08-32 型搗固車油門控制系統的優(yōu)化設計與實踐

易師武 上海客運專線基礎設施維修基地

08-32 型搗固車目前使用的是風控油門，其控制采用風源手動控制油門拉桿，實現簡單，但有幾個缺點：(1)在機器長時間未發(fā)動，系統無風壓的情況下，油門不受控制；(2)風控油門是用節(jié)流型手柄閥控制，操作起來比較費力，控制轉速不靈敏；(3)完成多個轉速控制不方便，使機器作業(yè)速度不方便控制。

1 設計思路

系統采用一塊線路板，配套外圍控制開關和伺服電機機構，控制發(fā)動機油門拉桿連接的軟軸，并通過一定的反饋裝置，使發(fā)動機得到比較穩(wěn)定的轉速。并考慮到08-32 型搗固車掛檔降功及制動油門控制、新增前后司機室油門切換控制、新增作業(yè)怠速及作業(yè)轉速控制等相應的連鎖，速度鎖定，故實際電氣系統較復雜。電氣系統分為信號輸入、控制電路板、信號輸出三部分，根據電氣系統劃分，設計思路如下：

1.1 輸入信號

（1）前后司機室各有一個手柄電位器，控制油門轉速，其基準電壓為0 V、+12 V（來自線路板電源）；

（2）油門拉桿位置反饋信號（油門伺服電機輸出）。

1.2 輸出信號

（1）油門電機驅動電壓值信號；

（2）油門工況指示信號（前室或后室控制、作業(yè)怠速、作業(yè)轉速）。

1.3 控制電路板（代號EL-T5311）

（1）+24 V 外接電源轉換+12 V、+5 V 電源信號；

（2）各輸入信號調整、運放處理；

（3）繼電器、觸發(fā)器控制油門各工況轉換的實現；

（4）油門驅動功率輸出電路（PA25 功率管配套電路設計）。

2 原理闡述

油門控制改造圖如圖1 所示，方框內為設計的油門驅動板（EL-T5311），框外左下2 個電位器分別為前、后司機室電控油門手柄，分別通過運放OP3A、OP3B 進入OP3D、OP3C，提供油門給定信號。框外左下前2 個按鈕開關及配套指示燈為前、后油門選擇控制；框外左下第3 個按鈕及燈為作業(yè)轉速選定開關，開關信號輸入到VS5-24 V 觸發(fā)器內；第4 個燈（方向從左至右）為作業(yè)怠速指示燈。

油門板17、18、19 腳外接制動怠速、發(fā)動機啟動電源等信號，用于控制啟動怠速、制動怠速等。

框外右側28、29 腳連接一油門電機，控制發(fā)動機油門開啟大小。

圖1 油門控制改造電氣圖

框外右下電位器為油門電極內的反饋信號，其值通過OP2B 和OP2A 運算后經R15 輸入到OP2D；油門給定信號經過R22 也輸入到OP2D。兩值疊加經過運算放大器OP2D 運算經R34 輸出到OP1，當OP2D 輸出為（0～5）V 時OP1 輸出29 腳為+24 V，28 腳為0 V，油門下降；當OP2D 輸出為（5～8.5）V 時OP1 輸出29 腳為+24 V，28 腳為+24 V，油門不動；當OP2D 輸出為（8.5～12）V 時OP1 輸出29 腳為0 V，28 腳為+24 V，油門上升。電路板具體控制原理闡述如下：

2.1 電壓變換電路

因油門控制系統中要用到+12 V 及+5 V 電壓，而08-32搗固車能提供的為兩組+12 V 電瓶串連得到的+24 V 直流電壓，故電路系統設計了電壓變換電路。

為提高它的電壓的穩(wěn)定性，采用了三端穩(wěn)壓器7812 和穩(wěn)壓管來穩(wěn)定電壓。78 表示正壓輸出，7812 表示+12 V 的電壓輸出，主要用來把+24 V 電壓轉換為穩(wěn)定的+12 V 電壓。穩(wěn)壓管及與其并聯的兩個電容用來保證輸入電壓穩(wěn)定在+24 V 左右不大的范圍內，并過濾脈沖信號。+24 V 到+12 V 轉換電路如圖2 所示。

圖2 電壓變換電路圖

圖3 電壓轉換圖

+12 V 轉換+5 V 的運放電路如圖3 所示，主要由LM124運算放大器中的一級放大器及其外圍電阻組成。其電路模型可以近似由理論公式計算得出。設電位器電阻為P7,在(0～1 kΩ)內變化,其它:R24=6.49 kΩ,R23=10 kΩ。根據運算放大器計算理論，可得出：

把已知的值代入上式，可得：

從上面的計算可知，通過調整P7 電位器，在P7=0.65 kΩ時，可在放大器輸出端得到+5 V 電壓。P7=0.65 kΩ 在電位器阻值范圍內，能滿足實際要求。

2.2 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及磁保持繼電器控制

為滿足發(fā)動機作業(yè)轉速控制（本文所述的作業(yè)轉速與作業(yè)怠速是指為方便操作，在作業(yè)一號位設置的開關，開關可轉到作業(yè)怠速或作業(yè)轉速位，分別對應發(fā)動機轉速為1 100 r/min、2 150 r/min），整個油門電路系統中引入了比較特殊的觸發(fā)器與磁保持繼電器控制電路，這種電路主要是滿足瞬時得電保持一狀態(tài)；再瞬時得電又轉到另外一種狀態(tài)。這種電路在08-32 搗固車的交替撥道控制電路板中也曾經用到。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及磁保持繼電器控制電路設計原理圖如圖4。

