柴油機聯合調節器模擬仿真系統

周寶偉

（廣東省機械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

在鐵路檢修系統中，柴油機聯合調節器模擬仿真系統得到廣泛使用，在聯合調節器的檢修中起著十分重要的作用，系統主要完成聯合調節器的以下試驗[1]：

1）磨合試驗；

2）轉速整定；

3）啟動性能檢查；

4）負載性能試驗，初定功率懸掛點；

5）齒條抖動量測定；

6）轉速波動量測定；

7）啟動時間測定；

8）調速率及穩定時間的測定；

9）負荷突變時調控性能檢查；

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）測試數據網傳。

因為機車柴油機及其傳動系統的工作狀態是一個大惰性系統，聯合調節器在仿真系統上調試時遇到的問題是，如何相對準確的模擬聯合調節器在全程轉速下的實時工作狀態，是保證聯合調節器在裝車后能與柴油機及其傳動系統很好的匹配的關鍵問題。為解決這個問題，使用模擬乘法器及高精度變頻器來解決，并配以51單片機和數字顯示屏來顯示仿真系統的所有模擬及數字量。

1 控制系統介紹

柴油機聯合調節器模擬仿真系統主要包括：模擬運算電路、單片機控制電路、步進電機驅動電路及電源電路。

模擬運算電路是本系統的核心部分，可以實現轉速波動、齒條抖動、啟動時間、穩定時間、瞬時調速率、穩定調速率、功率懸掛點調整等項目的測試。

在機車運行過程中司機控制器（也就是機車速度）和主發電機電流（負載）以及柴油機油門的自身惰性（噴油泵供油量）共同作用，驅動機車平穩運行。本系統中采用兩塊1595乘法器模擬這種工作狀態。一路是轉速和主發電流的乘積，一路是轉速和供油量的乘積，這兩路的乘積再與供油量傳感器相加共同控制運算放大器09和011，輸出端送給變頻器的模擬控制端，整個系統是一個大的閉環系統。系統中各種參數的定義以及調整方法如下。

（1）啟動時間：本系統設定的啟動轉速為195 r/min左右，在此啟動轉速下，齒條拉桿拉出4刻線所用的時間，檢測自動進行。在本系統中是由SB1、KA1以及RP18來實現。

（2）穩定時間：模擬機車測量在負荷突卸時的穩定時間：在穩定轉速下負荷突卸，測量由轉速突升到轉速恢復穩定所用的時間。這部分功能在模擬電路中是由運放011和C16來實現的。

（3）瞬時調速率：測量在負荷突卸時的瞬時調速率；本系統自動按如下公式計算：δ1——瞬時調速率；

δ1=

（4）穩定調速率：測量在負荷突卸時的穩定調速率；本系統自動按如下公式計算：

δ2——穩定調速率；

δ2=

n1——變化前的穩定轉速；

n2——變化后的最高轉速（絕對值）；

n3——變化后的穩定轉速。

瞬時調速率和穩定調速率反映動態和靜態調控能力（見圖1）。

圖1 模擬刻線調速圖

2 功率懸掛點的調整

對于柴油機而言，不計雜散因素的影響，柴油機的輸出功率可表示為：

式中的K對于某一確定的柴油機為一常數；Q為每工作循環的噴油量；Vn為齒條拉桿拉量，在此可認為是供油刻線值；n為柴油機的轉速。

由式（1）不難看出，對柴油機而言，一旦轉速給定，其供油刻線的大小最終決定了柴油機的輸出功率；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??；可見在一定轉速下，功調系統的調整作用是通過聯合調節器自身的油馬達來控制主發輸出功率最終實現柴油機的供油刻線恒定；當外界負荷變化時，引發轉速及供油刻線發生變化，但功率調節過程結束后，供油刻線能恢復到原值上，即實現“恒轉速，恒供油刻線”；而當機組的轉速變化時，輸出功率按給定的牽引特性隨轉速相應的變化，使柴油機工作在經濟特性曲線上。

所以只要掌握機車水阻試驗時700、850、及1 000 r/min三種轉速下功率符合要求時的供油刻線值即可在試驗臺上預先調出，實現功率懸掛點的予調。

由于同一型號的柴油機在不同的地區，輸出相同的功率時，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“標準”的刻線值要以本車型在本地區的水阻試驗時實測平均值為準，上車后還要進一步微量調整。

