GCX-1000轨道除雪车高速走行系统及其控制方法分析

2013-08-22陈松

科技视界 2013年6期

陈松

（昆明中铁大型养路机械集团有限公司研究院，云南昆明 650215）

0 引言

为了解决降雪对铁路线路尤其是高速铁路运输秩序的影响或降低雪灾给铁路运输带来的安全风险，设计开发了GCX-1000轨道除雪车。该产品达到我国铁路除雪需求，即能够满足高速铁路也兼顾普通铁路除雪。GCX-1000轨道除雪车在实现除雪功能的同时，设计时充分考虑了设备利用效率，故增加牵引功能，所以在日常还可兼作牵引轨道车使用。因为GCX-1000轨道除雪车所具备功能的增加，也就给技术设计带来了更多的要求，本文就该产品高速走行系统及其控制方法进行介绍。

1 高速走行系统动力传动

为了实现高效除雪与牵引功能，其中高速牵引速度要达到120Km/h；同时确保发动机出现故障时，依然能实现作业装置的收放以及走行功能，故GCX-1000除雪车采用双机组静液压传动方案。根据整车重量及牵引速度决定了该车所需牵引功率及扭矩需求；并根据液压系统效率决定选择两台道依茨500kW柴油发动机来满足整车作业和高速走行工况所需的功率以及扭矩需求。动力传动系统由柴油发动机、弹性联轴器、传动轴、分动箱、液压泵、液压马达、车轴齿轮箱等传动部件组成，该产品采用两套相同传动链传递动力，本文就一套传动链系统进行介绍。

图1 走行系统动力传动方案示意框图

柴油发动机通过弹性联轴器及传动轴驱动安装于分动箱上的三个闭式变量液压泵，然后压力油驱动安装于走行减速箱上的六个闭式变量马达，最终驱动车轴齿轮箱实现整车高速走行。因为作业速度不须太快,所以在作业模式下其中两个闭式变量液压泵通过液压阀切换分别驱动其它工作机构马达,通过如此方案来实现整车不同工况下的功率分配,其传动方案示意框图如图1所示。

2 系统中各主要部件参数

道依茨发动机怠速n0=900rmp,高速nm=2200rmp时功率P额=500kW;在牵引过程中因为考虑海拔及用于发动机自身散热等功率消耗,其最大有效功率P有=450kW。

闭式变量液压泵为萨奥165ml/r泵，通过压力切断阀设定最大工作压力Pm=35Mpa;其瞬时压力△P由负载决定，△P≤Pm；而通过泵比例阀PWM电流决定泵流量Q，PWM电流范围200mA≤IO≤920mA,比例阀分为前进阀a和后退阀b，泵的电流响应时间为T=2S;泵的瞬时功率P瞬=△P*Q,泵的最大额定功率为240kW。

闭式变量马达采用Parker160ml/r马达，最大工作压力Pm=35Mpa，通过调节马达变量点，当压力P实≥30Mpa时马达工作在大排量区间，即低速大扭矩；当压力P实＜30Mpa时马达工作在高速小排量区间。

3 高速走行过程分析

GCX-1000轨道除雪车在高速牵引走行前完成发动机启动及挂档等准备工作后,通过走行控制电位器输入信号至控制器,控制器根据方向决定输出PWM电流至三个用于走行的变量泵比例阀,泵根据车体实时负载决定泵的压力△P，同时马达根据△P值决定以多大扭矩驱动车轮起步；随着车速V实增大,车体负载减小,泵的压力△P减小,马达从低速大排量区间向高速小排量区间过渡,从而实现了整车的加速过程。

从上述可知,若给三个闭式变量泵比例阀电流增加过程中,随着泵压力△P增大,车速V实增大,泵流量Q也增大,泵的瞬时功率P瞬=△P*Q增大,因此三个泵瞬时功率P1瞬+P2瞬+P3瞬将会大于发动机最大有效功率P有=450kW,该过程中会出现发动机转速下降,甚至发动机熄火现象；另一种情况即车V实很大,泵的压力△P小于马达变量点,但没有超功率,但随着车驶入上坡,则车的负载增加,对应泵的压力△P也变大,同样在该过程中仍然超功率而会出现发动机掉速或熄火。泵瞬时功率P1瞬+P2瞬最大时就大于P有=450kW，，设计中考虑液压系统效率，并经过计算用两个泵驱动该车加速到80km/h过程中压力与流量均能满足六个闭式变量马达工作要求,因为该车设计最高时速为120km/h,当车速V实≥81km/h则两泵的流量不能满足在该传动速比下六个闭式变量马达加速到设计时速所需流量,所以必须要第三个变量泵提供流量方能满足该车加速到设计时速。

