CN100581729C - 一种钢轨打磨车的调速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢轨打磨车调速装置，其特征在于：它包括发电机、电阻箱、励磁驱动、速度传感器、机车动力系统和智能控制器；所述机车动力系统包括齿轮及离合器、液力传动及控制、内燃机以及机车转向架；所述发电机与所述电阻箱、励磁驱动、速度传感器和机车动力系统中的齿轮及离合器相接连；所述智能控制器包括速度跟随给定计算模块、预阻力给定计算模块、第一电子开关、速度调节器、第二电子开关、电流调节器、自动调节油输出模块和显示警示模块。本发明提供了一种调节范围广的控制机车速度的装置，可以广泛应用在各种路况下工作的大功率的钢轨打磨车中。
Description
技术领域
本发明涉及一种调速装置，特别是关于一种钢轨打磨车的调速装置。
背景技术
目前我国铁路连续大规模提速，列车运行速度的提高对线路钢轨提出了更高的要求，同时铁路干线日益繁忙，因此要求钢轨打磨车既能在线路上以每小时120公里速度运行，在打磨时又要以每小时3～15公里速度恒速打磨。由于机车的牵引工况功率较大，低恒速打磨工况功率较小，因此对钢轨打磨车的调速系统提出了更高的要求。而目前引进国外钢轨打磨车都是功率较小的静液压系统，不能适应以上工况，且大功率的静液压系统工艺性和可靠性较差。为此，开发一种大功率并能够使钢轨打磨车进行各种坡道低恒速打磨作业的调速装置是十分必要的。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够自动调节速度，控制精度高，可进行各种坡道低恒速打磨作业的钢轨打磨车的调速装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种钢轨打磨车调速装置，其特征在于：它包括发电机、电阻箱、励磁驱动、速度传感器、机车动力系统和智能控制器；所述机车动力系统包括齿轮及离合器、液力传动及控制、内燃机以及机车转向架；所述发电机与所述电阻箱、励磁驱动、速度传感器和机车动力系统中的齿轮及离合器相接连；所述智能控制器包括速度跟随给定计算模块、预阻力给定计算模块、第一电子开关、速度调节器、第二电子开关、电流调节器、自动调节油输出模块和显示警示模块；所述速度传感器的输出信号，钢轨打磨车的打磨稳速信号以及油量、速度和离合器信号作为所述速度跟随给定计算模块的输入；所述钢轨打磨车的油量、速度、离合器信号同时也作为所述预阻力给定计算模块的输入；所述速度跟随给定计算模块的输出与所述速度传感器的输出做差后经过所述第一电子开关作为所述速度调节器的输入；所述速度调节器的输出经过所述第二电子开关与所述预阻力给定计算模块的输出做差，然后再将此差值与所述电阻箱的输出做差作为所述电流调节器的输入；所述第一电子开关和第二电子开关均由所述速度跟随给定计算模块进行控制；所述电流调节器的输出再反馈给所述励磁驱动，所述预阻力给定计算模块的输出还作为所述自动调节油输出模块的输入，所述自动调节油输出模块的输出与所述显示警示模块相连。
所述发电机的数量为一台或一台以上。
所述速度调节器采用PID算法。
所述速度跟随给定计算模块输出的Igd为一个与额定电流相关的值和一个速度/油量比的函数之一。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明采用智能控制器控制发电机发电的数量，并通过发电机对液力传动及控制系统产生的阻力来调节钢轨打磨车的速度，因此可以满足大功率的钢轨打磨车的运行，并可以保证钢轨打磨车在打磨时的速度稳定。2、由于本发明采用阻力调节钢轨打磨车的速度，因此可以使钢轨打磨车运行在大坡度时仍然保持低恒速的状态。本发明提供了一种调节范围广的控制机车速度的装置，可以广泛应用在各种路况下工作的大功率的钢轨打磨车中。
附图说明
图1是本发明的调速系统结构原理图
