浅谈GK1F型内燃机车柴油机调速工作原理及优化改进

李因锋　王超

摘 要：通过GK1F型内燃机车柴油机调速工作原理分析，找出了柴油机转速粗暴的原因，并对十六位气控阀进行了优化改进，改善了内燃机车使用工况，保障了设备稳定运行。

关键词：GK1F型内燃机车；调速工作原理；十六位气控阀；步进电机；优化改进

引言

山东石横铁钢集团有限公司2005年购置一台GK1F型内燃机车，车号1069，由南车四方机车车辆有限公司生产。该车为液力传动内燃机车，适用于厂矿企业内部铁路调车及小运转作业。车上安装一台Z12V190BJ8型柴油机，装车功率993KW，配备SF4010-2A型液力传动箱。柴油机调速采用十六位档位控制方式，文章通过对GK1F型内燃机车柴油机调速工作原理分析，找出了柴油机转速粗暴的原因，并提出优化改进措施，改善了内燃机车使用工况，保障了设备稳定运行。

1 调速工作原理

1.1 调速控制路径

司机控制器通过触点闭合或断开，将电信号传送到PLC（机车微机），PLC经逻辑运算处理后向电空阀发出驱动电势，电空阀得电接通主风路和控制风路，控制风路控制十六位气控阀通过连杆机构拉动供油杆来改变调速弹簧的预紧力，实现柴油机的升速和降速。

1.2 司机控制器

司机控制器是直接由司机控制的一个主要机构。操作面板由两个手柄组成，一是控制手柄，用于控制柴油机转速。它有五个位置，分别是0位、1位、升位、保位和降位。0位是待机位也是启动位，车不动时或刚启动时手柄必须在此位。1位是机车低速位。升位和降位是用来提高和降低柴油机转速的位置，手柄不能在这两个位置保持，只能由司机用手力使其保持在一个位置，松手后就会靠凸轮轴的弹力使手柄回到保位，保位的意思就是保持柴油机当前的转速，也是机车正常运行位。另一手柄是换向手柄，用于改变机车运行方向，它有三个位置，前进位、0位和后退位。司机控制器是由两根凸轮轴组成的触点组，通过改变凸轮的位置来改变触点的闭合与断开，故其作用是根据机车的不同状态给PLC（机车微机）一个不同的电信号。

1.3 PLC（机车微机）系统组成及功能

（1）CPU是运算和控制中心，输入信息从输入接口输进，由CPU把数据和程序通过逻辑运算有机地结合在一起，最后通过输出接口来控制外部电器元件。（2）存储器分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序、监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器（ROM）组成。出厂时已编辑好，内容不可更改，断电不丢失。用户存储器由随机存取存储器（RAM）组成。供用户使用，断电内容丢失。用锂电池作为备用电源，寿命一般为3～5年。（3）输入/输出接口。a.输入接口电路工作过程。当开关合上，二极管发光，三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通，内部电路无输入信号。由此通过输入接口电路把外部的开关量信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。b.PLC继电器输出接口电路工作过程。当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，常开触点断开，断开负载的电流或电压。由此通过输出接口电路把内部的数字信号转化成开关量信号驱动负载动作。

1.4 电空阀

调速系统采用四个H23X-L6型电空阀组成16种控制方式，将柴油机转速分成16个档位。柴油机启动后若加载调速条件M1得电，通过调整调速手柄位置，按照升保降位的对应关系使输出Y000、Y001、Y002、Y003为0或为1，从而将柴油机转速分成640、770、875、960、1025、1150、1200、1245、1285、1330、1365、1410、1440、1475、1500r/min共16个档位的转速，实现柴油机的16个档位的调速。

1.5 十六位气控阀

十六位气控阀是一种利用高压空气使控制杆动作的一种执行机构。它有四个进气孔，内部有四个密闭气室，每个气室可以沿气缸内壁滑动。每个气室的充气情况决定控制杆的伸缩长度，四个气室有十五种充气状态，加上0位就叫十六位气控阀。

1.6 离心式调速器

机车柴油机配置离心式机械调速器，该调速器采用具有一定质量的与调速弹簧相平衡的飞锤作为感应元件，当转速发生变化时，离心力使飞锤张开或闭合，带动调速弹簧，从而控制供油齿条向最大或最小方向自动调整，实现供油量的自动变化。当离心力与调速弹簧弹力相互平衡时，便彼此保持一定的位置，所以调速器的工作原理是通过改变调速弹簧的预紧力来改变调速齿条的位置，改变供油量的多少，控制柴油机转速及输出功率的大小。

2 调速系统中存在的不足

日常使用中，1069号GK1F型内燃机车采用十六位档位调速控制方式，档位之间柴油机转速差值较大，反映到柴油机上为转速升降粗暴、动静大，给机车的稳定运行带来了一定的影响。结合调速工作原理，发现问题在于十六位气控阀工作反映时间长、间断明显、位移值不精确。同时每个气室之间用O型密封圈密封，容易老化，使气室之间串气，造成柴油机调速过猛，对柴油机以及调速器易造成较大的损伤。而且使用十六位气控阀还需要电空阀以及风源的配合，才能完成调速。

3 改进措施

3.1 采用步进电机控制

步进电机是一种将电脉冲信号转为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

3.2 步进电机替代十六位气控阀的优势

（1）步进电机替代十六位气控阀，减少了中间控制单元，消除了空气在管路中的衰减所造成的较多故障。（2）步进电机的步距角为1.5°，再加上蜗杆减速机的输出，所以步进电机每转动一个步距角，在最终减速机的输出端转动量只有几十分之一度，能在约5转以内控制发动机的转速，使其加减速更加平稳。（3）简化调速中间环节，使维修更方便、简洁。

3.3 步进电机选型

由十六位控制阀所用控制风缸压力为600kpa，知控制油门杆的力矩约为60N.m（依据600kpa≈6公斤力，1公斤力=10N.m），故控制力矩60N.m可满足使用要求。由蜗杆减速机速比1：30，得出步进电机保持转矩约2N.m可满足使用要求。经选择90BF003步进电机满足要求，相应参数为3相、1.5°/3°的步距角、0～60V电压、5A电流、1.96N.m保持转矩。

3.4 改进后的调速控制路径

司机控制器通过触点闭合或断开，将电信号传送到PLC（机车微机），PLC经逻辑运算处理后将信号给步进电机驱动器，再由其发出电脉冲信号控制步进电机，利用步进电机与蜗杆减速机的配合，拉动供油杆来改变调速弹簧的预紧力，控制柴油机的升速和降速，实现无级调速。

4 结束语

1069号GK1F型内燃机车柴油机调速系统优化改进后，增强了柴油机调速稳定性，减少了故障发生率，简化了调速中间环节，使维护保养和故障排除更方便、简洁，使用效果良好。

参考文献

[1]李长久.PLC原理及应用[M].机械工业出版社，2006.

[2]济南柴油机股份有限公司.190柴油机使用说明书[Z].

[3]青岛四方机车厂.GK1F机车使用说明书[Z].

作者简介：李因锋（1978-），男，山东省新泰市，山东石横特钢集团有限公司助理工程师，研究方向：机械技术。

王超（1988-），男，山东肥城市人，助理工程师。