（安全技术及工程专业论文）内燃机车微机控制器重联技术研究.pdf

a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n da p p ii c a t i o n i n t e rii n k t e c h n i q u e f o ri n t e r n a ( i c e ) a b s t r a c t o fm i c r o c o n t r o ii e r c o m b u s ti o n e n g in e d u r i n g1 9 8 0 s ，t h ei c em a n u f a c t u r e db ye a s t e r ng e r m a n yh a st h ep r o b l e mt h a t l o s ep o w e r ，s h o to fe l e c t r i cf i t t i n g s w ed e v e l o p e dt h ei n t e r l i n kt e c h n i q u eb a s e d o nt h em i c r o c o n t r o l l e r ( y z m 一9 5 ) s u c c e s s f u l l ya c h i e v e dt h ei n t e r l i n ko ft w o s e t so fi c ec o m p u t e r ，a n da c h i e v i n gt h eo p e r a t i n g 、f a i l u r ec h e c k i n g 、f a i l u r e a l a r m i n g t h ec o n t r o l l e rb a s e do nt h ei n d u s t r ys i n g l eb o a r dc o m p u t e ru s i n gr e l a t e d t e c h n i q u e a b o l i s h i n gt h e e l e c t r i c a lr e l a yi n t e r l o c k i n gd e v i c e ，a c h i e v i n g c o m p l e t e l yc o n t r o lo ft h ei c e d u r i n gt h er e b u i i d i n gt w os e t so fi c e ( 1 5 2 1 6 # 1 4 0 9 9 # ) ，u s e dd o u b l et w i s t1 i n e t oc o n n e c tt w os e t si c ec o n t r o l l e r s ，u s e dt h ep r o t o c o lo f s a e j l 5 8 7 ，s a e j l 7 0 8 i s s u e db yu sm o t o ra s s o c i a t i o n 。a c h i e v e dd a t ai n t e rc h a n g ea n dc o n t r 0 1 a tt h e s a m et i m et h eo p e r a t i o nm e t h o dr e m a i n s ，o p t i m i z e dt h ei c ec o n t r 0 1 a f t e ri n t e r l i n k t e c h n i q u eu s e d ，t h et w oi c ec a np r o c e s s i n g f a i l u r ec h e c k i n ga n da l a r m i n g ，t h e m o t o rc a nb eo p e r a t e dw i t hs t e e p l e ss p e e dc o n t r o l ，a u t o m a t i cm o t o rr u n n i n g ， c l o s e dl o o ps t a b i l i z a t i o ns p e e dc o n t r o l ，o p t i m i z e de q u i p m e n t sr e s o u r c e s t w od i e s e l1 0 c o m o t i y e sr e a l i z e dt h ep a r a l l e l c o n t r 0 1 w ec a nd e t e r m i n et w o o ro n ed i e s e ll o c o m o t i v e sr e v o l u i n gb yt h el o a d b yt h i sw a y ，s o m ef u e lc a nb es a v e d ， b r e a k d o w nr a t ea l s oc a nb ed e c r e a s e d ，r e s o v e l e dt h es h o r t i n go