張海瑞

（西山煤電（集團）有限責任公司鐵路公司， 山西 太原 030000）

引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，軌道運輸在國民經(jīng)濟中扮演了越來越重要的角色。內(nèi)燃機車作為軌道運輸?shù)闹匾M成部分，其發(fā)展進步是我國鐵路運輸不斷發(fā)展和進步的標志。內(nèi)燃機作為內(nèi)燃機車的核心設(shè)備，為車輛提供牽引力。內(nèi)燃機有眾多的零部件，這些構(gòu)造零件的質(zhì)量體現(xiàn)了我國機械工業(yè)設(shè)計和工藝設(shè)計的能力。

內(nèi)燃機的早期制造工藝大部分采用觸點電路控制，經(jīng)過不斷完善，這種方式的機車故障率比較低，現(xiàn)在技術(shù)也比較成熟，但是由于簡單、直觀，只能運用于大號車輛。對于比較復(fù)雜的部分則采用單片機進行邏輯控制。但是單片機控制集成度很高，往往需要專業(yè)的維修人員才可以進行檢修。除此之外，以DF4 內(nèi)燃機車為例，在內(nèi)燃機輸出功率時，三相交流電由主發(fā)動機輸出，通過整流變?yōu)橹绷鞴恳姍C使用?？刂瓢l(fā)電機的多級勵磁回路任意一個節(jié)點接地、短路和虛接都會造成故障，干擾機車正常工作行駛。

1 DF4 內(nèi)燃機控制電路的分析

眾多的電氣聯(lián)鎖構(gòu)成了DF4 內(nèi)燃機車的電傳動控制電路，包括負責保護電器的電氣連鎖、主流整柜、電空接觸器、牽引- 制動轉(zhuǎn)換開關(guān)和磁場削弱組合接觸器等，均串聯(lián)在整個電路中[1]。如果其中任何一個聯(lián)鎖發(fā)生接地、虛接或者燒毀電圈等電路故障，都會導(dǎo)致內(nèi)燃機車進行卸載或者無法進行上載的情況。如果這些故障在機車行駛或者實際運用中發(fā)生，會給機車乘務(wù)員和司機帶來很多不便，同時也可能會造成機車受損，打亂列車行車規(guī)劃圖，造成線路堵塞，行車延誤。為了避免上述問題的發(fā)生，需要研發(fā)出相應(yīng)的故障檢查系統(tǒng)和自處理系統(tǒng)。

2 DF4 內(nèi)燃機車控制電路故障監(jiān)測及自動處理裝置的原理

DF4 內(nèi)燃機車電傳動系統(tǒng)的控制電路由眾多的觸點式邏輯電路組成，完成指令動作需要各個元件的開、關(guān)來實現(xiàn)。當系統(tǒng)電路發(fā)生故障時，顯示在控制電路中的是控制電路的一些節(jié)點狀態(tài)發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為吸合或斷開[2]。當電路中相關(guān)的接點處于斷開狀態(tài)時，系統(tǒng)加載電路將喪失電能，機車表現(xiàn)為故障狀態(tài)，無法運行。出現(xiàn)這種情況一般的處理方式為列車司機通過萬用表來確定故障所在，然后進行故障應(yīng)急處理修復(fù)。這種方式要求逐點檢測，此外對司機自身能力和相關(guān)經(jīng)驗有較高的要求。

內(nèi)燃機控制電路故障監(jiān)測及自動處理裝置控制電路中各個節(jié)點的狀態(tài)，將這些狀態(tài)數(shù)字化，由顯示屏直接顯示出來。當機車出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過邏輯分析確定問題所在，經(jīng)機車司機對故障進行再查確認后，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)出修復(fù)指令，由裝置自行完成機車故障的修復(fù)處理工作。該裝置相比于傳統(tǒng)的人工處理，即直觀又高效，極大提高了機車控制的穩(wěn)定性，減少機車損傷。

該裝置原理框圖如圖1 所示，該系統(tǒng)由電器室和司機室兩部分組成[3]，它們之間通過CPU（RS485通訊）進行信息交流。

圖1 DF4 內(nèi)燃機控制電路故障監(jiān)測及自動處理裝置原理框圖

如圖1 所示，在電器室中核心部件為CPU1，主要實現(xiàn)以下三個功能：一是完成信號的采集、處理和故障邏輯分析；二是與機車司機室進行通訊、信息交流；三是根據(jù)司機室的信息反饋對機車進行故障處理。機車司機室也有以下三個主要功能：一是行車狀態(tài)顯示（包括正常和故障狀態(tài)）；二是與電器室進行通訊；三是進行自動處理命令，在電器室發(fā)回故障信息后對故障進行評估判斷后按自動處理發(fā)出指令。裝置的電路系統(tǒng)主要由信號取樣電路與處理電路、邏輯分析電路和自動處理控制組成。

