陳 松

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司 研究院，云南 昆明 650215）

0 引言

為了解決降雪對(duì)鐵路線(xiàn)路尤其是高速鐵路運(yùn)輸秩序的影響或降低雪災(zāi)給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了GCX-1000軌道除雪車(chē)。該產(chǎn)品達(dá)到我國(guó)鐵路除雪需求，即能夠滿(mǎn)足高速鐵路也兼顧普通鐵路除雪。GCX-1000軌道除雪車(chē)在實(shí)現(xiàn)除雪功能的同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了設(shè)備利用效率，故增加牽引功能，所以在日常還可兼作牽引軌道車(chē)使用。因?yàn)镚CX-1000軌道除雪車(chē)所具備功能的增加，也就給技術(shù)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的要求，本文就該產(chǎn)品高速走行系統(tǒng)及其控制方法進(jìn)行介紹。

1 高速走行系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)

為了實(shí)現(xiàn)高效除雪與牽引功能，其中高速牽引速度要達(dá)到120Km/h；同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，依然能實(shí)現(xiàn)作業(yè)裝置的收放以及走行功能，故GCX-1000除雪車(chē)采用雙機(jī)組靜液壓傳動(dòng)方案。根據(jù)整車(chē)重量及牽引速度決定了該車(chē)所需牽引功率及扭矩需求；并根據(jù)液壓系統(tǒng)效率決定選擇兩臺(tái)道依茨500kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)滿(mǎn)足整車(chē)作業(yè)和高速走行工況所需的功率以及扭矩需求。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、分動(dòng)箱、液壓泵、液壓馬達(dá)、車(chē)軸齒輪箱等傳動(dòng)部件組成，該產(chǎn)品采用兩套相同傳動(dòng)鏈傳遞動(dòng)力，本文就一套傳動(dòng)鏈系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

圖1 走行系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)方案示意框圖

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器及傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)安裝于分動(dòng)箱上的三個(gè)閉式變量液壓泵，然后壓力油驅(qū)動(dòng)安裝于走行減速箱上的六個(gè)閉式變量馬達(dá)，最終驅(qū)動(dòng)車(chē)軸齒輪箱實(shí)現(xiàn)整車(chē)高速走行。因?yàn)樽鳂I(yè)速度不須太快,所以在作業(yè)模式下其中兩個(gè)閉式變量液壓泵通過(guò)液壓閥切換分別驅(qū)動(dòng)其它工作機(jī)構(gòu)馬達(dá),通過(guò)如此方案來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)不同工況下的功率分配,其傳動(dòng)方案示意框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)中各主要部件參數(shù)

道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)怠速n0=900rmp,高速nm=2200rmp時(shí)功率P額=500kW;在牽引過(guò)程中因?yàn)榭紤]海拔及用于發(fā)動(dòng)機(jī)自身散熱等功率消耗,其最大有效功率P有=450kW。

閉式變量液壓泵為薩奧165ml/r泵，通過(guò)壓力切斷閥設(shè)定最大工作壓力Pm=35Mpa;其瞬時(shí)壓力△P由負(fù)載決定，△P≤Pm；而通過(guò)泵比例閥PWM電流決定泵流量Q，PWM電流范圍200mA≤IO≤920mA,比例閥分為前進(jìn)閥a和后退閥b，泵的電流響應(yīng)時(shí)間為T(mén)=2S;泵的瞬時(shí)功率P瞬=△P*Q,泵的最大額定功率為240kW。

閉式變量馬達(dá)采用Parker160ml/r馬達(dá)，最大工作壓力Pm=35Mpa，通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)變量點(diǎn)，當(dāng)壓力P實(shí)≥30Mpa時(shí)馬達(dá)工作在大排量區(qū)間，即低速大扭矩；當(dāng)壓力P實(shí)＜30Mpa時(shí)馬達(dá)工作在高速小排量區(qū)間。

3 高速走行過(guò)程分析

GCX-1000軌道除雪車(chē)在高速牽引走行前完成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及掛檔等準(zhǔn)備工作后,通過(guò)走行控制電位器輸入信號(hào)至控制器,控制器根據(jù)方向決定輸出PWM電流至三個(gè)用于走行的變量泵比例閥,泵根據(jù)車(chē)體實(shí)時(shí)負(fù)載決定泵的壓力△P，同時(shí)馬達(dá)根據(jù)△P值決定以多大扭矩驅(qū)動(dòng)車(chē)輪起步；隨著車(chē)速V實(shí)增大,車(chē)體負(fù)載減小,泵的壓力△P減小,馬達(dá)從低速大排量區(qū)間向高速小排量區(qū)間過(guò)渡,從而實(shí)現(xiàn)了整車(chē)的加速過(guò)程。

