李因鋒　王超

摘 要：通過(guò)GK1F型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)調(diào)速工作原理分析，找出了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速粗暴的原因，并對(duì)十六位氣控閥進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改善了內(nèi)燃機(jī)車(chē)使用工況，保障了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：GK1F型內(nèi)燃機(jī)車(chē)；調(diào)速工作原理；十六位氣控閥；步進(jìn)電機(jī)；優(yōu)化改進(jìn)

引言

山東石橫鐵鋼集團(tuán)有限公司2005年購(gòu)置一臺(tái)GK1F型內(nèi)燃機(jī)車(chē)，車(chē)號(hào)1069，由南車(chē)四方機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司生產(chǎn)。該車(chē)為液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，適用于廠礦企業(yè)內(nèi)部鐵路調(diào)車(chē)及小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)。車(chē)上安裝一臺(tái)Z12V190BJ8型柴油機(jī)，裝車(chē)功率993KW，配備SF4010-2A型液力傳動(dòng)箱。柴油機(jī)調(diào)速采用十六位檔位控制方式，文章通過(guò)對(duì)GK1F型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)調(diào)速工作原理分析，找出了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速粗暴的原因，并提出優(yōu)化改進(jìn)措施，改善了內(nèi)燃機(jī)車(chē)使用工況，保障了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

1 調(diào)速工作原理

1.1 調(diào)速控制路徑

司機(jī)控制器通過(guò)觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，將電信號(hào)傳送到PLC（機(jī)車(chē)微機(jī)），PLC經(jīng)邏輯運(yùn)算處理后向電空閥發(fā)出驅(qū)動(dòng)電勢(shì)，電空閥得電接通主風(fēng)路和控制風(fēng)路，控制風(fēng)路控制十六位氣控閥通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)拉動(dòng)供油桿來(lái)改變調(diào)速?gòu)椈傻念A(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的升速和降速。

1.2 司機(jī)控制器

司機(jī)控制器是直接由司機(jī)控制的一個(gè)主要機(jī)構(gòu)。操作面板由兩個(gè)手柄組成，一是控制手柄，用于控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。它有五個(gè)位置，分別是0位、1位、升位、保位和降位。0位是待機(jī)位也是啟動(dòng)位，車(chē)不動(dòng)時(shí)或剛啟動(dòng)時(shí)手柄必須在此位。1位是機(jī)車(chē)低速位。升位和降位是用來(lái)提高和降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的位置，手柄不能在這兩個(gè)位置保持，只能由司機(jī)用手力使其保持在一個(gè)位置，松手后就會(huì)靠凸輪軸的彈力使手柄回到保位，保位的意思就是保持柴油機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，也是機(jī)車(chē)正常運(yùn)行位。另一手柄是換向手柄，用于改變機(jī)車(chē)運(yùn)行方向，它有三個(gè)位置，前進(jìn)位、0位和后退位。司機(jī)控制器是由兩根凸輪軸組成的觸點(diǎn)組，通過(guò)改變凸輪的位置來(lái)改變觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)，故其作用是根據(jù)機(jī)車(chē)的不同狀態(tài)給PLC（機(jī)車(chē)微機(jī)）一個(gè)不同的電信號(hào)。

1.3 PLC（機(jī)車(chē)微機(jī)）系統(tǒng)組成及功能

（1）CPU是運(yùn)算和控制中心，輸入信息從輸入接口輸進(jìn)，由CPU把數(shù)據(jù)和程序通過(guò)邏輯運(yùn)算有機(jī)地結(jié)合在一起，最后通過(guò)輸出接口來(lái)控制外部電器元件。（2）存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶(hù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序、監(jiān)控程序以及對(duì)用戶(hù)程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲(chǔ)器（ROM）組成。出廠時(shí)已編輯好，內(nèi)容不可更改，斷電不丟失。用戶(hù)存儲(chǔ)器由隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）組成。供用戶(hù)使用，斷電內(nèi)容丟失。用鋰電池作為備用電源，壽命一般為3～5年。（3）輸入/輸出接口。a.輸入接口電路工作過(guò)程。當(dāng)開(kāi)關(guān)合上，二極管發(fā)光，三極管在光的照射下導(dǎo)通，向內(nèi)部電路輸入信號(hào)。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，二極管不發(fā)光，三極管不導(dǎo)通，內(nèi)部電路無(wú)輸入信號(hào)。由此通過(guò)輸入接口電路把外部的開(kāi)關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)化成PLC內(nèi)部所能接受的數(shù)字信號(hào)。b.PLC繼電器輸出接口電路工作過(guò)程。當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號(hào)1，有電流流過(guò)，繼電器線圈有電流，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，提供負(fù)載導(dǎo)通的電流和電壓。當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號(hào)0，則沒(méi)有電流流過(guò)，繼電器線圈沒(méi)有電流，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，斷開(kāi)負(fù)載的電流或電壓。由此通過(guò)輸出接口電路把內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成開(kāi)關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作。

1.4 電空閥

調(diào)速系統(tǒng)采用四個(gè)H23X-L6型電空閥組成16種控制方式，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分成16個(gè)檔位。柴油機(jī)啟動(dòng)后若加載調(diào)速條件M1得電，通過(guò)調(diào)整調(diào)速手柄位置，按照升保降位的對(duì)應(yīng)關(guān)系使輸出Y000、Y001、Y002、Y003為0或?yàn)?，從而將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分成640、770、875、960、1025、1150、1200、1245、1285、1330、1365、1410、1440、1475、1500r/min共16個(gè)檔位的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的16個(gè)檔位的調(diào)速。