fe l e c t r i c i t yf i t t i n g a n dk e p tr a i l w a yt r a n s p o r t a i o nr u n n i n gi ns a f e t ya n do nt i m e k e yw o r d s ： i n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e ： m i c r o c o n t r o l l e r ： i n t e r l i n k t e c h n i q , l e ；f a i l u r ec h e c k i n g ：s t a b i l i z a t i o ns p e e dc o n t r o l 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 问题提出及概述 第一章文献综述 为了适应我国国民经济高速发展的需要，以期提高铁路运输能力。其中一种经济有效 的方法就是采用双节机车重联牵引来提高牵引吨位。随着计算机控制技术的不断发展和涌 现，机车重联技术也在不断发展。 我国在8 0 年代进口的一批原东德生产的“v 1 0 0 、v 1 0 0 3 ”型内燃机车，至今己在国内 各企业运行多年，早已超期服役。随着部件的磨损和老化，以及备件供应断档，近年来很 多企业已将该型机车报废淘汰。大庆石化公司炼油厂现有四台该型机车，也面临着部件的 磨损、老化、牵引动力不足等诸多问题。如何解决该型机车的这些问题是摆在我们面前一 个新的课题。 炼油厂机车车间承担产品出厂和原材料进厂的铁路运输任务，年出厂量达7 8 万吨， 年进厂量达3 5 万吨，近年产品出厂和原材料进厂的运输量逐年增加。现在用内燃机车， 是1 9 7 5 年自原东德进口的v 1 0 0 、v 1 0 0 3 型内燃机车，设计功率7 3 5 k w ，使用达2 5 年之 久，平均大修2 2 5 次，动力下降2 0 。近年整列重车作业量增加，现有内燃机车无法完 成整列重车的调车作业，调车作业只能分钩进行，严重威胁安全、正点生产，出厂、进厂 运输困难，影响生产装置的正常生产，既降低产量或停工停产。另外，该型号机车已停止 生产，并逐步报废，无配件供应，原储备配件缺口严重，尤其是电气配件更加缺少。经过 市场调研和技术论证，我们决定采用一种新型的y z m 一9 5 机车微机控制器对机车进行改造。 在对两台机车( 1 5 2 1 6 4 1 4 0 9 9 。) 的改造中，使用计算机双绞线通讯技术连接两台内燃机车 的控制器，并采用“美国电子工业协会( s a e j l 5 8 7 ，s a e j l 7 0 8 ) ) 标准的通讯协议，实现 了双机数据交换及控制，使机车重联获得成功。同时，使机车原操作方式不变，优化了内 燃机的控制，并且在重联时，双机能进行故障自诊断与报警，实现柴油机有挡、分段无级 调速控制，柴油机自动运转，闭环恒速控制，实现了设备资源优化配置，见图1 - 1 。 图卜1 重联机车( 15 2 1 6 # 1 4 0 9 9 # ) 照片 f i g u r e l - 1p a r a ll e l c o n n e c ti o n ( 152 1 6 # 1 4 0 9 9 # ) m o t o r c y c l e 第一章文献综述 1 2 内燃机车( v 1 0 0 型) 介绍 1 2 1 概述 四轴式11 0 b 7 b 液压柴油机车适用于客车、货车和调车。 车架主要由两根纵梁和几根横梁构成，支撑着主机，如柴油机、冷却器、液压变换器， 以及司机室和机车前室，此架可承受垂直方向的冲击力和对角方向作用力。两端由两个可 供调车用的脚踏板b8 。”。 走行部分由四套轮对构成，每两套装在一台转向架上。每台转向架的外端由一个可调 的排障器，转向架是通过一个装在车架上颈轴导出的。在转向架的每一侧各有两个螺旋弹 簧支撑着机车车架。 驱动部分为一台7 3 5 k w 增压柴油机。驱动功能通过旋转弹性橡胶联轴节及十字头万向 轴传递到液压变换器上。 力是从液压变换器的两个从动法兰盘通过万向轴传到两台转向架的轴齿轮箱的。 液压变换器的操纵和开关，是随着行车速度及柴油机转速自动实现的。转换机构是装 在变换器中的。 有两台风冷的冷却器组以冷却冷却水。柴油机润滑油和液压变换器的热量通过热交换 器由冷却水带走。两台交流异步风机电机的电源是由与变换器法兰盘相连的发电机供给 的。 制动系统由一台k b r 型间接作用、自动、单室压缩空气制动器，一台直接作用、非自 动附；i n n 动器以及一台作用于转向架的手制动器所构成。 机车的操纵是由两个在行车方向右侧，互成对角的司机操作台进行的。在每个司机操 作台上都装有行车时用的各种操作元件及重要的指示仪表和指示灯，即易于识别，又便于 操作。 辅助设备，如交流发电机及照明启动电机是通过辅助驱车连接液压变换器的。照明起 动电机用来起动柴油机，并在柴油机运转时供给机车电源。 1 2 2 技术指标 2 轴列式 功率 轨距 尺寸： 总长 总宽 一，。