变化条件设置应在各机型上进 行动态试 验 分别寻找最佳 门限值 内燃机车柴油机转速信号采样须解决柴油机转 速信号波动问题 可通过软件算法忽略由于柴油机转 速波动而造成的小幅转速变化 只有转速信号连续变 化超过一定值时才认为存在人为操作 6 方案已具备的基础 牵引电位器电压指令采样在 S S 7 E 等国产机车上 均已实现 在其状态屏上均可实时显示手柄级位 将电压信号经频率转换后 利用LKJ 柴油机转 速通道进行处理 各铁路局均做过相关项 目技术开发 如利用柴油机转速通道处理牵引电动机电流信号技术 在西安铁路局 已装车使用 实际运行状态 良好 可直 接移植到警惕功能中 7 结语 改进方案完善了我 国机车司机警惕功能 降低 了机车乘务员工作强度 有利于列车运行安全 在LKJ 显示器上实时显示运行级位 便于乘务 员观察手柄位置 方便了乘务员调速操作 丰富了列车运行监控记录装置功能 在监控记 录文件中适当记录手柄级位变化情况 便于机车故障 分析 乘务员操作水平分析和事故分析 参 考 文 献 1 杨志刚 L K J 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置 M 北京 中国 铁道 出版社 2 0 03 上接 第7 2 页 图 4 拉 杆 连接 头 l 调整轴 2 内销架 3一一拉杆连接头体 3 结束语 通过以上措施 2 0 0 6 年将改进过的DF J 7 3 A型柴油 机电子调速器陆续加装到贵阳机务段 西宁机务段和 金川集团等共2 0 余台机车上运用 未发生由于质量问 题引起的事故 在节能减排方面效果显著 月平均节 油率达 8 左右 得到段方人员的一致好评 但作为一 个产业化的产品 目前还存在很多不足 需要在将来 的运用过程 中不断加以完善 参考文献 1 孙涵 芳 I n t e l 1 6位单 片机 M
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