柴油机调速设计分析

 柴油机调速设计分析

高红  

  中车唐山机车车辆有限公司，064000，河北唐山

作者简介：高红（1983-），女，工程师。

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摘 要：以阿根廷米轨内燃动车组项目为例，介绍了交-直-交电传动方式并分析牵引手柄档位与柴油机转速值匹配设计，最后在内燃动车组现车运行中对柴油机调速功能进行了验证。

关键词：柴油机 调速 牵引

中图分类号：TP301. 6

近年来，国内内燃动车组因其载客量大，耗能低，乘坐舒适，运营成本低，不用增建接触网和变电所而具有投资少等优点，故具有广阔的市场需求和应用前景。

近几年中车唐山公司在内燃动车组的总体系统集成、动力系统、电传动控制等方面取得了诸多创新，市场和技术处于相对有利地位，特别是动力包自主设计及集成，降低了产品成本，使内燃动车组的价格和周期上具备竞争优势，为开拓市场【1】奠定了良好的基础。

2015 年，中车唐山公司为阿根廷米轨铁路研制了米轨交流传动内燃动车组【2】，形式为2 动1拖的动力分散式结构，为交—直—交电传动方式，最高运行速度100km/h。采用MAN D2876LUE604柴油机。

1 车辆主要技术参数

阿根廷米轨动车组为3辆编组方式，编组形式为 Mc+T+Mc。

阿根廷米轨动车组采用电传动【3】系统即交—直—交传动技术，主要由柴油机、主发电机、牵引变流器和牵引电机等组成。牵引系统【4】由两个相对独立的牵引单元组成。每个动车为一个牵引单元，每个牵引单元包括一台柴油机、一台主发电机、一台牵引变流器，四个牵引电机。主发电机集成在动力包内，一台牵引变流器内部包括两套独立的整流模块与逆变模块，每一套控制两台牵引电机，构成整车的架控。在牵引变流器的直流环路上设有制动电阻，用于消耗列车电制动时产生的能量。主电路如下图1所示：

图1主电路框图

2牵引手柄档位与柴油机转速匹配

2.1 牵引手柄档位与转速匹配

确定车辆运行所需最小功率【5】：在列车起动加速度为0.2m/s²，坡道为8.3‰条件下，按照车辆定员状态(AW1)下，列车起动所需牵引功率为52.65kW，由于主发电机还要提供列车直流负载供电，列车直流负载满负荷值为10.89kW，即所需主发电机功率为38.19kW。

确定车辆运行所需最大功率【6】：根据电机牵引特性，车速达到为100km/h，整车最大所需牵引功率533.1kW，由于主发电机还要提供列车直流负载供电，而列车直流负载满负荷值为10.89kW，即所需主发电机功率为325kW。柴油机冷却系统功率为50kW，故所需柴油机最大功率375kW。

表1：主发电机负载特性表

以车辆运行所需的最小功率点及最大功率点为范围，初定柴油机所使用转速范围为900-1800rpm，将此范围内转速值等分。

图2 柴油机实际运行曲线

如图2所示，红色曲线为柴油机外特性曲线，紫色曲线为柴油机经济运行曲线，蓝色曲线为柴油机实际运行曲线。

在柴油机转速范围为900-1800rpm内，牵引手柄1档位需满足起车需求及车上辅助供电需求，故设定900rpm。根据柴油机万有特性曲线【7，8】，柴油机的最佳经济特性总是在转矩最高点和转速中高区域，故选定1100rpm、1200rpm、1400rpm，此三点为转矩最高点，另外1650rpm及1800rpm为转速中高区域，输出功率接近额定功率。

2.2排除共振转速点

对初选定的转速值点进行验证，以柴油机工作转速从900r/min到1800r/min为范围，在转速范围每隔25r/min步长进行取点采样测试，进行柴油机轴系扭振特性计算，验证在关键工况柴油机正常工作状态下轴系扭振性能安全可靠，报告结论柴油机自由端扭振综合幅值在1475rpm、1350rpm时会有谐振。故在各选取牵引档位匹配转速值时要避开这些转速值。