， 、 转向架两轴间距离 前后轴间距离 车轴轴承 速度： 最高允许速度 最小可行轨道曲线半径 重量，负荷，牵引力： 无整备( 空车) 时机车重量 全整备时机车重量 最大起动牵引力 b b 7 7 3 5 k w 1 4 3 5 m m -m i j 1 4 2 4 0 m m 3 1 0 0 m m 2 3 0 0 m m 9 3 0 0 咖 每个车轴轴承有两爷滚径轴承 l o o k m h l o o m 6 1 t 3 6 5 t 3 1 5 t 大庆石油学院硕士研究生学位论文 制动： 持续牵引力9 4 t i 、间接作用的、自动的压缩空气制动器，型式k b r ，和简单操纵阀及司机制动阀 f b s l o ( 列车制动) 2 、直接作用的、非自动的附加制动器，和司机制动阀z b s l 2 ( 机车制动) 3 、手拉杆制动器( 固定位置制动) 1 31 2 k v d 2 1 a - 2 型柴油机工作原理和控制系统 1 3 1 柴油机技术参数 型号 工作方式 持久功率 压缩比 公称转数 最高空转转数 平均活塞速度 气缸直径 活塞行程 气缸数 气缸排列 喷油开始 点火顺序 1 3 2 柴油机工作原理 1 2 k v d 2 1 a 一2 ( 增压式) 4 冲程 7 3 5 k w ( 1 5 0 0 r m i n ) l ：1 5 5 1 5 0 0r r a i n 1 6 5 0 r m i n 1 0 5 m s 1 8 0 m m 2 1 0 m m 1 2 成行，v 型6 0 。 萼 上止点前4 2 。2 0 a 1 一b 3 一a 4 一b 5 一a 2 一b l a 6 一b 4 一a 3 一b 2 一a 5 一b 6 1 3 2 1 柴油机实际工作过程 柴油机的整个工作过程由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个冲程5 个工作过程组成， 曲轴旋转两圈完成整个工作过程o “”2 7 1 “。 a 、进气冲程 在配气机构的作用下，进气门在活塞处于上止点前4 l 。2 1 曲轴转角时开启，新鲜空 气通过增压并冷却后，经稳压箱、进支气管、气缸盖进气道进入气缸内。当活塞运动到下 止点后4 1 。2 0 曲轴转角时，进气门关闭。整个进气过程为8 4 。4 0 曲轴转角。 b 、压缩冲程 当气门完全关闭时，活塞继续上行，压缩过程开始，随着活塞上行，气缸内的空气不 断被压缩，其温度和压力不断升高，为柴油着火燃烧创造了必要的条件，当活塞到达上止 点前1 8 。，喷油泵柱塞顶面将柱塞套上的进油孔完全遮闭( 此时称几何供油始点) ，此时 的曲轴转角1 8 。称几何供油提前角，燃油开始被压缩，当高压油管内的燃油压力传送到喷 油器上达到2 5 5 m p a 时，喷油器针阀被抬起，燃油以雾状喷入燃烧室内，与气缸内的高压 高温的空气混合。 c 、燃烧膨胀冲程( 又称工作过程) 当喷入气缸内的燃油与高温高压空气混合后迅速燃烧，开始了燃烧过程，燃烧压力急 骤上升，燃气最高温度可达1 5 0 0 。至燃油喷射结束后，燃烧逐渐停止。 柴油机的燃烧过程包括燃料的化学能转为热能和热能转化为机械能的两个能量转化 第一章文献综述 过程。燃料化学能转化为热能是个复杂的物理化学过程。转化的完善程度，即燃烧的好坏， 由供油时刻、燃油雾化质量、喷油规律及燃料与空气充分混合的程度等因素决定。 由于燃烧的有限速度和喷油至着火需一段物理和化学的酝酿期，为希望燃烧能在上止 点后不久结束，以增加后期膨胀比，因此喷油泵供油不是在上止点，而是在上止点前一定 角度开始，此即喷油提前角。膨胀过程是将燃气的热能转化为机械能的过程，在此过程中 的高温高压的燃气不断膨胀而推动活塞下行，通过曲柄连杆机构使曲轴转动，并由曲轴向 外输出机械功，直到活塞到达下止点前4 2 。2 0 曲轴转角，排气门开启时止。 d 、排气冲程 活塞在到达下止点前4 2 。2 0 曲轴转角，排气门开启时开始了排气过程，这是气缸内 经过膨胀做功的燃气开始排出，活塞经过下止点继续上行，直到活塞再次达到上止点后4 2 。2 07 曲轴转角，排气门完全关闭为止。 以后柴油机又重新回复到第一冲程，并按上述循环顺序，不断地工作。在柴油机的一 个工作循环中，只有燃烧膨胀时做功的，其它三个冲程都是进行辅助性质的工作过程。这 些辅助过程所需要的能量，由储存在柴油机回转部分的动能和靠其它气缸的工作冲程来供 给。 当需启动柴油机时，由蓄电池对启动电机供电，由它通过齿轮箱带动牵引发电机和柴 油曲轴旋转，开始了柴油机的工作过程。 1 3 2 2 柴油机换气过程分析 根据气体流动的特点，可把换气过程分为自由排气阶段、强制排气阶段、进气过程及 燃烧室换气过程。 a 、自由排气阶段 为了避免活塞由下止点向上止点移动进行排气时，产生过大的阻力，以减少功耗，并 进行充分排气，因此排气门在活塞下止点前4 2 72 0 ：打开。此时尽管已处乇膨胀过程的尾 声，但缸内仍处于较高的燃气压力，因此经废气迅速流向排气总管，使气缸内的压力下降 到或很接近排气总管的压力，在此阶段中，从气缸内排出的废气量与柴油机的转速无关。 随柴油机转速的增加，自由排气阶段拖延到下止点后的曲轴转角会愈大，因此如排气提前 角过小，或排气门流通截面不足，甚至会使排气阶段占据整个排气过程，这势必会增加排 气时所耗的功。但如排气门开启过早，会缩短膨胀过程，减少功率的输出，而且使排气门 本身过热。 