工程车调速系统控制原理比较及优化案例

王 超

(广州市地下铁道总公司，510310，广州∥助理工程师)

1 工程车调速系统控制原理及控制方式比较

目前，广州地铁所使用的工程机车大多采用美国卡特发动机作为动力源。以广州地铁8号线为例，其段内JY 280重型轨道车及JX－3DT接触网作业车均使用3126B型发动机，而GK0C型及JMY 600型内燃机车均使用3412E型发动机。由于机车发动机型号及作业工况环境不一，其发动机调速系统的控制方式和所采用的控制装置也不尽相同。工程车调速系统依据所采用的司机操纵装置及控制信号类型，大致可分为以下3种具有代表性的调速控制方式。

以3126B型发动机为例，其调速系统中的油门位置传感器(见图1)负责向卡特发动机的发动机控制模块(ECM)发送脉冲宽度调制(PWM)控制信号，ECM将接收到的PWM信号发送至IAPC激励动作油压调节电磁阀，使该调节阀完成激励致动机油流量的变化，调节发动机喷油注射单体的燃油喷放时间和压力，进而完成发动机的调速。司机可通过传感器上的操作手柄来改变PWM信号的脉冲宽度，不同的脉冲宽度对应不同的发动机转速。这种调速装置在较早出厂机型的发动机上使用较多。

图1 油门位置传感器

以广州地铁8号线内燃机车为例，其采用手轮式司机控制器(见图2)作为调速控制装置，同时配有远程速度控制器(即油门信号转换器)，司机通过操作司机控制器向PLC(可编程逻辑控制器)输入端(X5/X6/X7/X10)输入调速控制信号，经运算后由PLC的D/A(数模转换)扩展模块输出至油门信号转换器(CAT140－2175)，再由转换器将接收到的模拟量转换为ECM调速接口(A307/GY)可识别的PWM信号，进而完成发动机调速。

第三种调速方式为故障调速。此调速方式在以3126B、C7型发动机为动力的机车上较为常见。在卡特发动机ECM上设有备用故障调速引脚381/PU、G955/GN和 G967/WH。其中:381/PU为PTO脉冲串输出故障调速启用引脚。G955/GN、G967/WH分别为升速及降速控制引脚，3个引脚在ECM得电后均有12 V电压。当机车常规调速系统出现故障时，可采用上述引脚完成机车调速控制:司机按下控制台上的PTO操作开关，381/PU接地，当ECM检测到该引脚电压为0时，发动机进入故障调速模式;再操作调速按钮将G955/GN或G967/WH接地，即可实现相应的升降速功能。

图2 手轮式司机控制器

第三种调速方式由于仅通过改变ECM引脚电压的接地时间来完成相应的调速，在速度量变控制上存在一定局限性，故在实际调速操作精度上尚不能与PWM控制信号相比拟，且其控制信号易于模拟，容易出现故障。广州地铁8号线DWG型网轨检测车曾出现过ECM的G967/WH降速引脚接线裸露与地虚接的现象，导致ECM在先接收到虚拟降速接地提示后始终执行降速操作，故障调速升速功能在较低优先级下无法实现。同理，若G955/GN引脚与地虚接，亦可造成启动PTO故障调速功能后，发动机自动飙速至额定转速2 300 r/min，且无法通过降速引脚接地来恢复怠速。此时只能恢复使用常规调速功能来完成发动机调速。尽管如此，考虑到此种调速方式仅作为备用调速，故设计上降级使用亦无可厚非，但需加强日常检修。

前两种调速方式均采用调速精度较高的PWM作为控制信号，但在实际应用中，第二种(采用司机控制器作为操纵装置)调速控制方式更为常见。以8号线内燃机车为例，其充分利用了三菱PLC及其D/A转换扩展模块，将机车转速由怠速700 r/min至额定转速2 300 r/min之间分为16档，利用司机控制器可一目了然地完成定档定速操作，操作性更强。然而，随着机车的长时间使用，两种调速方法在控制方式设计上的缺陷也逐渐显现。本文探讨其解决方法。