2.3验证各牵引手柄档位是否满足现车功率需求

确定了牵引手柄各档位对应的柴油机转速值，从而确定了主发电机相对应的输出电压及输出功率如表1所示。

牵引手柄一档时900r/min时主发电机输出40.7kW,即牵引手柄推到牵引一档时，坡道为8.3‰，车辆定员状态(AW1)下推导车辆起动加速度0.23 m/s2，同时满足辅助直流负载供电需求。

牵引手柄二档时1000r/min时主发电机输出55kW，即牵引手柄推到牵引二档时，坡道为8.3‰，车辆定员状态(AW1)下推导车辆起动加速度0.37 m/s2，同时满足辅助直流负载供电需求。

牵引手柄三档时1100r/min时主发电机输出74.4kW,即牵引手柄推到牵引三档时，坡道为8.3‰，车辆定员状态(AW1)下推导车辆起动加速度0.6 m/s

2，同时满足辅助直流负载供电需求。

计算结果表明柴油机转速为1100r/min时即牵引手柄推到牵引三档时，车辆已能正常起动，同时满足直流负载供电需求。

3 车辆调速

3.1网络调速

网络正常建立的情况下，牵引手柄档位信号会发送给车载控制单元，由车载控制单元把牵引手柄档位信号指令发送给柴油机控制器，柴油机控制器收到的转速值指令，从而执行柴油机转速运转。牵引手柄各级档位对应柴油机转速如表2所示。

表2：牵引档位对应柴油机转速值

3.2硬线调速

当网络故障时，司控器手柄档位信号指令会通过硬线控制发送到柴油机控制器，柴油机控制器执行固定转速值运转（阿根廷项目中此转速值定为1500rpm）。

4 柴油发电机组地面配套试验及现车验证

在柴油发电机组地面试验台，根据柴油发电机组地面配套试验大纲对柴油机启动、柴油机升降速特性、空载特性、负载特性及负载的突加突卸试验进行地面的调试。在通过柴油发电机组地面配套调试试验后，再装车进行动态试验。

在阿根廷米轨项目现车对柴油机调速功能进行了验证，采集牵引手柄各档位加、减换挡的转速值曲线。下图为阿根廷米轨项目中加、减速换挡过程中采集的转速随时间变化曲线。此处仅显示900-1000r/min加速和1800-1650(r/min)降速采集图片。

图3 加速换档900-1000(r/min)

图4 减速换挡1800-1650(r/min)

把所有档位加减速换挡时，转速响应时间进行了统计，如表3，可知牵引手柄档位从低档位向高档位加档过程，响应时间稍长，但最终也能很快地响应设定转速值；从高档位向低档位减档时，响应时间更迅速，柴油机控制器能很快地调节喷油泵的供油量，保证柴油机在固定转速下稳定运转。

表3：牵引档位加减档位转速响应时间

5 结语

以阿根廷米轨内燃动车组电传动系统为例，对牵引手柄档位与柴油机转速值匹配设计进行了详细分析，并验证牵引手柄各档位能满足车辆运行需求，最后在现车上对柴油机各档位调速功能进行了验证。本设计能满足阿根廷米轨内燃动车组运行需求，网络通信正常时，柴油机在800rpm-1800rpm范围内运行，车速最高可达到为100km/h。

参考文献：

[1]王光春等.”神州“号内燃动车组动力车的研制开发[J].内燃机车，2001(01):1-7

[2] 动车组的应用[J].铁道机车与动车，2014(1):7-10

[3]杨贵恒.张海呈等.柴油发电机组实用技术技能

[M].北京：化学工业出版社，2013

[4]韩正超等.交流辅助柴油发电机组在内燃2016(36):112-113，120

[5]黄金等.动车组牵引计算规程编制前期研究[J].铁路机车车辆，2016(36):112-113，120

[6]饶攀等.低速磁悬浮列车牵引计算算法研究[J].机车电传动，2012(5):66-69

[7]周广猛等.基于MATLAB的发动机万有特性曲线绘制方法[J].内燃机与动力装置，2009(2):34-36，48

[8] 王磊等.柴油机万有特性拟合方法对比及评价[J].汽车实用技术，2017(17):141-142

高红（1984-），女，工程师，硕士研究生，从事内燃动车组柴油机电气控制的研究。

作者简介：高红（1983-），女，工程师。

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