1.5 十六位氣控閥

十六位氣控閥是一種利用高壓空氣使控制桿動(dòng)作的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它有四個(gè)進(jìn)氣孔，內(nèi)部有四個(gè)密閉氣室，每個(gè)氣室可以沿氣缸內(nèi)壁滑動(dòng)。每個(gè)氣室的充氣情況決定控制桿的伸縮長(zhǎng)度，四個(gè)氣室有十五種充氣狀態(tài)，加上0位就叫十六位氣控閥。

1.6 離心式調(diào)速器

機(jī)車(chē)柴油機(jī)配置離心式機(jī)械調(diào)速器，該調(diào)速器采用具有一定質(zhì)量的與調(diào)速?gòu)椈上嗥胶獾娘w錘作為感應(yīng)元件，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，離心力使飛錘張開(kāi)或閉合，帶動(dòng)調(diào)速?gòu)椈?，從而控制供油齒條向最大或最小方向自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)供油量的自動(dòng)變化。當(dāng)離心力與調(diào)速?gòu)椈蓮椓ο嗷テ胶鈺r(shí)，便彼此保持一定的位置，所以調(diào)速器的工作原理是通過(guò)改變調(diào)速?gòu)椈傻念A(yù)緊力來(lái)改變調(diào)速齒條的位置，改變供油量的多少，控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出功率的大小。

2 調(diào)速系統(tǒng)中存在的不足

日常使用中，1069號(hào)GK1F型內(nèi)燃機(jī)車(chē)采用十六位檔位調(diào)速控制方式，檔位之間柴油機(jī)轉(zhuǎn)速差值較大，反映到柴油機(jī)上為轉(zhuǎn)速升降粗暴、動(dòng)靜大，給機(jī)車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一定的影響。結(jié)合調(diào)速工作原理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題在于十六位氣控閥工作反映時(shí)間長(zhǎng)、間斷明顯、位移值不精確。同時(shí)每個(gè)氣室之間用O型密封圈密封，容易老化，使氣室之間串氣，造成柴油機(jī)調(diào)速過(guò)猛，對(duì)柴油機(jī)以及調(diào)速器易造成較大的損傷。而且使用十六位氣控閥還需要電空閥以及風(fēng)源的配合，才能完成調(diào)速。

3 改進(jìn)措施

3.1 采用步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱(chēng)為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

3.2 步進(jìn)電機(jī)替代十六位氣控閥的優(yōu)勢(shì)

（1）步進(jìn)電機(jī)替代十六位氣控閥，減少了中間控制單元，消除了空氣在管路中的衰減所造成的較多故障。（2）步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.5°，再加上蝸桿減速機(jī)的輸出，所以步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，在最終減速機(jī)的輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)量只有幾十分之一度，能在約5轉(zhuǎn)以?xún)?nèi)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其加減速更加平穩(wěn)。（3）簡(jiǎn)化調(diào)速中間環(huán)節(jié)，使維修更方便、簡(jiǎn)潔。

3.3 步進(jìn)電機(jī)選型

由十六位控制閥所用控制風(fēng)缸壓力為600kpa，知控制油門(mén)桿的力矩約為60N.m（依據(jù)600kpa≈6公斤力，1公斤力=10N.m），故控制力矩60N.m可滿(mǎn)足使用要求。由蝸桿減速機(jī)速比1：30，得出步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩約2N.m可滿(mǎn)足使用要求。經(jīng)選擇90BF003步進(jìn)電機(jī)滿(mǎn)足要求，相應(yīng)參數(shù)為3相、1.5°/3°的步距角、0～60V電壓、5A電流、1.96N.m保持轉(zhuǎn)矩。

3.4 改進(jìn)后的調(diào)速控制路徑

司機(jī)控制器通過(guò)觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，將電信號(hào)傳送到PLC（機(jī)車(chē)微機(jī)），PLC經(jīng)邏輯運(yùn)算處理后將信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，再由其發(fā)出電脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，利用步進(jìn)電機(jī)與蝸桿減速機(jī)的配合，拉動(dòng)供油桿來(lái)改變調(diào)速?gòu)椈傻念A(yù)緊力，控制柴油機(jī)的升速和降速，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

4 結(jié)束語(yǔ)

1069號(hào)GK1F型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)后，增強(qiáng)了柴油機(jī)調(diào)速穩(wěn)定性，減少了故障發(fā)生率，簡(jiǎn)化了調(diào)速中間環(huán)節(jié)，使維護(hù)保養(yǎng)和故障排除更方便、簡(jiǎn)潔，使用效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]李長(zhǎng)久.PLC原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司.190柴油機(jī)使用說(shuō)明書(shū)[Z].

[3]青島四方機(jī)車(chē)廠.GK1F機(jī)車(chē)使用說(shuō)明書(shū)[Z].

作者簡(jiǎn)介：李因鋒（1978-），男，山東省新泰市，山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司助理工程師，研究方向：機(jī)械技術(shù)。

王超（1988-），男，山東肥城市人，助理工程師。