柴油机联合调节器模拟仿真系统

周宝伟

（广东省机械研究所，广东广州 510635）

0 引言

在铁路检修系统中，柴油机联合调节器模拟仿真系统得到广泛使用，在联合调节器的检修中起着十分重要的作用，系统主要完成联合调节器的以下试验[1]：

1）磨合试验；

2）转速整定；

3）启动性能检查；

4）负载性能试验，初定功率悬挂点；

5）齿条抖动量测定；

6）转速波动量测定；

7）启动时间测定；

8）调速率及稳定时间的测定；

9）负荷突变时调控性能检查；

10）空载供油刻线的测定；

11）工作油压、油温测定（具有加热装置）；

12）测试数据网传。

因为机车柴油机及其传动系统的工作状态是一个大惰性系统，联合调节器在仿真系统上调试时遇到的问题是，如何相对准确的模拟联合调节器在全程转速下的实时工作状态，是保证联合调节器在装车后能与柴油机及其传动系统很好的匹配的关键问题。为解决这个问题，使用模拟乘法器及高精度变频器来解决，并配以51单片机和数字显示屏来显示仿真系统的所有模拟及数字量。

1 控制系统介绍

柴油机联合调节器模拟仿真系统主要包括：模拟运算电路、单片机控制电路、步进电机驱动电路及电源电路。

模拟运算电路是本系统的核心部分，可以实现转速波动、齿条抖动、启动时间、稳定时间、瞬时调速率、稳定调速率、功率悬挂点调整等项目的测试。

在机车运行过程中司机控制器（也就是机车速度）和主发电机电流（负载）以及柴油机油门的自身惰性（喷油泵供油量）共同作用，驱动机车平稳运行。本系统中采用两块1595乘法器模拟这种工作状态。一路是转速和主发电流的乘积，一路是转速和供油量的乘积，这两路的乘积再与供油量传感器相加共同控制运算放大器09和011，输出端送给变频器的模拟控制端，整个系统是一个大的闭环系统。系统中各种参数的定义以及调整方法如下。

（1）启动时间：本系统设定的启动转速为195 r/min左右，在此启动转速下，齿条拉杆拉出4刻线所用的时间，检测自动进行。在本系统中是由SB1、KA1以及RP18来实现。

（2）稳定时间：模拟机车测量在负荷突卸时的稳定时间：在稳定转速下负荷突卸，测量由转速突升到转速恢复稳定所用的时间。这部分功能在模拟电路中是由运放011和C16来实现的。

（3）瞬时调速率：测量在负荷突卸时的瞬时调速率；本系统自动按如下公式计算：δ1——瞬时调速率；

δ1=

（4）稳定调速率：测量在负荷突卸时的稳定调速率；本系统自动按如下公式计算：

δ2——稳定调速率；

δ2=

n1——变化前的稳定转速；

n2——变化后的最高转速（绝对值）；

n3——变化后的稳定转速。

瞬时调速率和稳定调速率反映动态和静态调控能力（见图1）。

图1 模拟刻线调速图

2 功率悬挂点的调整

对于柴油机而言，不计杂散因素的影响，柴油机的输出功率可表示为：

式中的K对于某一确定的柴油机为一常数；Q为每工作循环的喷油量；Vn为齿条拉杆拉量，在此可认为是供油刻线值；n为柴油机的转速。

由式（1）不难看出，对柴油机而言，一旦转速给定，其供油刻线的大小最终决定了柴油机的输出功率；刻线恒定则功率恒定，拉出刻线大则功率大，拉出刻线小，则功率小；可见在一定转速下，功调系统的调整作用是通过联合调节器自身的油马达来控制主发输出功率最终实现柴油机的供油刻线恒定；当外界负荷变化时，引发转速及供油刻线发生变化，但功率调节过程结束后，供油刻线能恢复到原值上，即实现“恒转速，恒供油刻线”；而当机组的转速变化时，输出功率按给定的牵引特性随转速相应的变化，使柴油机工作在经济特性曲线上。

所以只要掌握机车水阻试验时700、850、及1 000 r/min三种转速下功率符合要求时的供油刻线值即可在试验台上预先调出，实现功率悬挂点的予调。

由于同一型号的柴油机在不同的地区，输出相同的功率时，供油刻线有所不同；车况不同，供油刻线也有一定差异；所以作为“标准”的刻线值要以本车型在本地区的水阻试验时实测平均值为准，上车后还要进一步微量调整。