4 图1 - 21 2 k v d 2 1 a - 2 ( 增压式) 型柴油机配气相位图 f i g u r e l 一21 2 k v d 2 1 a 一2 ( a d d p r e s ss t y l e ) g a sp h a s eo f d i e s e l 大庆石油学院硕士研究生学位论文 b 、强制排气阶段 这一阶段，气缸内废气被上行活塞强制排出，气缸内平均压力要比排气管内的压力高 一些，这压力差主要是排气阀及通道处产生节流的结果，废气流速愈高，此压差愈大，其 数值每时每刻都在变化，这是由于气体通过排气门的流量也随时间而变化的结果。同时， 在自由排气阶段中排气管内引起的压力波，会在排气管中往复反射，并波及到气缸内部， 使缸内的压力也发生上、下波动。 当排气门关闭时，强制排气阶段结束。柴油机的排气门时在上止点后4 2 。2 07 曲轴转 角时关闭的，如果没有这个排气迟闭角，即在上止点时关闭，会使排气冲程临近终了时， 产生较大额节流作用，缸内的压力又会上升，使排气耗功和残余废气量增加。有了排气迟 闭角不但可以减少耗功即残余废气量，而且还可利用排气管中气体的流动惯性把气缸内的 废气继续吸出，降低废气余量，以增加充量。 c 、进气过程 进气门在上止点前4 2 。2 0 打开，由于有了这个进气提前角，使活塞开始进气时，进 气门已提供了一定大小的流通截面，但进气提前角过大时，会使缸内的废气倒流到进气管 中。 进气过程一直持续到下止点后4 2 。2 0 ，如没有这个进气迟闭角，即当活塞到达下止 点时，进气门完全关闭，则会因进气通道严重节流作用，而使进气管内流动气柱的惯性无 法利用，这样不但会使气缸内吸入的新鲜空气减少，而且会因过大的节流，使气缸内负压 增大，增加了吸气所耗的功。 d 、进排气门叠开，即燃烧扫气过程 由于进气门提前开、排气门迟后关，使活塞经过上止点前后的一段时间内出现进、排 气门同时打开的局面，进排气门叠开，所占的曲轴转角，称为“进排气门叠开角”。此阶 段内，进气管、燃烧室和排气管三者相互沟通，由于进气管内压力高于排气管内的压力，t 增压空气流入气缸，把残留在燃烧室内的残余废气清扫出去，还可以降低活塞、缸套、缸 盖、排气门的热负荷，降低废气温度，改善增压器涡轮叶片的工作条件，提高涡轮叶片工 作的可靠性。但过分增大重叠角，不仅加大了扫气所消耗的功，而且在低工况时，容易发 生废气倒流入进气管的情况。 1 3 31 2 k v d 2 1 a - 2 型柴油机特性 选择一台柴油机作某种用途时，必须知道它在各种工况下的动力性能和经济性，为此， 必须了解柴油机的性能指标与工况的关系，即功率n 。，速度及油耗g 。等。表达这些参数之 间相互关系的曲线，称为柴油机的特性曲线。 不论何种运转工况，从下列公式：， n o = p e i n y h ：7 8 5 4 l o 一4 i cp 。d 2 r 3 0 r 地= 鲁暇 式中i 气缸数；t 冲程系数，即柴油机每完成一个工作循环所需要的曲轴转 数，四冲程t = 1 ；n 。有效功率( k w ) ；p 。平均有效压力( m p a ) ：v “气缸工作 容积( l ) ；n 柴油机转速( r m in ) ；m e 扭距( n m ) ；c ，、c 常数。 可以看出，柴油机在运转过程中能够变化的主要参数是传递n 和有效功率心( 或平均 有效压力p 。，或扭距m o ) ，在n 。、n 、p o ( 或h i e ) 3 个参数中，只要知道其中2 个即可求出 第一章文献综述 第三个，也就是说能够独立变化的只有两个参数，2 个参数一给定，柴油机的运转情况也 就决定了。 柴油机特性是用试验方法测出柴油机性能指标及主要参数( 如n p g t ，、t 。、p k 等) 随运转情况变化的关系。 不同型式的柴油机特性是不同的，即使同一型号的柴油机，由于制造和装配上的差别， 特性也是有差异的。 根据柴油机特性，不但可以评价柴油机在不同运转情况下的动力性能和经济性能，还 可以用它分析在某一运转情况下柴油机工作的可能性和适应性等，如图卜3 所示。 1 3 3 1 牵引特性( 见图卜4 ) 柴油机的牵引特性是柴油机在机车上运用时的功率输出特性。柴油机牵引特性试验的 目的是了解柴油机按给定的牵引特性工作时，油耗和其它主要性能参数的变化规律，为机 车确定合适的牵引特性要求提供依据，以使柴油机在最佳条件和最经济区域里工作。 6 、 ， 罩 ， 一j ， 斛 ， f - - p i ， 柱 ， 峨， n n n e ( 轴功率曲线) 删7 8 螂l 咖l l 1 2 0 0l 瑚1 m 1 姗( r m i ) 空气压力 空气温度 空气相对湿度 一持久功率 一持久功率i 图1 - 31 2 k v d 2 1 a - 2 ( 增压式) 柴油机一全负荷性能曲线 f i g u r e l 一31 2 k v d 2 1 a 一2 ( a d d p r e sss t y l e ) p e r f o r m a n c ec u r v eo fd i e s s ea l ll o d e m，。一鲫枷 吣螂 w 蚪k 至；m 帅 | 呈姗 啪 瑚蛳 瑚 埘鲫 姗 枞枷 荨| m 枷 墨_ 。 ken 大庆石油学院硕士研究生学位论文 式如下： 。 