08-32 型捣固车油门控制系统的优化设计与实践

易师武 上海客运专线基础设施维修基地

08-32 型捣固车目前使用的是风控油门，其控制采用风源手动控制油门拉杆，实现简单，但有几个缺点：(1)在机器长时间未发动，系统无风压的情况下，油门不受控制；(2)风控油门是用节流型手柄阀控制，操作起来比较费力，控制转速不灵敏；(3)完成多个转速控制不方便，使机器作业速度不方便控制。

1 设计思路

系统采用一块线路板，配套外围控制开关和伺服电机机构，控制发动机油门拉杆连接的软轴，并通过一定的反馈装置，使发动机得到比较稳定的转速。并考虑到08-32 型捣固车挂档降功及制动油门控制、新增前后司机室油门切换控制、新增作业怠速及作业转速控制等相应的连锁，速度锁定，故实际电气系统较复杂。电气系统分为信号输入、控制电路板、信号输出三部分，根据电气系统划分，设计思路如下：

1.1 输入信号

（1）前后司机室各有一个手柄电位器，控制油门转速，其基准电压为0 V、+12 V（来自线路板电源）；

（2）油门拉杆位置反馈信号（油门伺服电机输出）。

1.2 输出信号

（1）油门电机驱动电压值信号；

（2）油门工况指示信号（前室或后室控制、作业怠速、作业转速）。

1.3 控制电路板（代号EL-T5311）

（1）+24 V 外接电源转换+12 V、+5 V 电源信号；

（2）各输入信号调整、运放处理；

（3）继电器、触发器控制油门各工况转换的实现；

（4）油门驱动功率输出电路（PA25 功率管配套电路设计）。

2 原理阐述

油门控制改造图如图1 所示，方框内为设计的油门驱动板（EL-T5311），框外左下2 个电位器分别为前、后司机室电控油门手柄，分别通过运放OP3A、OP3B 进入OP3D、OP3C，提供油门给定信号。框外左下前2 个按钮开关及配套指示灯为前、后油门选择控制；框外左下第3 个按钮及灯为作业转速选定开关，开关信号输入到VS5-24 V 触发器内；第4 个灯（方向从左至右）为作业怠速指示灯。

油门板17、18、19 脚外接制动怠速、发动机启动电源等信号，用于控制启动怠速、制动怠速等。

框外右侧28、29 脚连接一油门电机，控制发动机油门开启大小。

图1 油门控制改造电气图

框外右下电位器为油门电极内的反馈信号，其值通过OP2B 和OP2A 运算后经R15 输入到OP2D；油门给定信号经过R22 也输入到OP2D。两值叠加经过运算放大器OP2D 运算经R34 输出到OP1，当OP2D 输出为（0～5）V 时OP1 输出29 脚为+24 V，28 脚为0 V，油门下降；当OP2D 输出为（5～8.5）V 时OP1 输出29 脚为+24 V，28 脚为+24 V，油门不动；当OP2D 输出为（8.5～12）V 时OP1 输出29 脚为0 V，28 脚为+24 V，油门上升。电路板具体控制原理阐述如下：

2.1 电压变换电路

因油门控制系统中要用到+12 V 及+5 V 电压，而08-32捣固车能提供的为两组+12 V 电瓶串连得到的+24 V 直流电压，故电路系统设计了电压变换电路。

为提高它的电压的稳定性，采用了三端稳压器7812 和稳压管来稳定电压。78 表示正压输出，7812 表示+12 V 的电压输出，主要用来把+24 V 电压转换为稳定的+12 V 电压。稳压管及与其并联的两个电容用来保证输入电压稳定在+24 V 左右不大的范围内，并过滤脉冲信号。+24 V 到+12 V 转换电路如图2 所示。

图2 电压变换电路图

图3 电压转换图

+12 V 转换+5 V 的运放电路如图3 所示，主要由LM124运算放大器中的一级放大器及其外围电阻组成。其电路模型可以近似由理论公式计算得出。设电位器电阻为P7,在(0～1 kΩ)内变化,其它:R24=6.49 kΩ,R23=10 kΩ。根据运算放大器计算理论，可得出：

把已知的值代入上式，可得：

从上面的计算可知，通过调整P7 电位器，在P7=0.65 kΩ时，可在放大器输出端得到+5 V 电压。P7=0.65 kΩ 在电位器阻值范围内，能满足实际要求。

2.2 双稳态触发器及磁保持继电器控制

为满足发动机作业转速控制（本文所述的作业转速与作业怠速是指为方便操作，在作业一号位设置的开关，开关可转到作业怠速或作业转速位，分别对应发动机转速为1 100 r/min、2 150 r/min），整个油门电路系统中引入了比较特殊的触发器与磁保持继电器控制电路，这种电路主要是满足瞬时得电保持一状态；再瞬时得电又转到另外一种状态。这种电路在08-32 捣固车的交替拨道控制电路板中也曾经用到。双稳态触发器及磁保持继电器控制电路设计原理图如图4。