图2是本发明在打磨工况不同坡度时的阻力变化示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括发电机1、电阻箱2、励磁驱动3、速度传感器4、智能控制器5和机车动力系统6。智能控制器5包括速度跟随给定计算模块51、预阻力给定计算模块52、电子开关53、电子开关54、速度调节器55、电流调节器56、自动调节油输出模块57和显示警示模块58。钢轨打磨车的机车动力系统6为已有技术，其包括齿轮及离合器61、液力传动及控制62、内燃机63以及机车转向架64。
本发明中的发电机1与电阻箱2、励磁驱动3、速度传感器4以及齿轮及离合器61相连接。速度传感器4将发电机1的速度信号的输出给速度跟随给定计算模块51，钢轨打磨车发出的打磨稳速信号以及钢轨打磨车的油量、速度、离合器等信号作为速度跟随给定计算模块51的输入。同时，钢轨打磨车的油量、速度、离合器等信号也输入给预阻力给定计算模块52。速度跟随给定计算模块51的输出与速度传感器4输出的电机速度信号做差之后经过一个电子开关53作为速度调节器55的输入。速度调节器55的输出经过一个电子开关54与预阻力给定计算模块52输出的Igd做差，然后此差值再与电阻箱2的输出值做差作为电流调节器56的输入。速度调节器55输入端与输出端的电子开关53、54均由速度跟随给定计算模块51进行控制。电流调节器56输出的调节信号再反馈给励磁驱动3，预阻力给定计算模块52同时还与自动调节油输出模块57相连，自动调节油输出模块57的输出连接到显示警示模块58。
本发明系统的基本工作原理为：当钢轨打磨车处于打磨工况时，通过智能控制器5控制发电机1发电的数量，发电机1对液力传动及控制系统62产生相应的阻力，从而使钢轨打磨车在打磨时，速度稳定。
下面结合一个适用于96头钢轨打磨车为载体的实施例对本发明进行具体地说明。
首先根据表1中钢轨打磨车在不同速度及坡度时，钢轨打磨车所受阻力及所需功率的情况确定本实施例中各个模块的参数。
表1
如表1所示，当钢轨打磨车处于打磨工况时在相同坡度速度变化阻力基本不变。钢轨打磨车上坡所需的功率P与钢轨打磨车工作时的速度成正比。钢轨打磨车所受阻力随着钢轨打磨车行使的坡度的变化而变化，钢轨打磨车在0％～2.00％坡度范围内上坡时所受阻力的变化范围为135KN，由此可知，钢轨打磨车在0％～2.00％坡度范围内下坡时所受下滑力的变化范围小于135KN(如图2所示)。
本实施例中采用的发电机1的每个转向架的额定参数为：额定功率400KVA，额定电压380～400V，额定电流1000A/3，额定转速1500转/分，三相，额定频率50Hz。发电机1的额定励磁电压为直流电压220V，额定励磁电流为直流30A，根据以上参数可以算出每个发电机1轴上最大输出功率为320KW，输入功率为400KW。根据公式可计算出钢轨打磨车不同速度下的功率及可产生的阻力。为下面本实施例的各个模块中参数的确定提供依据。
表2
| A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | |
| 速度 | 列车阻力1 | 所需要功率1 | 列车阻力2 | 所需要功率2 | 列车阻力3 | 所需要功率3 | 单台可发功率-额定励磁 | 单台可产生阻力 | 两台可发功率-额定励磁 | 两台可产生阻力 | 备注 | |
| KM/H | KN | F<sup>*</sup>V/3.6 | KN | F<sup>*</sup>V/3.6 | KN | F<sup>*</sup>V/3.6 | KW | KN | KW | KN | ||
| 1 | 0.0 | 25.7 | 0.0 | 81.1 | 0.0 | 160.9 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | |
| 2 | 3.0 | 5.0 | 4.2 | 54.2 | 45.2 | 140.3 | 116.9 | 64.0 | 96.0 | 128.0 | 192.0 | |
| 3 | 3.0 | 45.1 | 37.7 | 94.3 | 78.8 | 180.4 | 150.8 | 64.2 | 96.0 | 128.4 | 192.0 | 1/5额定转速 |
| 4 | 5.0 | 45.1 | 62.6 | 94.3 | 131.0 | 180.4 | 250.6 | 106.7 | 96.0 | 213.3 | 192.0 | |