n i - n h ( n l n 。) 。 式中。n t 某转速下的功率；n 一标定功率；n i 某转速；n 广标定转速；k 指数， 当r l - = 6 3 0 r m i n 时，k = 3 ；当n i = 6 7 0 r m i n 时，k = 3 0 5 ；当n 。分别为7 0 5 、7 4 5 、7 8 0 、 8 2 0 r m i n 时，k 相应为3 1 0 、3 1 5 、3 2 、3 1 5 ；当n i ，8 6 0 r m i n 时，k = 3 3 。 0 ( k _ ) g u y o t s ) 工 一， 、 ，t r 一m | 弋l 一 j - - 4 0 | ， n m 7 一 一娜 一l 乡一 一 一3 一2 p r 苎一，y i - ，一矿 ip rf 一l 舶 l 一 l - 1 0 5 |么 ；， p ( 0 f h j o ，一一7 一2 咕5 2 7 1 j 一舢 x二 一2 4 4 7 ， 一l 、 上e _ 一、 一2 5 转速n ( r m t n ) 图卜41 2 k v d 2 1 a 一2 ( 增压式) 型柴油机牵引特性曲线 f i g u r e l 一41 2 k v d 2 1 a 一2m o t o r c y c l ep e r f o r m a n c ec u r v eo fd i e s e l ( a d d - p r e sss t y l e ) 7 h 、o 第一章文献综述 1 3 3 2 速度扭矩特性 柴油机速度扭矩特性的试验目的，是研究柴油机在供油止挡位置不变而改变负载扭矩 时，柴油机各主要参数随转速而变化的规律。 图l 一5 中所示的百分数( 或分数) ，是指柴油机在该百分数( 或分数) 扭矩下的等供 油量时，扭矩与转速的关系。 扭距m d n j | i 、 t - 、 、 图1 - 51 2 k v d 2 1 a - 2 ( 增压式) 型柴油机扭矩随转速变化曲线 f i g u r e l 一51 2 k v d 2 1 a 一2t h es p e e dc h a n g i n gw i t ht o r s i o na b o u td i e s e l ( a d d p r o s ss t y l e ) g ，( k g r n ) 6 0 f 7 ， ， 图1 - 61 2 k v d 2 1 a - 2 ( 增压式) 型柴油机空转油耗曲线 f i g u r e l 61 2 k v d 2 1 a - 2 t h ec o s to fo i li nb l a n kr u no fd i e s e l ( a d d p r e s ss t y l e ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 3 3 3 空转油耗特性 空转油耗特性是柴油机空转( 怠转) 时，每小时燃油消耗量g ，与n 之间的关系。 柴油机怠转时，只向气缸供给很少量的燃油，这些燃油发出的热量，只能用来克服柴 油机的内部阻力。这时柴油机工作的稳定性取决于怠转时柴油机的内部阻力、机械摩擦损 失、平均有效压力与平均指示压力的变化规律。当柴油机空转转速提高时，柴油机的内部 阻力也相应增加，空转油耗也相应增加。 1 2 k v d 2 1 a 一2 型柴油机的空转油耗曲线见图1 6 。 1 3 41 2 k v d 2 1 a - 2 型柴油机控制系统o ” 1 3 4 1 控制系统综述 控制系统包括调节器、极限调速器、控制机构、调控传动装置四大部分。 调节器通过控制系统控制柴油机的转速、功率，以适应外界负荷的变化，使柴油机在 最佳状态下工作。 极限调速器是一种保护装置，当柴油机的转速超过规定值时起作用，通过控制机构将 所有喷油泵齿条拉回停油位，以防柴油机转速损坏。极限调速器有液压式和机械式。有的 单独安装，有的和调控传动装置放在一起。 控制机构使控制系统的执行结构，有转轴式和拉杆式之分，各有优缺点。1 2 k v d 2 1 a 一2 型柴油机采用拉杆式。 调控传动装置一般与凸轮轴相连，用以驱动调节器和极限调速器，使其在合适的转速 范围内运转。 对控制系统的要求是：稳定、灵敏、安全、可靠。为了实现紧急停机，设置了紧急停 车按钮。并相应设置了复原手柄。 为了显示柴油机的转速，设立了柴油机转速表及其传动装置，它由凸轮轴传动。 一 为孑使柴油机喷油泵的供油量不致过大，设置了供油止挡。一一一 1 3 4 2 调节器的原理、结构及使用 a 、柴油机上设置调节器的必要性 车用柴油机经常需要启动并在转速、负荷变化的条件下工作，还常常遇到负荷突变的 情况，例如上坡后马上下坡或者由于某种原因突然卸去全部负荷，这时如不及时减少供油 量，就会引起柴油机转速很快上升而超速，甚至超过标定转速。超速时产生很大的惯性力 而使零件损坏；柴油机燃烧过程也将恶化，出现排气冒黑烟及柴油机过热现象。 车用柴油机还常常遇到短暂停车等怠转的场合，这时如果柴油机经常熄火，将会给司 机带来极大的困难。柴油机怠转时只向气缸供给很少量燃料，这些燃料发出的能量只能用 来克服柴油机内部的阻力，这时柴油机工作的稳定性决定于怠转时柴油机的内部阻力( 即 机械摩擦损失平均压力只) 与平均指示压力只的变化规律，如图i - 7 所示。 