2 油门位置传感器互换性问题的解决

在第一种调速方式中，由于油门位置传感器的出厂批次不同，新传感器在与操作手柄底座安装螺孔对位上存在少许差异，导致两者安装对位后，操作手柄底座与油门位置传感器编码转盘提前产生10～15°相对旋转位移，使得发动机启动后初始转速直接升至720～750 r/min，且无法恢复到700 r/min怠速。为保障机车调速系统的安全使用，可通过使用卡特发动机ET检测平台修改设置参数来优化油门位置传感器的互换性。

在发动机众多配置参数中，有2个名为“油门输入低/高怠速工作负载循环设置点”的参数。2个参数的默认值分别为10%及90%。这2个参数分别为发动机在怠速状态下开始升速及到达额定转速时对PWM信号占空比的要求:当PWM信号的占空比大于10%时，ECM才开始控制发动机升速;当占空比达到90%时，发动机才达到额定转速。卡特发动机部分参数设置见表1。

表1 卡特发动机部分配置参数设置

因此，可通过将油门输入低怠速工作负载循环设置点参数设置为15%，来延迟传感器编码转盘在安装时提前产生的旋转位移，进而避免发动机在启动后初始怠速异常的现象。需要说明的是，一般要求上述2个参数的和为100%，且当油门输入低怠速工作负载循环设置点越大、而油门输入高怠速工作负载循环设置点越小时，传感器编码转盘在旋转单位角度时产生的速度量变越大(即加大了油门提速的速率)。因此，在优化油门位置传感器互换性的同时，采用多大的加速率较为合适，尚需通过反复试验及司机的操作习惯来确定。

3 内燃机车调速控制程序的优化

在第二种调速方式中，手轮式司机控制器的调速转盘直接连接位于其底部的凸轮，且凸轮周围装有接触式继电器;当转动调速转盘时，其下方的凸轮随之转动，凸轮与继电器对应的接触点顶起或凹陷，使得继电器接通及断开。手轮式司机控制器控制电路如图3所示。

图3 手轮式司机控制器控制电路图

机车调速至8档时，PLC的 X4、X5、X6、X7继电器闭合，发动机转速为1 340 r/min;调速至9档时，X4、X10闭合，发动机转速为1 435 r/min;调速至16 档时，X4、X5、X6、X7、X10 均闭合，对应发动机转速为2 200 r/min。但在实际工作中，当司机控制器使用多年后，偶尔会出现凸轮操作卡滞现象，特别是由8档转9档时，如 X5、X6、X7尚未断开而X10 已先闭合，就出现了 X4、X5、X6、X7、X10 同时闭合的现象，导致发动机转速飙至额定转速而调速手盘仍处于9档位。为保障机车调速系统的使用安全，可考虑增加限幅程序来避免类似现象发生。新增限幅程序如图4所示。

图4 新增加限幅程序

由于手轮式司机控制器的16个调速档位在程序中用4位二进制数放入D198存储单元，故在新增程序中，先将D198存储单元的数值存至D302存储单元，并在接下来执行周期利用CMP、SUB指令将新档位信号与当前档位信号进行比对:若档位跨越2位，则将 D302数值存至 D198;反之则更新D302数值，以此完成对D198中调速进阶变化的限幅，避免由于外部硬件信号指令的跳跃输出造成的调速异常。经现场调试测试，加入该段程序后转速增量异常不再出现，且正常的紧急升降速也未见异常。

4 结语

卡特发动机在地铁各类型工程机车上应用广泛，尽管其ECM对调速信号的接收识别类型相对单一，但机车调速控制装置却在不断升级完善。本文提出的优化措施仅针对目前广州地铁工程车上所使用的卡特发动机，对于其他型号的工程车发动机调速系统与调速操作装置的信号接口优化，本文的优化措施可作为参考，但最终尚需结合机车的运行工况及司机操作等特点进行实践和摸索，进而找到适合设备的优化方案。

［1］李波.挖掘机卡特电喷柴油机构造与拆装维修［M］.北京:化学工业出版社，2012.