圖中的VS5-24 就是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的框圖，當它的3 腳得電時，內部觸發(fā)器脈沖使與它的1 或4 相串連的三級管導通，故1 或4 腳中的一路必然接地，1 和4 分別與磁保持繼電器的L1、L2 相連接，L1、L2 將有一個線圈動作。該磁保持繼電器具有兩個繞組，用脈沖激勵就能使其翻轉，同一時刻只能有一個繞組被激勵，不能L1、L2 同時激勵。對于油門控制電路，L1 線圈得電，RE3 的 10、11 觸點連通，即 RE3 的各觸點保持圖中的狀態(tài)；L2 線圈得電，RE3 的各觸點保持與圖中的狀態(tài)相反，即RE3 的2、3 觸點閉合。與2 觸點相連的是作業(yè)轉速設定電位器電路，調節(jié)電位器P4 就可以設定作業(yè)轉速電壓，這個電壓通過閉合的2、3 觸點接入后級的油門電機回路，完成作業(yè)轉速控制。即08-32 搗固車作業(yè)時, 通過三個作業(yè)轉速開關控制RE6 瞬時得電，RE3 就動作，完成作業(yè)速度控制；再按一次，作業(yè)指示燈滅，RE3 再次動作，回到作業(yè)怠速狀態(tài)。

圖4 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及磁保持繼電器控制圖

實際調試是這樣進行的，校正完轉速顯示表后，將作業(yè)電源打開，發(fā)動機正常發(fā)動中，將轉換開關轉到作業(yè)怠速位置，調整電位器P3 使表顯示到1 100 r/min,即完成作業(yè)怠速控制。調定作業(yè)轉速時，使開關在作業(yè)速度位置，這時圖中的RE3 動作，2、3 腳閉合，調整電位器P4 使表顯示 2 150 r/min,就可完成作業(yè)轉速調定。

2.3 常規(guī)油門控制

除作業(yè)轉速控制比較常用外，正常升降油門的情況也是比較常見的，即油門拉把的不同位置，對應發(fā)動機的轉速在

最高和最低范圍內變化。假設油門拉把輸入的電壓設為Vi；Vo為運放 OP3D 輸出電壓；電位器 P6處電壓為 Vi1；P6、P11對應電阻為P6（0～22 kΩ）、P11（0～5 kΩ）；其中R11=24.3 kΩ、R10=18 kΩ、R9=10 kΩ、R6=R7=7 kΩ。按照調試規(guī)定：油門最小：Vi=1.6 V、Vo=8.5 V，油門最大：Vi=9 V、Vo=1.8 V。分析圖 1 電路原理圖，可得出如下的計算公式：

把上面的值代入上式，可得：

可知P6及P11都在電位器的給定阻值范圍內，故在調試過程中，能調出相應參數。實際調試油門時，一般先通過調整P6、P11,使在最大和最小油門位置時，保證Vo分別為1.8 V和8.5 V。用轉速表校正完轉速后，調整拉把到最大油門，調P9使發(fā)動機轉速到2 300 r/min（看轉速表顯示），直到多次油門最大，都保證在2 300 r/min；同理，把拉把放到最小，調整P8電位器，使表顯示在900 r/min。這樣就實際完成了常規(guī)最大及最小油門電氣限定。

2.4 油門電機反饋控制

在控制油門轉速時，原理上就是給油門電機提供正反電壓，使油門電機伸出或縮回，以達到拉放油門拉桿，使發(fā)動機轉速升降。到發(fā)動機轉速達到規(guī)定值時，如果不把這個信號反饋回控制電路，轉速將繼續(xù)變化。油門電路的反饋是通過電機本身來完成的，電機伸出或縮回，將有一個反向電位（負反饋）到油門電機輸入電路。當達到規(guī)定轉速時，輸入控制電壓與反饋電壓相平衡，電機將保持這個位置，即保持這個控制轉速不變。這里電氣圖是一般的運放電路，不再計算分析。

3 主要器件選型

本設計改造重點部分為油門驅動板產品的設計制造。根據原理圖1，在Protel 線路板設計軟件環(huán)境下繪制出PCB板圖，校核后便可投產、焊接相關器件、洗板、測試、老化后出成品。08-32 型搗固車油門控制改造PCB 圖如圖5 所示。

圖5 08-32 型搗固車油門控制改造電氣圖

本系統相關主要器件選型名稱及型號如表1。

表1 主要器件選型表

4 預期效果

作為普拉塞大型養(yǎng)路機械初期主打產品08-32 型搗固車，其油門控制系統經過以上改造設計后，可解決在機器長時間未發(fā)動，系統無風壓的情況下，發(fā)動機油門精確定位在怠速點；通過電控油門負反饋控制，使轉速平穩(wěn)升降，靈敏控制，有效的保護了發(fā)動機正常啟動運轉。通過油門切換開關及指示，可正確完成各項油門控制功能。先進、穩(wěn)定的控制方式，方便了操作人員正確的使用機器。經過對單位的近30臺08-32 型搗固車油門控制系統改造后，在油門控制方面的故障明顯減少了90%以上，對發(fā)動機和ZF 保護方面起到很好的功效，確保了08-32 型搗固車發(fā)動機的工作性能的穩(wěn)定。