| 5 | 10.0 | 45.1 | 125.3 | 94.3 | 261.9 | 180.4 | 501.1 | 213.3 | 96.0 | 426.7 | 192.0 | |
| 6 | 15.0 | 45.4 | 189.2 | 94.5 | 393.8 | 180.7 | 752.9 | 320.0 | 96.0 | 640.0 | 192.0 | 额定转速 |
| 7 | 15.0 | 5.7 | 23.8 | 54.8 | 228.3 | 140.9 | 587.1 | 320.0 | 96.0 | 640.0 | 192.0 | |
| 8 | 20.0 | 5.7 | 31.7 | 54.8 | 304.4 | 140.9 | 782.8 | |||||
| 9 | 25.0 | 6.0 | 41.7 | 55.1 | 382.6 | 141.3 | 981.3 | |||||
| 10 | 30.0 | 6.4 | 53.3 | 55.5 | 462.5 | 141.6 | 1180.0 |
由表2可知，单台发电机1可以产生96KN的阻力，两台发电机1可提供的阻力为192KN。而钢轨打磨车处于打磨工况时上坡均为正数的阻力，主要由机车动力系统6中的内燃机63克服。下坡(20‰)时的最大下滑力为90kN。所以发电机1作为制动阻力，单台正够，两台有成倍的富裕。为了保障系统工作的可靠性，本实施例采用两台发电机1作为制动阻力。
电阻箱2的作用是用来消耗发电机1发出的电能。钢轨打磨车上坡时发电机1仅仅控制在10％～30％电流，所以可以不考虑其阻力的大小。当钢轨打磨车处于打磨工况时遇到20‰(甚至更大坡度)坡度下坡时，两台发电机1要产生90KN以上的阻力以抵消钢轨打磨车所受下滑力。当钢轨打磨车所受阻力等于90KN，V最大速度为15公里/小时行驶时。计算得到的钢轨打磨车的功率P为375KW，则单台发电机1要耗能375KW/2约为188KW。由于本实施例中发电机1采用的是三相发电机，所以负载电阻相应的也分为三组，则每组耗能应为63KW。如果所选用发电机1相电压220V，则可计算出相应的相电流与相电阻的值。当采用一台发电机1时，则可以设计每组耗能为126KW，再根据此耗能值计算出发电机1的相电流与相电阻的值。我们也可以根据需要采用其他不同型号的不同数量的发电机1。
本实施例中所采用的励磁驱动3为型号是MJYS-QKZL型的晶闸管整流模块，其输入为220V的交流电压，输出为电流为50A的198V直流电压。当采用不同型号的发电机1时，励磁驱动3也应随之发生变化。
本实施例中速度传感器4采用测速度码盘获得发电机1的转速，也可以采用其他速度传感器实现对发电机1转速的测定。
智能控制器5采用的为日本的欧姆龙(OMRON)控制器，其包括CPU板、电源、开关量输入板、开关量输出板、A/D输入板、D/A输出板，机箱、显示和警示接口接线等。利用此智能控制器5实现了速度跟随给定计算模块51、预阻力给定计算模块52、电子开关53、电子开关54、速度调节器55、电流调节器56、自动调节油输出模块57和显示警示模块58的功能，也可以采用其他方式实现上述模块的功能。
预阻力给定值Igd可以是与额定电流值有关的数值，也可以是速度/油量比的函数，即Igd＝f(速度/油量)。本实施例中的Igd设定为一与额定电流值有关的值。如表3所示，钢轨打磨车处于不同速度时取不同Igd下可调节的阻力。
表3
| A | B | C | D | E | F | G | |
| Igd取额定电流的比例％ | 电流(额定为1000安)可调节范围 | 功率(最大400KW)可调节范围 | 3公里/小时功率(最大400KW/5)阻力(KN)可调节范围 | 5公里/小时功率(最大400KW/3)阻力(KN)可调节范围 | 10公里/小时功率(最大400KW/1.5)阻力(KN)可调节范围 | 15公里/小时功率(最大400KW/1.0)阻力(KN)可调节范围 | |
| 1 | 10 | 100.0 | 4 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
