陳其林

摘? 要：文章針對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械長(zhǎng)途掛運(yùn)安全監(jiān)測(cè)的需求，研究將大型養(yǎng)路機(jī)械生活發(fā)電機(jī)組的220V交流電源轉(zhuǎn)換為24V直流電源的裝置。對(duì)直流電源裝置進(jìn)行了功能分析、電路設(shè)計(jì)和外形及布局設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用表明，研制的直流電源裝置解決了大機(jī)掛運(yùn)途中因蓄電池容量不足導(dǎo)致的視頻、軸溫、運(yùn)行監(jiān)控等無(wú)法全程開啟的問(wèn)題，提高了大機(jī)附掛運(yùn)行安全性。

關(guān)鍵詞：大型養(yǎng)路機(jī)械;直流電源;長(zhǎng)途掛運(yùn);安全監(jiān)控

中圖分類號(hào)：U273.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0088-03

Abstract： In order to meet the demand of long-distance transportation safety monitoring of large-track road maintenance machinery， this paper studies the device of converting 220V AC power supply to 24V DC power supply of large-track road maintenance machinery. The function analysis， circuit design， shape and layout design of the DC power supply device are carried out. The field application shows that the developed DC power supply device solves the problems of video， shaft temperature， operation monitoring and other problems caused by the lack of battery capacity during the operation of the mainframe， and improves the safety of the attached operation of the mainframe.

Keywords： large-track road maintenance machinery; DC power supply; long-distance transportation; safety monitoring

近年來(lái)，大型養(yǎng)路機(jī)械（以下簡(jiǎn)稱大機(jī)）運(yùn)用中發(fā)生多次因押運(yùn)人員履職不到位導(dǎo)致的大機(jī)掛運(yùn)安全問(wèn)題，如何監(jiān)控掛運(yùn)途中設(shè)備狀態(tài)、規(guī)范押運(yùn)人員的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，成為保證大機(jī)長(zhǎng)途掛運(yùn)安全的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)在掛運(yùn)途中全程開啟視頻和軸溫監(jiān)控裝置，可對(duì)押運(yùn)人員在掛運(yùn)過(guò)程中的履職情況進(jìn)行抽查，促使押運(yùn)人員標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，消除大機(jī)掛運(yùn)途中人的不安全因素影響。

為了大機(jī)掛運(yùn)途中全程開啟視頻等監(jiān)控裝置，需采用車載24V蓄電池電源為視頻等監(jiān)控裝置供電，但在掛運(yùn)途中需要啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)為蓄電池充電，既增加了燃油消耗成本，也降低了蓄電池的使用壽命，同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)液壓系統(tǒng)三聯(lián)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，存在工作裝置誤動(dòng)作并損壞線路設(shè)備或侵入相鄰鐵路限界的風(fēng)險(xiǎn)，給大機(jī)的長(zhǎng)途掛運(yùn)帶來(lái)安全隱患。當(dāng)前，大部分大機(jī)上都裝配有220V生活發(fā)電機(jī)組，本文研究將發(fā)電機(jī)組220V交流電源轉(zhuǎn)換為24V直流電源裝置，為大機(jī)視頻監(jiān)控、軸溫監(jiān)控、運(yùn)行監(jiān)控等提供可靠的直流電源。

1 功能分析

本裝置研究將大機(jī)生活發(fā)電機(jī)組的220V交流電轉(zhuǎn)換成24V直流電源，并接入原車供電系統(tǒng)，裝置應(yīng)具備以下功能：

直流電流監(jiān)控顯示：裝置可顯示實(shí)時(shí)輸出電流值，便于查看裝置主要功能運(yùn)行狀態(tài)，由一個(gè)電流表和一個(gè)分流器組合而成的電流檢測(cè)回路，分流器串接在直流輸出回路中，分流器可將流過(guò)本身的電流變化轉(zhuǎn)換成電壓變化形式，在電流表內(nèi)部經(jīng)過(guò)程序換算成實(shí)際輸出的電流值。