為了使恒功調整順利進行，在恒功調整前必須滿足以下要求：

（1）調速器穩定性好，不游車波動。

（2）油馬達動作靈活，不允許有阻滯。

（3）油馬達的阻值應符合要求。

在系統啟動前，先將聯合調節器偏心調整輪上刻線對準夾叉上靠塔簧側上方離垂直中心線30°～45°度刻線處，聯合杠桿的十字銷靠伺服馬達側的端面調整至聯板上靠伺服馬達桿側的第二刻線處，將聯合杠桿與伺服馬的達桿連接的螺栓銷中心至上體平面的距離調整到100 mm左右，此時即可啟動試驗臺，將轉速提到最高轉速1 000 r/min，緩慢給定負荷，供油拉桿隨之提高拉出量，當油馬達處于浮動狀態時，校核供油刻值是否符合要求，同時通過改變給定負荷檢查油馬達動作，此時如刻線較要求的偏小，可調整伺服馬達桿鎖螺母將聯合杠桿下壓，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時的恒功刻線值，根據這幾位的情況，適當再調整十字銷和鎖螺母的位置，即可得到正確的整定點。此過程需反復幾次。（見圖2）

1 000、850、700 r/min三個整定點的恒功刻線正確即認為調整正確，其他各點靠聯合調節器的自然特性保證；同時要看700 r/min以上油馬達是否能否靈活投入工作；在最低轉速位時必須回零位[2]。

系統給出的電流顯示值可作參考。

油馬達的旋轉速度，可通過調整增減載針閥開度來調節。過慢，過渡時間加長，過快則可能造成系統不穩定，一般調定在全程動作時間18±5秒為宜[3]。

3 其他試驗

本系統的數字控制電路完成如下試驗

圖2 C型調節器及功率整定

在51單片機為主的的數字運算電路中[4]，系統從模擬電路中采集了轉速、主發電壓、主發電流、模擬刻線（電壓值）、模擬功率伺服器（電壓值）等參數來表征聯合調節器的各項指標，使其在顯示電路中以專業術語進行描述。（見圖3）。

這部分的輸入端為運放OP07編號A1、A2、A3、A4完成。

（1）負荷突變性能試驗：在檢測參數界面下，按“記錄”鍵可進入穩定時間及調速率的檢測狀態。

將載核給定到一定值上，將加載/卸載旋鈕扳向卸載位，可實現負荷突降，以檢驗調節器的穩定性能和調控能力。全過程檢測完成或進入本狀態32秒無載荷變化將退出本狀態，中途按下記錄鍵也將退出本狀態，檢測結束“穩定時間”“瞬時調速率”“穩定調速率”等檢測結果將顯示在屏幕上。

（2）轉速波動測定：穩定壯態下的轉速波動值，自動檢測。

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

（4）啟動時間測定:本機啟動轉速為195 r/min左右，在此啟動轉速下，齒條拉桿拉出4刻線所用的時間，檢測自動進行。

（5）空載供油刻線

空載供油刻線在430～1 000 r/min轉速范圍內2.2～3.2為正常。

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

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

（8）轉速波動：穩定狀態下的轉速波動值，自動檢測。

4 系統的控制面板操作

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

5 網傳數據內容

網傳數據共17幀，136字節，ASCⅡ碼傳送。

第1幀：4位操作者號+4位車型帶號；

第2幀：8位機車編號；

第3幀：8位試件編號；

第4幀：檢測年月日時；

第5幀：4位齒條抖動+4位轉速波動；

第6幀：4位最高轉速+4位最低轉速；

第7幀：4位啟動時間+4位穩定時間；

第8幀：4位瞬時調速率+4位穩定調速率；

第9幀：4位升速時間+4位降速時間；

第10幀：4位1位轉速+4位2位轉速；

第11幀：4位3位轉速+4位4位轉速；

第12幀：4位5位轉速+4位6位轉速；

第13幀：4位7位轉速+4位8位轉速；

第14幀：4位9位轉速+4位10位轉速；

第15幀：4位11位轉速+4位12位轉速；

第16幀：4位13位轉速+4位14位轉速；

第17幀：4位15位轉速+4位16位轉速。

圖3 數字控制電路圖

圖4 操作面板圖

6 結論

柴油機聯合調節器模擬仿真系統在鐵路機務檢修中，是必備的設備，為檢修聯合調節器提供了近似于真實的環境，提高了檢修效率。簡單直觀的控制操作，使得柴油機聯合調節器模擬仿真系統得到了廣大用戶的認可。

［1］Q/HBT1157-2005.內燃機車柴油機檢修工藝標準［S］.

［2］葉嵐，李長生.內燃機車電傳動［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］許大勇，卲嘉林.內燃機車柴油機［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［4］張凡，盛珣華，戴勝華.微機原理與接口技術.北京：清華大學出版社，2003.