为解决上述问题,GCX-1000轨道除雪车高速走行系统可通过基于总线的PLC(可编程逻辑控制器)保证在不同工况下始终保证泵功率P瞬≤发动机最大有效功率P有,动态平衡泵的压力△P与流量Q之间关系，杜绝出现上述现象。

4 基于总线的PLC控制模式

随着总线及PLC技术在工控领域的优越性不断体现,GCX-1000轨道除雪车控制系统也采用了该技术。通过上述分析可见,通过调节比例阀电流改变泵的流量,而在泵的压力不变情况下流量变化则泵P瞬变化，所以最终通过控制比例阀电流就能实现走行泵功率控制。

在正常高速牵引工况下,发动机处于高速nm=2200rmp，但瞬时转速n瞬在上述情况下会降低,控制器实时与发动机控制模块EMR通信可读取并采集发动机信息,如发动机转速n瞬,与正常转速比较得到转速变化△n=nm-n瞬,所以要求△n在不同情况时对比例阀电流作出不同改变。

变量泵比例阀有a、b两端，现定义当a端有电流则车体前进,反之则反。泵的死区电流I0=330mA;当△P=35MPa时,若泵P瞬=△P*Q为225kW时,I瞬=760mA；此时两泵瞬时功率P1瞬+P2瞬≤450kW。

泵的△P可以通过压力传感器测量得出，而马达P实=△P；通过分析先将控制方案框图列出如下图2所示。

图2 基于总线的控制系统框图

从上述及框图可见,当车辆起步过程中,走行手柄电位器给定0～10V电压信号U瞬输入到AI,控制器根据采集信号对应输出PWM电流范围为330mA～760 mA，同时通过DO输出信号控制各液压合流阀、流量切换阀等。

GCX-1000轨道除雪车牵引走行准备工作完成后,通过走行手柄向前给定信号U瞬,V实≤80km/h且发动机转速变化△n≤10,则AO对应通道稳定输出比例阀电流分别为I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330 mA。

当走行手柄向前给定信号U瞬,车速V实≥80km/h，泵压力P实＜30MPa且发动机转速变化△n≤50时,AO对应通道稳定输出比例阀电流分别为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；在该过程中△n≤50则I3a增加到最大值后保持 ,若△n≥50时,I3a开始减小,减小到△n=0,如此循环。

当走行手柄向前给定信号U瞬,车速V实≥80km/h且泵压力P实≥30MPa时,AO对应通道输出比例阀稳定电流分别为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；在该过程中 P实＜30MPa时,I3a开始增加,增加到最大并保持,若P实≥30MPa时则I3a开始下降,如此循环。

当走行手柄向前给定信号U瞬从给定值减小过程中,三个泵的电流减小到手柄给定对应电流值,I1a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I2a=330+U瞬(760-330)/10 mA；I3a=330+U瞬(760-330)/10 mA;当车速 V实≤80km/h时 I3a=330 mA。

在发动机转速△n≤50前提下，手柄给定值发生变化时，输出到三个泵阀的比例电流采用定时累加或累减算法，直至手柄新的给定值对应的电流值。电流表达式如下：

In+1=In+△U*A/|△U|；△U有正负区分,即加减电压,A为编程时设定的定值,大小可根据调试过程中状况进行设定。

当In+1≥330+U瞬(760-330)/10 mA时，In+1=330+U瞬(760-330)/10 mA；当 In+1≤330+U瞬(760-330)/10 mA 时，In+1=In+△U*A/|△U|；此处n代表走行泵比例阀电流变化前后值计数。

上述为向前牵引走行过程分析,实行在加速过程中分两段,在车速小于等于80Km/h时,走行泵1和走行泵2工作,当车速大于80Km/h后走行泵3工作,泵3比例阀电流不断增加,当发动机掉速△n大于50转时电流开始减小,泵3比例阀电流按照慢增快减的原则,始终保持发动机掉转速不超过50转；在加速过程中如果△n≥100转时,I3a=330 mA,当发动机转速回到正常转速时控制器再根据条件选择输出不同的比例阀电流。

向后牵引走行则三个走行泵比例阀另一端I1B、I2B、I3B得电,得电情况如同前进方向。通过理清上述逻辑关系与算法,采用高级语言进行逻辑控制器编程,最终实现高速走行系统控制。