電源/充電兩種模式轉(zhuǎn)換：電源工作模式下，裝置給視頻監(jiān)控、軸溫監(jiān)控、運(yùn)行監(jiān)控、作業(yè)機(jī)構(gòu)鎖定裝置等裝置提供電源，保障監(jiān)控裝置能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮途中監(jiān)控功能。充電模式下，在蓄電池電壓過(guò)低時(shí)，電源的輸出端，經(jīng)過(guò)續(xù)流管到電池端電壓形成電位差向電池供電。當(dāng)電位上升到設(shè)定電池電壓時(shí)，管理檢測(cè)板檢測(cè)到設(shè)定電壓停止電池充電。

直流輸入過(guò)低：通過(guò)電池監(jiān)控管理板BT輸入端檢測(cè)的電壓。如果電壓輸出端電壓過(guò)低，面板上的電池過(guò)低報(bào)警指示燈為常亮狀態(tài)。

過(guò)電流保護(hù)：當(dāng)輸出電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定的某個(gè)數(shù)值時(shí)，保護(hù)裝置啟動(dòng)，并用時(shí)限保證動(dòng)作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報(bào)警信號(hào)。

過(guò)電壓保：當(dāng)輸出電壓超過(guò)額定輸出電壓的120%以上時(shí)，保護(hù)裝置啟動(dòng)，斷路器跳閘或發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

電池反向充電保護(hù)：輸出回路與蓄電池串接續(xù)流管，由于二極管具有反向截至的作用，從而可保證電池反向充電。為防止操作人員出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，系統(tǒng)應(yīng)具備電池反向充電保護(hù)控制功能，出現(xiàn)電池反接等現(xiàn)象時(shí)啟動(dòng)保護(hù)控制。

過(guò)熱保護(hù)功能：當(dāng)直流電源溫度超過(guò)某一閾值時(shí)就啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)功能。電子器件工作時(shí)都會(huì)發(fā)熱，因此大多有過(guò)熱保護(hù)，超過(guò)相應(yīng)閾值就會(huì)啟動(dòng)保護(hù)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 直流電源選型

直流電源裝置電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在電源的選擇，電源的穩(wěn)定性決定了電路穩(wěn)定性，目前常用的電源種類有線性電源和開關(guān)電源，在原理上有很大的不同，在此將線性電源和開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較并根據(jù)比較情況進(jìn)行選型，具體比較如下：

開關(guān)電源的原理是輸入端直接將交流電整流變成直流電，在高頻震蕩電路的作用下，用開關(guān)管控電流的通斷，輸出穩(wěn)定的低壓直流電，具有體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化易于工業(yè)化批量安裝的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)，由于逆變電路中會(huì)產(chǎn)生高頻電壓，對(duì)周圍設(shè)備有一定的干擾，而且需配合穩(wěn)壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

線性電源的原理是交流電經(jīng)過(guò)工頻變壓器整流和濾波形成直流電，再通過(guò)穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的低壓電。電路中調(diào)整原件工作在線性狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出波紋小、高頻干擾小的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，線性電源具有體積大、重量大、效率低、發(fā)熱量大的缺點(diǎn)。

根據(jù)兩種電源的特點(diǎn)，結(jié)合大機(jī)安裝位置有限、工作條件較為惡劣的實(shí)際情況，選擇了體積更小、散熱更好、效率更高的開關(guān)電源。對(duì)市面上現(xiàn)有開關(guān)電源產(chǎn)品進(jìn)行篩選，確定了使用歐姆龍S8SF-G60024-W型直流電源，并在裝置制作、安裝中解決高頻電源干擾的問(wèn)題。

2.2 電路設(shè)計(jì)