從上述可知,若給三個(gè)閉式變量泵比例閥電流增加過(guò)程中,隨著泵壓力△P增大,車(chē)速V實(shí)增大,泵流量Q也增大,泵的瞬時(shí)功率P瞬=△P*Q增大,因此三個(gè)泵瞬時(shí)功率P1瞬+P2瞬+P3瞬將會(huì)大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大有效功率P有=450kW,該過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降,甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火現(xiàn)象；另一種情況即車(chē)V實(shí)很大,泵的壓力△P小于馬達(dá)變量點(diǎn),但沒(méi)有超功率,但隨著車(chē)駛?cè)肷掀?則車(chē)的負(fù)載增加,對(duì)應(yīng)泵的壓力△P也變大,同樣在該過(guò)程中仍然超功率而會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)掉速或熄火。泵瞬時(shí)功率P1瞬+P2瞬最大時(shí)就大于P有=450kW，，設(shè)計(jì)中考慮液壓系統(tǒng)效率，并經(jīng)過(guò)計(jì)算用兩個(gè)泵驅(qū)動(dòng)該車(chē)加速到80km/h過(guò)程中壓力與流量均能滿(mǎn)足六個(gè)閉式變量馬達(dá)工作要求,因?yàn)樵撥?chē)設(shè)計(jì)最高時(shí)速為120km/h,當(dāng)車(chē)速V實(shí)≥81km/h則兩泵的流量不能滿(mǎn)足在該傳動(dòng)速比下六個(gè)閉式變量馬達(dá)加速到設(shè)計(jì)時(shí)速所需流量,所以必須要第三個(gè)變量泵提供流量方能滿(mǎn)足該車(chē)加速到設(shè)計(jì)時(shí)速。

為解決上述問(wèn)題,GCX-1000軌道除雪車(chē)高速走行系統(tǒng)可通過(guò)基于總線(xiàn)的PLC(可編程邏輯控制器)保證在不同工況下始終保證泵功率P瞬≤發(fā)動(dòng)機(jī)最大有效功率P有,動(dòng)態(tài)平衡泵的壓力△P與流量Q之間關(guān)系，杜絕出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

4 基于總線(xiàn)的PLC控制模式

隨著總線(xiàn)及PLC技術(shù)在工控領(lǐng)域的優(yōu)越性不斷體現(xiàn),GCX-1000軌道除雪車(chē)控制系統(tǒng)也采用了該技術(shù)。通過(guò)上述分析可見(jiàn),通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥電流改變泵的流量,而在泵的壓力不變情況下流量變化則泵P瞬變化，所以最終通過(guò)控制比例閥電流就能實(shí)現(xiàn)走行泵功率控制。

在正常高速牽引工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速nm=2200rmp，但瞬時(shí)轉(zhuǎn)速n瞬在上述情況下會(huì)降低,控制器實(shí)時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊EMR通信可讀取并采集發(fā)動(dòng)機(jī)信息,如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n瞬,與正常轉(zhuǎn)速比較得到轉(zhuǎn)速變化△n=nm-n瞬,所以要求△n在不同情況時(shí)對(duì)比例閥電流作出不同改變。

變量泵比例閥有a、b兩端，現(xiàn)定義當(dāng)a端有電流則車(chē)體前進(jìn),反之則反。泵的死區(qū)電流I0=330mA;當(dāng)△P=35MPa時(shí),若泵P瞬=△P*Q為225kW時(shí),I瞬=760mA；此時(shí)兩泵瞬時(shí)功率P1瞬+P2瞬≤450kW。

泵的△P可以通過(guò)壓力傳感器測(cè)量得出，而馬達(dá)P實(shí)=△P；通過(guò)分析先將控制方案框圖列出如下圖2所示。

圖2 基于總線(xiàn)的控制系統(tǒng)框圖

從上述及框圖可見(jiàn),當(dāng)車(chē)輛起步過(guò)程中,走行手柄電位器給定0～10V電壓信號(hào)U瞬輸入到AI,控制器根據(jù)采集信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出PWM電流范圍為330mA～760 mA，同時(shí)通過(guò)DO輸出信號(hào)控制各液壓合流閥、流量切換閥等。