| 2 | 20 | 200.0 | 16 | 3.8 | 3.8 | 3.8 | 3.8 |
| 3 | 30 | 300.0 | 36 | 8.6 | 8.6 | 8.6 | 8.6 |
| 4 | 40 | 400.0 | 64 | 15.4 | 15.4 | 15.4 | 15.4 |
| 5 | 50 | 500.0 | 100 | 24.0 | 24.0 | 24.0 | 24.0 |
| 6 | 60 | 600.0 | 144 | 34.6 | 34.6 | 34.6 | 34.6 |
| 7 | 70 | 700.0 | 196 | 47.0 | 47.0 | 47.0 | 47.0 |
| 8 | 80 | 800.0 | 256 | 61.4 | 61.4 | 61.4 | 61.4 |
| 9 | 90 | 900.0 | 324 | 77.8 | 77.8 | 77.8 | 77.8 |
| 10 | 100 | 1000.0 | 400 | 96.0 | 96.0 | 96.0 | 96.0 |
由表3可知，当Igd取值为额定电流的40％或50％时阻力调节效果较好。此时可以调节的阻力分别为0～15.4KN与0～24KN。在钢轨打磨车处于打磨工况180KN时，将近有10％的控制量。最大耗能小于64KW。在实际应用中我们可以根据实际情况确定Igd的值。智能控制系统5中输出给给油装置的自动给油输出值为0～5V。
下面结合上述实施例具体说明本发明的工作过程：
1、当钢轨打磨车不打磨时，由于与本实施例中的发电机1相连的机车动力系统6中的齿轮及离合器61处于打开状态，因此发电机1对机车动力系统6中的液力传动及控制系统62没有阻力。司机可以在不同档位向机车动力系统6的内燃机63给油，使钢轨打磨车在速度为0～120公里/小时的范围内运行。此时本发明工作在检测和计算状态。
2、当钢轨打磨车开始打磨前，其以低于15公里/小时的速度运行。本实施例的智能控制器5中的速度跟随给定计算模块51其计算出的为速度传感器4中的发电机1转速的数值，预阻力给定计算模块52计算出的为预阻力给定值Igd。
3、当钢轨打磨车开始打磨后，机车动力系统6中的齿轮及离合器61合上，发电机1被带动旋转的同时，智能控制器5中的电流调节器56得到给定值，电流环开始工作，使发电机1负载电流稳定在设定的Igd值处。此时“打磨稳速信号”没有，所以速度调节器55没有工作。这时司机应控制钢轨打磨车的档位和油量，使钢轨打磨车运行在希望的速度上。当司机看到希望的速度以后，合上打磨稳速信号开关，智能控制器5得到打磨稳速信号，延时几秒把电子开关53与电子开关54合上，速度环开始工作。由于速度环合上前速度给定跟随给定计算模块51等于速度传感器4的反馈值，所以速度调节器55输入输出的值均为0，即速度环合上时是无扰动切换，因此钢轨打磨车的速度不会有突变。
4、当钢轨打磨车进入打磨工况后，一般情况下钢轨打磨车的速度给定、电流给定和给油量是不变的。当钢轨打磨车的速度已经稳定在给定速度时，如果有上下坡的坡度变化使钢轨打磨车速度在10％之内变化，可利用速度环对钢轨打磨车的速度进行调节。
当钢轨打磨车遇到轨道坡度下降的情况时，由于钢轨打磨车的瞬时阻力减小其实际速度必定增大，速度调节器55输入端的速度给定和实际发电机1的转速之差的值减小，速度调节器55输出值也随之减小，由此导致电流调节器56输入端的电流预给定和速度调节器55输出之差的值增大，电流调节器56的输出和励磁电流也随之减小，由此引起发电机1的电压和电流上升，最终引起发电机1的阻力变大，由此可以使得钢轨打磨车的实际速度回降，使速度达到一个新的稳定平衡点。
当钢轨打磨车遇到轨道坡度上升的情况时，由于钢轨打磨车的瞬时阻力增大其实际速度必定减小，速度调节器55的输入端的速度给定和实际速度之差的值增大，因此速度调节器55输出值也随之增大，由此导致电流调节器56输入端的电流预给定和速度调节器55输出之差的值减小，电流调节器56的输出和励磁电流也随之下降，由此引起发电机1的电压和电流减小，最终引起发电机1的阻力减小，因此可以使钢轨打磨车的实际速度增大，使速度达到一个新的稳定平衡点。由于速度调节器55采用PID算法，因此实际速度和给定速度静差值几乎为零。