图中的VS5-24 就是双稳态触发器的框图，当它的3 脚得电时，内部触发器脉冲使与它的1 或4 相串连的三级管导通，故1 或4 脚中的一路必然接地，1 和4 分别与磁保持继电器的L1、L2 相连接，L1、L2 将有一个线圈动作。该磁保持继电器具有两个绕组，用脉冲激励就能使其翻转，同一时刻只能有一个绕组被激励，不能L1、L2 同时激励。对于油门控制电路，L1 线圈得电，RE3 的 10、11 触点连通，即 RE3 的各触点保持图中的状态；L2 线圈得电，RE3 的各触点保持与图中的状态相反，即RE3 的2、3 触点闭合。与2 触点相连的是作业转速设定电位器电路，调节电位器P4 就可以设定作业转速电压，这个电压通过闭合的2、3 触点接入后级的油门电机回路，完成作业转速控制。即08-32 捣固车作业时, 通过三个作业转速开关控制RE6 瞬时得电，RE3 就动作，完成作业速度控制；再按一次，作业指示灯灭，RE3 再次动作，回到作业怠速状态。

图4 双稳态触发器及磁保持继电器控制图

实际调试是这样进行的，校正完转速显示表后，将作业电源打开，发动机正常发动中，将转换开关转到作业怠速位置，调整电位器P3 使表显示到1 100 r/min,即完成作业怠速控制。调定作业转速时，使开关在作业速度位置，这时图中的RE3 动作，2、3 脚闭合，调整电位器P4 使表显示 2 150 r/min,就可完成作业转速调定。

2.3 常规油门控制

除作业转速控制比较常用外，正常升降油门的情况也是比较常见的，即油门拉把的不同位置，对应发动机的转速在

最高和最低范围内变化。假设油门拉把输入的电压设为Vi；Vo为运放 OP3D 输出电压；电位器 P6处电压为 Vi1；P6、P11对应电阻为P6（0～22 kΩ）、P11（0～5 kΩ）；其中R11=24.3 kΩ、R10=18 kΩ、R9=10 kΩ、R6=R7=7 kΩ。按照调试规定：油门最小：Vi=1.6 V、Vo=8.5 V，油门最大：Vi=9 V、Vo=1.8 V。分析图 1 电路原理图，可得出如下的计算公式：

把上面的值代入上式，可得：

可知P6及P11都在电位器的给定阻值范围内，故在调试过程中，能调出相应参数。实际调试油门时，一般先通过调整P6、P11,使在最大和最小油门位置时，保证Vo分别为1.8 V和8.5 V。用转速表校正完转速后，调整拉把到最大油门，调P9使发动机转速到2 300 r/min（看转速表显示），直到多次油门最大，都保证在2 300 r/min；同理，把拉把放到最小，调整P8电位器，使表显示在900 r/min。这样就实际完成了常规最大及最小油门电气限定。

2.4 油门电机反馈控制

在控制油门转速时，原理上就是给油门电机提供正反电压，使油门电机伸出或缩回，以达到拉放油门拉杆，使发动机转速升降。到发动机转速达到规定值时，如果不把这个信号反馈回控制电路，转速将继续变化。油门电路的反馈是通过电机本身来完成的，电机伸出或缩回，将有一个反向电位（负反馈）到油门电机输入电路。当达到规定转速时，输入控制电压与反馈电压相平衡，电机将保持这个位置，即保持这个控制转速不变。这里电气图是一般的运放电路，不再计算分析。

3 主要器件选型

本设计改造重点部分为油门驱动板产品的设计制造。根据原理图1，在Protel 线路板设计软件环境下绘制出PCB板图，校核后便可投产、焊接相关器件、洗板、测试、老化后出成品。08-32 型捣固车油门控制改造PCB 图如图5 所示。

图5 08-32 型捣固车油门控制改造电气图

本系统相关主要器件选型名称及型号如表1。

表1 主要器件选型表

4 预期效果

作为普拉塞大型养路机械初期主打产品08-32 型捣固车，其油门控制系统经过以上改造设计后，可解决在机器长时间未发动，系统无风压的情况下，发动机油门精确定位在怠速点；通过电控油门负反馈控制，使转速平稳升降，灵敏控制，有效的保护了发动机正常启动运转。通过油门切换开关及指示，可正确完成各项油门控制功能。先进、稳定的控制方式，方便了操作人员正确的使用机器。经过对单位的近30台08-32 型捣固车油门控制系统改造后，在油门控制方面的故障明显减少了90%以上，对发动机和ZF 保护方面起到很好的功效，确保了08-32 型捣固车发动机的工作性能的稳定。