GCX-1000軌道除雪車(chē)牽引走行準(zhǔn)備工作完成后,通過(guò)走行手柄向前給定信號(hào)U瞬,V實(shí)≤80km/h且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化△n≤10,則AO對(duì)應(yīng)通道穩(wěn)定輸出比例閥電流分別為I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330 mA。

當(dāng)走行手柄向前給定信號(hào)U瞬,車(chē)速V實(shí)≥80km/h，泵壓力P實(shí)＜30MPa且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化△n≤50時(shí),AO對(duì)應(yīng)通道穩(wěn)定輸出比例閥電流分別為I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330+t0*(760-330)/(T*1000)mA;其中 t0≤T；在該過(guò)程中△n≤50則I3a增加到最大值后保持 ,若△n≥50時(shí),I3a開(kāi)始減小,減小到△n=0,如此循環(huán)。

當(dāng)走行手柄向前給定信號(hào)U瞬,車(chē)速V實(shí)≥80km/h且泵壓力P實(shí)≥30MPa時(shí),AO對(duì)應(yīng)通道輸出比例閥穩(wěn)定電流分別為I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330+(1-t0/2000)*(760-330)mA;其中 t0≤T；在該過(guò)程中 P實(shí)＜30MPa時(shí),I3a開(kāi)始增加,增加到最大并保持,若P實(shí)≥30MPa時(shí)則I3a開(kāi)始下降,如此循環(huán)。

當(dāng)走行手柄向前給定信號(hào)U瞬從給定值減小過(guò)程中,三個(gè)泵的電流減小到手柄給定對(duì)應(yīng)電流值,I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330+U瞬(760-330)/10 mA;當(dāng)車(chē)速 V實(shí)≤80km/h時(shí) I3a=330 mA。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速△n≤50前提下，手柄給定值發(fā)生變化時(shí)，輸出到三個(gè)泵閥的比例電流采用定時(shí)累加或累減算法，直至手柄新的給定值對(duì)應(yīng)的電流值。電流表達(dá)式如下：

In+1=In+△U*A/|△U|；△U有正負(fù)區(qū)分,即加減電壓,A為編程時(shí)設(shè)定的定值,大小可根據(jù)調(diào)試過(guò)程中狀況進(jìn)行設(shè)定。

當(dāng)In+1≥330+U瞬(760-330)/10 mA時(shí)，In+1=330+U瞬(760-330)/10 mA；當(dāng) In+1≤330+U瞬(760-330)/10 mA 時(shí)，In+1=In+△U*A/|△U|；此處n代表走行泵比例閥電流變化前后值計(jì)數(shù)。

上述為向前牽引走行過(guò)程分析,實(shí)行在加速過(guò)程中分兩段,在車(chē)速小于等于80Km/h時(shí),走行泵1和走行泵2工作,當(dāng)車(chē)速大于80Km/h后走行泵3工作,泵3比例閥電流不斷增加,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)掉速△n大于50轉(zhuǎn)時(shí)電流開(kāi)始減小,泵3比例閥電流按照慢增快減的原則,始終保持發(fā)動(dòng)機(jī)掉轉(zhuǎn)速不超過(guò)50轉(zhuǎn)；在加速過(guò)程中如果△n≥100轉(zhuǎn)時(shí),I3a=330 mA,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回到正常轉(zhuǎn)速時(shí)控制器再根據(jù)條件選擇輸出不同的比例閥電流。

向后牽引走行則三個(gè)走行泵比例閥另一端I1B、I2B、I3B得電,得電情況如同前進(jìn)方向。通過(guò)理清上述邏輯關(guān)系與算法,采用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行邏輯控制器編程,最終實(shí)現(xiàn)高速走行系統(tǒng)控制。

5 結(jié)論

通過(guò)上述分析,GCX-1000軌道除雪車(chē)高速走行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,可以實(shí)現(xiàn)牽引能力且最高速度達(dá)到129Km/h；該方法充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)功率,并實(shí)現(xiàn)液壓泵與馬達(dá)的完美匹配。

［1］GCX-1000軌道除雪車(chē)方案設(shè)計(jì)報(bào)告[R].

［2］薩奧泵樣本手冊(cè)[S].

［3］Parker馬達(dá)樣本及手冊(cè)[S].