为了使恒功调整顺利进行，在恒功调整前必须满足以下要求：

（1）调速器稳定性好，不游车波动。

（2）油马达动作灵活，不允许有阻滞。

（3）油马达的阻值应符合要求。

在系统启动前，先将联合调节器偏心调整轮上刻线对准夹叉上靠塔簧侧上方离垂直中心线30°～45°度刻线处，联合杠杆的十字销靠伺服马达侧的端面调整至联板上靠伺服马达杆侧的第二刻线处，将联合杠杆与伺服马的达杆连接的螺栓销中心至上体平面的距离调整到100 mm左右，此时即可启动试验台，将转速提到最高转速1 000 r/min，缓慢给定负荷，供油拉杆随之提高拉出量，当油马达处于浮动状态时，校核供油刻值是否符合要求，同时通过改变给定负荷检查油马达动作，此时如刻线较要求的偏小，可调整伺服马达杆锁螺母将联合杠杆下压，使供油刻线到符合要求后锁紧，然后在校核850 r/min和700 r/min时的恒功刻线值，根据这几位的情况，适当再调整十字销和锁螺母的位置，即可得到正确的整定点。此过程需反复几次。（见图2）

1 000、850、700 r/min三个整定点的恒功刻线正确即认为调整正确，其他各点靠联合调节器的自然特性保证；同时要看700 r/min以上油马达是否能否灵活投入工作；在最低转速位时必须回零位[2]。

系统给出的电流显示值可作参考。

油马达的旋转速度，可通过调整增减载针阀开度来调节。过慢，过渡时间加长，过快则可能造成系统不稳定，一般调定在全程动作时间18±5秒为宜[3]。

3 其他试验

本系统的数字控制电路完成如下试验

图2 C型调节器及功率整定

在51单片机为主的的数字运算电路中[4]，系统从模拟电路中采集了转速、主发电压、主发电流、模拟刻线（电压值）、模拟功率伺服器（电压值）等参数来表征联合调节器的各项指标，使其在显示电路中以专业术语进行描述。（见图3）。

这部分的输入端为运放OP07编号A1、A2、A3、A4完成。

（1）负荷突变性能试验：在检测参数界面下，按“记录”键可进入稳定时间及调速率的检测状态。

将载核给定到一定值上，将加载/卸载旋钮扳向卸载位，可实现负荷突降，以检验调节器的稳定性能和调控能力。全过程检测完成或进入本状态32秒无载荷变化将退出本状态，中途按下记录键也将退出本状态，检测结束“稳定时间”“瞬时调速率”“稳定调速率”等检测结果将显示在屏幕上。

（2）转速波动测定：稳定壮态下的转速波动值，自动检测。

（3）齿调抖动测定，按“0”键进入齿条抖动检测状态，两秒后自动返回并显示齿条抖动量。

（4）启动时间测定:本机启动转速为195 r/min左右，在此启动转速下，齿条拉杆拉出4刻线所用的时间，检测自动进行。

（5）空载供油刻线

空载供油刻线在430～1 000 r/min转速范围内2.2～3.2为正常。

（6）DLS吸合释放的检查 DLS应能有足够的吸合力，通电断电可以通过主机前面板上的纽子开进行。

（7）最高、最低转速：对有级配速的联调自动显示记录16位和1位的转速；无级调速的联调须人为按下“16”和“1”键分别记录显示最高和最低转速。

（8）转速波动：稳定状态下的转速波动值，自动检测。

4 系统的控制面板操作

系统的操作控制主要集中于控制柜的操作面板上，（见图4），上电或复位后，液晶显示屏将显示出供选择的车型，按“功能”键将循环高亮显示各车型，按下“确认”键确认当前车型并转换到检测界面。

5 网传数据内容

网传数据共17帧，136字节，ASCⅡ码传送。

第1帧：4位操作者号+4位车型带号；

第2帧：8位机车编号；

第3帧：8位试件编号；

第4帧：检测年月日时；

第5帧：4位齿条抖动+4位转速波动；

第6帧：4位最高转速+4位最低转速；

第7帧：4位启动时间+4位稳定时间；

第8帧：4位瞬时调速率+4位稳定调速率；

第9帧：4位升速时间+4位降速时间；

第10帧：4位1位转速+4位2位转速；

第11帧：4位3位转速+4位4位转速；

第12帧：4位5位转速+4位6位转速；

第13帧：4位7位转速+4位8位转速；

第14帧：4位9位转速+4位10位转速；

第15帧：4位11位转速+4位12位转速；

第16帧：4位13位转速+4位14位转速；

第17帧：4位15位转速+4位16位转速。

图3 数字控制电路图

图4 操作面板图

6 结论

柴油机联合调节器模拟仿真系统在铁路机务检修中，是必备的设备，为检修联合调节器提供了近似于真实的环境，提高了检修效率。简单直观的控制操作，使得柴油机联合调节器模拟仿真系统得到了广大用户的认可。

［1］Q/HBT1157-2005.内燃机车柴油机检修工艺标准［S］.

［2］叶岚，李长生.内燃机车电传动［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［3］许大勇，卲嘉林.内燃机车柴油机［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［4］张凡，盛珣华，戴胜华.微机原理与接口技术.北京：清华大学出版社，2003.