如果只与只在最低转速n 点相等，则柴油机在该转速下运转。但是由于只曲线的变化 比较平坦，因此，柴油机内部阻力稍有变化时，即会引起转速的很大变化。如当供油量一 定时( 只不变) ，内部阻力减少( 只减少) ，于是柴油机转速升高，直到只与只在n 2 点相等 时，柴油机就在该转速下运转：内部阻力增加时，柴油机转速下降，只与只又在n z 点相等， 柴油机低于最低转速i l 运转。实际上这是不可能的，因为低于此转速时，混合物形成的条 件极差，因而经常引起熄火而停车。因此，在柴油机中有必要限制其最低转速，使其在怠 转时稳定工作。 对于某些运转要求柴油机转速保持恒定，例如电传动机车柴油机，为了保证发电机电 压恒定，需要控制柴油机在各个转速下稳定运转，不能因负荷的微小变化，而转速忽高忽 低，而使牵引发电机电压发生的波动。 为了防止柴油机在怠转时熄火，防止柴油机在工作转速范围内因负荷的变化而转速忽 9 第一章文献综述 高忽低和防止因外界负荷突然卸除引起超速运转，故在柴油机上采用了调节器来自动调节 柴油机喷油泵的循环供油量，以适应外界负荷或内部摩擦阻力的变化，提高柴油机工作的 稳定性。此外，采用调节器后，机车司机还可以根据机车运用情况，任意选择柴油机工作 转速。 p 图1 - 7 柴油机在低转速时p m 与p i 的变化规律 f i g u r e l 7t h ec h a n g eo fp ma n dp iw i t hl o ws p e e do fd i e s e l b 、调节器的工作原理 由滑阀、恒速活塞、补偿弹簧、补偿活塞等组成恒速装置。这种装置使调节器连接杆 与动力活塞之间完全没有任何机械联系，彼此完全独立。它不但实现了弹性反馈，而且可 进行有效而迅速的调节，缩短调节过程的稳定时间。 配速系统( 转速给定装置) 。联合调节器一b 型为有级调速器，按司机控制器主手柄6 个挡位，把柴油机的工作转速范围相应地分配成6 个均匀的速度级。 配速系统由配速滑阀、配速旋转套、配速伺服器( 配速活塞、弹簧及调节针阀等) 、 反馈杠杆( 浮动杠杆、复位连杆、复位杠杆) 、配速三角板及电磁阀a 、b 、c 、d 等组成。 图卜8 中的配速伺服器的旋转套齿轮5 由驱动盘均匀速盘2 3 驱动，使旋转套与配速 滑阀6 处于动摩擦状态，以减小相对运动的阻力，提高配速动作的灵敏度。滑阀及旋转套 均能相对于体孔做上、下运动，运动的时间和行程由电磁阀控制。电磁阀a ，b 及c 的芯杆 顶在配速三角板的3 个角落。水平放置的配速三角板相当于一种外形较特殊的杠杆，它的 底面由弹簧支撑，并对杠杆9 有个传力点。在各种工况下，电磁阀芯杆的端面始终与配速 板接触。a 、b 、c 3 个电磁阀的芯杆行程d 相同，为2 5 m m 左右。当它们分别动作后，经配 速板中部传力点压迫杠杆作轴向位移，位移量各不相同。 l - 3 4 3 转速一功率联合调节器的工作原理 液压式恒速调节器虽然具有恒速调节的特点，即它能使柴油机工作转速不随外界负荷 而变化。但是它不能使柴油机功率在机车运行中始终得到充分利用。例如柴油机驱动牵引 电机、冷却风扇以及其它辅助装置等在标定转速全功率运转，如根据运转情况，需关闭冷 却风扇，这时对柴油机来说，外界负荷减小，液压式恒速调节器使喷油泵供油量减小，维 持柴油机转速不变，但这时柴油机所发出的功率已经比原来减少( 在数值上相等于风扇所 耗功率) ，也就是说在新的工况下柴油机已不再是全功率工作，柴油机功率不能被充分利 用。如能把相当于风扇所减少的那部分功率转变为牵引发电机所增加的功率，即可使柴油 机维持原有的全功率，这就需要采用转速一功率联合调节器”1 。 1 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图卜8 全制液压恒速调节器 f i g u r e l 一8h y d r a u li cu n c h a n g e d s p e e dr e g u l a t o t 卜齿轮油泵；2 一旁通阀；3 一弹簧座；4 一补偿弹簧：5 一恒速活塞；6 一滑阀；7 一滑阀套； 8 一柱塞；9 一支点s 及t ；1 0 一扇形齿轮；1 l 一齿套；1 2 - 宝塔弹簧；1 3 - 自动停车装置；1 4 一 伺服马达弹簧；1 5 一动力活塞：1 6 一伺服马达杆；1 7 - , p 偿针阀；1 8 一补偿活塞；1 9 一喷油泵 齿条：2 0 一箱体油槽。 联合调节器的主要功能： a 、保证柴油机的启机和停机。 b 、随控制手柄位置的改变，调节供油量以改变柴油机转速。 c 、当柴油机负载发生变化时，能自动调节喷油泵的供油量，以维持柴油机在某恒定 转速下的运转。 d 、通过功率调节机构，自动调节机车的输出恒功率。 。 1 3 4 4 无级调速原理与结构 a 、原理 1 2 k v d 2 1 a 一2 型柴油机所用的无级调速系统由联合调节器一c 型、驱动电源装置及控制 该装置的司机控制器组成。 无级调速所用的联合调节器，是在6 档位的联合调节器一b 型的基础上发展起来的， 即在原联合调节器一b 型安装电磁阀配速系统的地方，安装了由步进电机及其它零件所组 成的变速机构，原a 、b 、c 、d 共4 个配速电磁阀、旋转套、配速滑阀、配速活塞等电一液 配速零件全部取消，并将原配速系统的高压油路入口堵死。