5、当打磨工况时遇到轨道坡度上升较大时，此时由于钢轨打磨车的阻力上升较大其实际速度必定有较大幅度下降，因而速度调节器55的输入端的速度给定和实际速度之差也上升较大，随之速度调节器55的输出值也会上升较大，由此导致电流调节器56输入端的电流预给定和速度调节器56输出之差下降较大，当电流调节器56输入端的输入为零甚至为负值时，发电机1就没有电流产生，也就无法产生阻力，此时速度闭环系统失去了其调节作用。
本发明系统中设置的自动调节油输出模块57和显示警示模块58可以解决上述问题。自动调节油输出模块57对电流调节器56的输出进行实时监测，当电流调节器56的输出值接近零时，自动调节油输出模块57通过显示警示模块58给出警示，与此同时用电子开关53关闭速度调节器55，并输出相应的数值给给油系统，让内燃机63增加动力使速度回升。当速度反馈值等于速度调节器55脱开时的速度给定值，并且电流调节器56电流反馈接近Igd时，自动调节油输出模块57停止给给油系统给油。此时速度闭环系统又可以通过关闭电子开关53使速度调节器55重新启动。则速度调节器55将有正负输出给电流调节器56输入，使电流调节器56的输入端输入的预阻力对应的电流给定加上速度调节器55输出之和发生变化。电流调节器56的输出使励磁驱动3发生变化，进而引起发电机1的电流发生变化，最终导致阻力发生变化。由此可以调节钢轨打磨车的速度稳定。
由于速度调节器55在打磨稳速信号的开关断开期间一直保留着“打磨稳速信号”时的给定速度，所以这个过程以后钢轨打磨车的速度是保持不变的。需要改变速度时必须由司机打开打磨稳速信号的开关，使速度调节器55脱开，司机重新调油使钢轨打磨车得到新的希望的速度时，再合上打磨稳速信号的开关，使钢轨打磨车进入新的打磨工况。
以上所述，仅为本发明的一种较佳实施方式，本领域技术人员可依据本发明说明书、权利要求书与附图进行修改与等效变换，这样的修改与变换均应包含在本发明的专利保护范围之内。
Claims (5)
1、一种钢轨打磨车调速装置，其特征在于：它包括发电机、电阻箱、励磁驱动、速度传感器、机车动力系统和智能控制器；所述机车动力系统包括齿轮及离合器、液力传动及控制系统、内燃机以及机车转向架；所述发电机与所述电阻箱、励磁驱动、速度传感器和机车动力系统中的齿轮及离合器相接连；所述智能控制器包括速度跟随给定计算模块、预阻力给定计算模块、第一电子开关、速度调节器、第二电子开关、电流调节器、自动调节油输出模块和显示警示模块；
所述速度传感器的输出信号，钢轨打磨车的打磨稳速信号以及油量、速度和离合器信号作为所述速度跟随给定计算模块的输入；所述钢轨打磨车的油量、速度、离合器信号同时也作为所述预阻力给定计算模块的输入；所述速度跟随给定计算模块的输出与所述速度传感器的输出做差后经过所述第一电子开关作为所述速度调节器的输入；所述速度调节器的输出经过所述第二电子开关与所述预阻力给定计算模块输出的预阻力给定值做差，然后再将此差值与所述电阻箱的输出做差作为所述电流调节器的输入；所述第一电子开关和第二电子开关均由所述速度跟随给定计算模块进行控制；所述电流调节器的输出再反馈给所述励磁驱动，所述预阻力给定计算模块的输出还作为所述自动调节油输出模块的输入，所述自动调节油输出模块的输出与所述显示警示模块相连。
2、如权利要求1所述的一种钢轨打磨车调速装置，其特征在于：所述发电机的数量为一台或一台以上。
3、如权利要求1所述的一种钢轨打磨车调速装置，其特征在于：所述速度调节器采用PID算法。
4、如权利要求2所述的一种钢轨打磨车调速装置，其特征在于：所述速度调节器采用PID算法。
5、如权利要求1或2或3或4所述的一种钢轨打磨车调速装置，其特征在于：所述预阻力给定计算模块输出的预阻力给定值为一个与额定电流相关的值或者一个速度/油量比的函数。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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