3 自動處理裝置的設(shè)計

自動處理裝置包括速度信號綜合處理裝置和撒沙裝置速度控制器。

3.1 速度信號綜合處理裝置的設(shè)計

在機車行駛過程中，速度傳感器可能發(fā)生故障，影響機車運行，自動處理裝置利用正常的速度傳感器信號來代替出現(xiàn)故障的速度傳感器[4]，達到屏蔽故障信號，不影響機車正常運行的目的。該系統(tǒng)的關(guān)鍵點在于對機車速度傳感器信號的識別，在這里采用少數(shù)服從多數(shù)的邏輯判斷，圖2 為裝置結(jié)構(gòu)組成圖。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)組成圖

該裝置在工作時會采集多路的速度信號[5]，每個信號采集周期設(shè)計都小于50 ms，自動切換周期也都小于50 ms。在過濾速度信號時，將一些異常的速度信號去掉（包括空轉(zhuǎn)、傳感器失效和對轉(zhuǎn)不同步），如果裝置自身同時發(fā)生故障也不會對機車的速度信號輸出造成影響。

該裝置的主要工作原理是：通過檢測機車上的速度傳感器，得到運行的平均速度值和有效值。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，與實際的輸出速度信號進行比較，保證機車以穩(wěn)定的速度行駛。裝置主要由以下幾部分組成。

速度信號輸入及脈沖信號調(diào)理檢測。先采集6個通道的速度信號，在隔離電路中把速度信號輸入到速度調(diào)理電路，在進行象形處理后，將波形圖像送入檢測電路，檢測輸入后的信號頻率。

速度信號分析及處理。在速度信號輸入后，利用檢測算法，對輸入的速度信號進行檢測，如果單位時間內(nèi)速度變化超過一定值，標記為速度異常，對該信號做無視處理。在完成6 個單通道的速度閥值分析之后，求出有效的速度信號平均值。

速度信號輸出電路。當電路工作狀態(tài)為直通模式時，缺少通道上的行車速度值為檢測儀的基準速度。若為平均模式，信號頻道上的所有速度求均值，設(shè)定為基準速度輸出。

數(shù)字模擬和顯示電路，顯示工作狀態(tài)及相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2 撒沙裝置速度控制器的設(shè)計

機車的撒沙裝置低速自動限制控制器可以實現(xiàn)低成本、低污染、高效能的優(yōu)點。該裝置將速度的傳感和測量數(shù)字化，可以實現(xiàn)在線對行車參數(shù)進行修改，在系統(tǒng)中還添加了監(jiān)控和調(diào)試軟件的功能。

該裝置的工作原理是通過對速度頻率信號檢測，將計算結(jié)果發(fā)往單片機，由單片機完成一系列算法（包括測量頻率、速度計算和撒沙制動控制），控制繼電器電路，實現(xiàn)裝置的整體得電/失電來完成撒沙動作。其速度區(qū)間為大于5 km/h，小于80 km/h。

該裝置的硬件系統(tǒng)關(guān)系圖如3 所示，先對傳感器的信號進行調(diào)理，送入單片機，通過換算得到運行速度。然后根據(jù)既定的速度要求對繼電器進行控制。其中位于駕駛室的上位機可以對下位機發(fā)送命令，進行串口屬性設(shè)置，修改設(shè)定的行車速度可滿足不同情境的速度要求。

圖3 系統(tǒng)邏輯圖

在機車運行時難免會產(chǎn)生震動，有時由于速度過快會對機車設(shè)備造成較大沖擊，而本裝置是對精度要求很高的設(shè)備，所以在設(shè)計中采用金屬盒裝的結(jié)構(gòu)。此外，還可以采用雙絞線來屏蔽行車頻率信號，設(shè)置自恢復(fù)保險裝置，防止由于過載對電源造成的損害。

4 結(jié)論

1）內(nèi)燃機車的電傳動控制電路檢測可以實現(xiàn)定點確認故障位置，司機通過檢測分析發(fā)出指令，機車可以實現(xiàn)自動除障，確保機車正常運行。

2）機車的速度信號處理裝置可以快速找出機車傳感器故障所在，確保車頭接收到正確的速度信號，保證機車以正常速度運行，避免事故。

3）機車自動撒沙控制器可以實現(xiàn)機車的緊急剎車和制動，節(jié)約了資金，防止環(huán)境污染，提高了工作效率。

上述設(shè)備都已經(jīng)在實際中被推廣運用，效果顯著，獲得了用戶的廣大好評。但是仍然存在一些問題，例如，在我國南方比較潮濕，全自動設(shè)備往往壽命期不長，但由于集成度很高，在停車檢修和維護方面要復(fù)雜的多。在我國北方受極度嚴寒的影響，有些電氣設(shè)備可能效率低下甚至失靈。如何使設(shè)備滿足復(fù)雜的氣候條件和增加使用時長，這也是需要進一步研究的難題。