由低压直流电流、环形分配器、 第一章文献综述 功率放大器等组成的，并在司机操纵台上采用无级调速操纵装置。 b 、步进电机和驱动电源装置 无级调速系统的变速机构的执行元件采用六极三相反应式步进电机，该电机具有比 较、反馈的开环控制特点。 无级调速的驱动电源( 电子箱) 主要有电源、升速和降速脉冲发生器、环形分配器、 功率驱动器及空转消除电路等组成，它是控制步进电机正、反转( 供电顺序) 的装置，型 号为w j t s 。驱动电源装置对步进电机供电时，步进电机按每步1 5 。运行，供电顺序为a a b b b c c c a a 或a c a c b c b a b a 的三相六拍控制方式供电。 步进电机上引出的4 根线a 、b 、c 、d ，分别与驱动电源装置上的相应标号的插头相连 接，同时应注意，a 、b 、c 3 根线中的任一根线不得与零线发生短路，否则会烧损步进电机。 息缒c 9 ” 司机投豺宣l 稿两砸垃翻蕾1 1 嗣 图1 - 9 无级调速系统 f i g u r e l 一9e x p l o r eg o v e r n o rs y st e m 1 3 4 5 控制机构 a 、作用 控制机构的作用是将联合调节器伺服杆的动作准确地传递给每个喷油泵齿条，使喷油 泵的供油量适应柴油机工作的需要，并能在紧急停车机构动作时，迅速地将各泵齿条拉至 停油位。为此，从调节器伺服马达曲臂传动机构到喷油泵齿条之间布置有杠杆传动机构。 为了防止柴油机超负荷，还设置了最大供油止挡。 b 、结构包括：控制机构主要有弹性连接杆、最大供油止挡及紧急停车拉杆等组成。 弹性连接杆。当紧急停车装置起作用时，横轴以很快的速度逆时针方向转动，并通过 传动臂驱动左、右喷油泵控制拉杆，喷油泵齿条拉向停油位。 紧急停车拉杆。当紧急停车器起作用时，停车传动轴逆时针方向转动，通过传动臂使 调节拉杆向柴油机自由端方向移动，使停车摇臂迅速地按逆时针方向转动，停车摇臂上的 触头迅速压在横轴的固定触头上，带动横轴逆时针方向转动，横轴通过传动臂驱动左、右 喷油泵控制拉杆，将喷油泵齿条迅速推向停油位。 喷油泵弹性夹头体由调整螺母、锁销、夹头体、弹簧、夹头销等组成。它被紧固在控 制拉杆上，夹头销前端扁平部分插入喷油泵齿条的拨插座内，当控制拉杆移动时，弹性夹 1 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 头体就带动喷油泵齿条移动，改变喷油泵的供油量。设置弹簧的目的是使夹头销紧紧地压 向油泵齿条的拨插座内，使其可靠工作。 c 、最大供油止挡 最大供油止挡的作用是限制柴油机的最大供油量，以免柴油机超负荷工作。 1 3 4 6 调控传动装置与极限调速器 a 、超速停车装置 为防止因某种原因使柴油机发生超速，造成意外事故，设置了超速停车装置，即极限 调速器，当b 型机转速达到1 1 2 0 1 1 5 0 r m i n 时，极限调速器动作，通过传动控制杆系统 的横轴、左、右控制拉杆，把喷油泵齿条迅速推向停油位，柴油机停机。 b 、紧急停车按钮 紧急停车按钮是手动停车的一种应急装置，它由按钮头、按钮轴、复原弹簧、推杆体、 螺套及锁紧螺母等组成。按钮部分由推杆和顶杆两部分组成，顶杆的端部支撑着拐臂，扭 转螺套可以调节拐臂偏心b 的大小。 c 、复原手柄 当极限调速器动作，或手击紧急停车按钮后，如需将柴油机重新启动时，必须使拐臂 和连接臂的铰接点恢复到原偏心位置，使喷油泵齿条拉杆和联合调节器重新建立直接关 系，这个复原工作依靠复原手柄来完成。 1 4 主要研究内容及实现目标 1 4 1 实现两台机车重联功能，机车粘着系数增大，增加牵引力。 1 4 2 两台机车计算机通讯，有同步换挡保护功能并进行优化操纵控制，并有故障自诊断 与报警功能。 1 4 3 选择双机重联计算机通讯协议，编制对应接口软件。 1 4 4 实现改造后机车的驾驶操作与改造前基本不变，实现原操作。在原操作方式下，机 车的所有操作都和原机车一样。 1 4 5 实现柴油机有挡、分段无级调速，使柴油机转速变化平稳，减少冲击、从而延长柴 油机使用寿命。 1 4 6 实现柴油机自动运转控制，闭环恒速控制，保证在给定的速度下，以最好的牵引效 率运行。 1 4 7 取消继电器联锁，减少故障率。 1 4 8 防空转，再粘着控制功能，可增加机车有效牵引力3 0 。 1 4 9 机车制动控制，也就是防抱死刹车，可有效地防止车轮踏面和钢轨顶面擦伤，可大 大延长机车轮箍和钢轨的使用寿命。 1 4 1 0 保压发车，可使机车在坡路自动起车，不会发生溜车现象。 1 4 1 1 黑匣子走行数据记录，可将所需数据记录打印以便事故分析。 1 4 1 2 定时增加待速，为防止长时间待速，不使发动机无润滑状态，每隔1 5 2 0 分钟增 待速，有效保护发动机。 第二章采用的技术方案和技术路线 2 1 研究方案 第二章采用的技术方案和技术路线 2 1 1 硬件系统配置方案 在广泛的研究了当今国内外机车重联技术，参考了进口的通用工业控制器p l c 的工作 原理、功能、价格以及与机车电气部分的接口条件后，确定选用新型的y z m 一9 5 内燃机车 微机控制器实现东德机车电气改造，并通过使用汁算机双绞线通讯技术连接两台内燃机车 的控制器，实现双车重联功能。 