要滿足視頻等監(jiān)控裝置電源開啟，至少需要160W的功率輸出，另還需滿足大機(jī)走行、工作裝置鎖定指示回路電源供應(yīng)，查閱DCL-32搗固車型的圖紙，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)鎖定指示回路使用的5A保險(xiǎn)，由此推算鎖定指示回路最大功率應(yīng)為120W，考慮電路線路損耗和直流電源裝置功率轉(zhuǎn)換效率等因素，選取直流電源裝置輸出功率不小于500W。

設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖1所示，主要體現(xiàn)如下設(shè)計(jì)思路：（1）在交流電輸入端設(shè)置20A交流斷路器CB1，防止出現(xiàn)短路、過(guò)載等燒壞發(fā)電機(jī)、電源模塊;（2）在直流電輸出端設(shè)置30A直流斷路器CB2、CB3，防止負(fù)載過(guò)載或短路燒毀直流電源;（3）在直流電源正極輸出端設(shè)置肖特基勢(shì)壘二極管D1、D2，用來(lái)防止負(fù)載急劇變化（包括負(fù)載啟動(dòng)、切斷時(shí)）可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓降低。防止蓄電池、直流發(fā)電機(jī)供電時(shí)過(guò)高的反向電流燒毀24V電源。（4）電路設(shè)計(jì)蓄電池充電開關(guān)S1，采用斷路器限制電流為50A;（5）輸出電路設(shè)計(jì)充電限流電阻R1，電阻參數(shù)為0.5歐姆200W電阻，將最大充電電流限制在20A（蓄電池饋電到18V計(jì)算），防止充電電流過(guò)大，造成24V電源模塊輸出保護(hù)而無(wú)法正常工作和損壞。電路設(shè)計(jì)雙電源并聯(lián)運(yùn)行功能，兩個(gè)電源可互為備用，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

3 電氣箱布局設(shè)計(jì)

考慮到大機(jī)安裝位置和空間有限，為了方便直流電源裝置的安裝、使用和維護(hù)，提高直流電源裝置的抗干擾性，將直流電源和電氣元件布置在同一電氣箱內(nèi)，并優(yōu)化電氣箱布局，在滿足設(shè)計(jì)功能、散熱要求和防水要求的前提下，最終確定電氣箱外形尺寸為356mm×350mm×117.5mm，電氣箱外形及空間布局如圖2、圖3所示。

直流電源裝置應(yīng)安裝于大機(jī)駕駛室（或電源）附近合適位置，不影響大機(jī)其他設(shè)備的正常使用。同時(shí)，安裝位置應(yīng)便于人員操作和日常維護(hù)，考慮大機(jī)戶外環(huán)境的復(fù)雜性，盡量安裝在能防止風(fēng)、沙、雪直接侵襲的車體內(nèi)或車體外部的位置，所有電纜線輸出端子應(yīng)密封，防護(hù)灰塵、水以及其他污染物的侵入。

以DCL-32車型為例，選擇將直流電源裝置電氣箱采用固定式螺釘安裝，安裝位置位于前駕駛室后方的墻體上、生活發(fā)電機(jī)控制箱（B250）上方，便于接入220V交流輸入電源。安裝位置見圖4。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)大型養(yǎng)路機(jī)械長(zhǎng)途掛運(yùn)安全監(jiān)測(cè)對(duì)直流電源的需求，對(duì)直流電源裝置進(jìn)行了較為全面的功能分析和方案設(shè)計(jì)，裝置選用市面成熟的一線品牌開關(guān)電源，在設(shè)計(jì)中增加保護(hù)及控制電路，使之成為一套結(jié)構(gòu)完整、功能齊全的電源裝置。裝置具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好、抗干擾性強(qiáng)、多模式工作等特點(diǎn)，從2018年12月初開始，該直流電源裝置已裝車應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，可在大機(jī)附掛運(yùn)行時(shí)持續(xù)給行車安全監(jiān)測(cè)裝備提供電源，有效提高大機(jī)附掛運(yùn)行的安全系數(shù)，進(jìn)一步保障了鐵路運(yùn)輸安全和效率。

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