该系统由微机控制器( y z m 一9 5 ) 、机车状态采集、无级调速装置、换向连锁机构、双 绞线等构成。 2 i 1 1 微机控制器( y z m 一9 5 ) 如图2 - 1 机车微机控制器( y z m 一9 5 ) 照片。 图2 - i 机车微机控制器( y z m - 9 5 ) 照片 f i g u r e 2 1t h ec o m p u t e rr e g u l a t o ro fm o t o r c y c i e 微机控制系统由主机、信号转换装置、微机电源以及复示器等部件构成。主机包括c p u 丰板输入板l 、2 、3 ，输出板1 、2 、3 等构成。 a 、信号转换装置 信号转换装置的作用是提供外部电路与复示器之间的接口。共设有5 个信号转换装置， 每台装置内各有3 个信号模块，这些信号模块功能包括： ( a ) 、把分流器上测取的毫伏信号隔离放大转换为适于复示器处理的电压信号； ( b ) 、把高电压信号隔离转换为低压的适于复示器处理的电压信号； ( c ) 、把强电流信号转换为适于复示器处理的电压信号： ( d ) 、把温度传感器输出电阻值信号转换为适于复示器处理的电压信号： ( e ) 、把压力传感器输出的4 2 0 m a 电流信号隔离或不隔离转换为i 5 v d c 适于复示 1 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 器处理的电压信号： ( f ) 、把反映转速的频率量信号隔离转换为适于复示器处理的频率量信号： b 、微机电源 设有专用的微机电源，它将1 i o v d c 电源隔离转换为+ 5 v d c 、+ 1 5 v d c 、一1 5 v d c 和+ 6 v d c 低压电源，用于向微机屏、信号转换装置和有关传感器提供电源，但它不向显示屏提供电 源，因为显示屏内部有专用的电源转换器可以直接使用1 i o v d c 控制电源。 c 、复示器 y z m 一9 5 微机系统设有数字复示器，用于机车的运行参数显示、功能设置、故障报警以 及另一台机车的数据显示。还设有i c 卡插槽，通过i c 卡可以将存储的运行履历和故障履 历读出，转存到其他的设备上。 2 1 1 2 机车状态采集系统组成 机车状态采集与显示系统组成分为4 个部分：电压、电流转换装置：数据采集装置： 复示器；检测装置。其结构框图如图2 - 2 所示。 i 机车实时采集 i传感器 l 显示屏数据 采集装置 复示器 i 电压、电流 f 转换装置 - i ，、 图2 - 2 机车状态采集系统结构框图 一 f i g u r e 2 2s t r u c t u r ed i a g r a mo fs t a t ec o l l e c t i o ns y s t e ma b o u tm o r t o r c y c l e 其中机车实时采集传感器是指通过在机车上安装传感器，包括温度、压力、转速、霍 尔电流等，直接采集机车相关信号送给显示屏数据采集装置； a 、电压、电流转换装置 主发电压反馈电路采用的是高阻抗降压模式输入电路，将d c o1 0 2 4 v 信号转换成 d c o 5 v 的低压信号输出给数据采集装置的，降压倍率为1 ：0 0 0 4 9 。 主发电流、充放电电流、电空制动电流反馈信号电路采用的是毫伏电压放大电路，电 压、电流转换装置将从分流器上取来的d c o 5 4 m v 信号放大成d c o 5 v 信号输出给数据采 集装置，放大倍率为l ：9 2 5 9 。主发电流为7 2 0 0 a ，对应分流器上的电压为d c 5 4 m v ，经信 号模块放大变为d c 5 v ；充放电电流为7 2 a ，对应分流器上的电压为d c 5 4 m v ，经信号模块放 大变为d c 5 v ；电空制动电流为7 2 a ，对应分流器上的电压为d c 5 4 m v ，经信号模块放大变 为d c 5 v 。 b 、数据采集装置 数据采集装置检测频率量信号( 速度信号) 、牵引电动机电流信号、开关量输入信号、 压力信号和温度信号。 ( a ) 、频率量信号 频率量信号输入变换电路采用的是过零比较电路，输入信号可以是正弦波、方波和三 角波等纯交变电信号，输入信号首先经过r c 滤波后再输入到过零比较电路进行整形变换 为峰一峰值1 5 v 的方波信号，再由此后的m c l 4 5 8 4 将其变换为t t l 标准的方波频率量信 号输入到c p u 的高速事件输入通道进行检测，频率量信号包括柴油机转速、机车速度、它 第二章采用的技术方案和技术路线 车柴油机转速，其原理图如图2 3 所示。 + 1 5 v 图2 - 3 频率量输入电路 f i g u r e 2 3t h ec i r c u iti n p u to ff r e q u e n c y ( b ) 、牵引电动机电流信号 第一牵电动机电流至第六牵引电动机电流反馈电路采用霍尔元件检测电动机电流， 1 5 0 0 a 的牵引电动机电流对应5 v 。 ( c ) 、开关量输入信号 l l o v 开关量信号经光电转换电路