內(nèi)燃機(jī)控制電路故障監(jiān)測及自動(dòng)處理裝置的研究

張海瑞

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鐵路公司， 山西 太原 030000）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，軌道運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)中扮演了越來越重要的角色。內(nèi)燃機(jī)車作為軌道運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其發(fā)展進(jìn)步是我國鐵路運(yùn)輸不斷發(fā)展和進(jìn)步的標(biāo)志。內(nèi)燃機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)車的核心設(shè)備，為車輛提供牽引力。內(nèi)燃機(jī)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(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的能力。

內(nèi)燃機(jī)的早期制造工藝大部分采用觸點(diǎn)電路控制，經(jīng)過不斷完善，這種方式的機(jī)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(yùn)用于大號(hào)車輛。對(duì)于比較復(fù)雜的部分則采用單片機(jī)進(jìn)行邏輯控制。但是單片機(jī)控制集成度很高，往往需要專業(yè)的維修人員才可以進(jìn)行檢修。除此之外，以DF4 內(nèi)燃機(jī)車為例，在內(nèi)燃機(jī)輸出功率時(shí)，三相交流電由主發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，通過整流變?yōu)橹绷鞴恳姍C(jī)使用。控制發(fā)電機(jī)的多級(jí)勵(lì)磁回路任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)接地、短路和虛接都會(huì)造成故障，干擾機(jī)車正常工作行駛。

1 DF4 內(nèi)燃機(jī)控制電路的分析

眾多的電氣聯(lián)鎖構(gòu)成了DF4 內(nèi)燃機(jī)車的電傳動(dòng)控制電路，包括負(fù)責(zé)保護(hù)電器的電氣連鎖、主流整柜、電空接觸器、牽引- 制動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和磁場削弱組合接觸器等，均串聯(lián)在整個(gè)電路中[1]。如果其中任何一個(gè)聯(lián)鎖發(fā)生接地、虛接或者燒毀電圈等電路故障，都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行卸載或者無法進(jìn)行上載的情況。如果這些故障在機(jī)車行駛或者實(shí)際運(yùn)用中發(fā)生，會(huì)給機(jī)車乘務(wù)員和司機(jī)帶來很多不便，同時(shí)也可能會(huì)造成機(jī)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(jī)車控制電路故障監(jiān)測及自動(dòng)處理裝置的原理

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

內(nèi)燃機(jī)控制電路故障監(jiān)測及自動(dòng)處理裝置控制電路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dāng)機(jī)車出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)通過邏輯分析確定問題所在，經(jīng)機(jī)車司機(jī)對(duì)故障進(jìn)行再查確認(rèn)后，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)出修復(fù)指令，由裝置自行完成機(jī)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(jī)車控制的穩(wěn)定性，減少機(jī)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(jī)室兩部分組成[3]，它們之間通過CPU（RS485通訊）進(jìn)行信息交流。

圖1 DF4 內(nèi)燃機(jī)控制電路故障監(jiān)測及自動(dòng)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(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：一是完成信號(hào)的采集、處理和故障邏輯分析；二是與機(jī)車司機(jī)室進(jìn)行通訊、信息交流；三是根據(jù)司機(jī)室的信息反饋對(duì)機(jī)車進(jìn)行故障處理。機(jī)車司機(jī)室也有以下三個(gè)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(jìn)行通訊；三是進(jìn)行自動(dòng)處理命令，在電器室發(fā)回故障信息后對(duì)故障進(jìn)行評(píng)估判斷后按自動(dòng)處理發(fā)出指令。裝置的電路系統(tǒng)主要由信號(hào)取樣電路與處理電路、邏輯分析電路和自動(dòng)處理控制組成。

3 自動(dòng)處理裝置的設(shè)計(jì)

自動(dòng)處理裝置包括速度信號(hào)綜合處理裝置和撒沙裝置速度控制器。

3.1 速度信號(hào)綜合處理裝置的設(shè)計(jì)

在機(jī)車行駛過程中，速度傳感器可能發(fā)生故障，影響機(jī)車運(yùn)行，自動(dòng)處理裝置利用正常的速度傳感器信號(hào)來代替出現(xiàn)故障的速度傳感器[4]，達(dá)到屏蔽故障信號(hào)，不影響機(jī)車正常運(yùn)行的目的。該系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)機(jī)車速度傳感器信號(hào)的識(shí)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(shí)會(huì)采集多路的速度信號(hào)[5]，每個(gè)信號(hào)采集周期設(shè)計(jì)都小于50 ms，自動(dòng)切換周期也都小于50 ms。在過濾速度信號(hào)時(shí)，將一些異常的速度信號(hào)去掉（包括空轉(zhuǎn)、傳感器失效和對(duì)轉(zhuǎn)不同步），如果裝置自身同時(shí)發(fā)生故障也不會(huì)對(duì)機(jī)車的速度信號(hào)輸出造成影響。

該裝置的主要工作原理是：通過檢測機(jī)車上的速度傳感器，得到運(yùn)行的平均速度值和有效值。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，與實(shí)際的輸出速度信號(hào)進(jìn)行比較，保證機(jī)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(hào)輸入及脈沖信號(hào)調(diào)理檢測。先采集6個(gè)通道的速度信號(hào)，在隔離電路中把速度信號(hào)輸入到速度調(diào)理電路，在進(jìn)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(hào)頻率。

速度信號(hào)分析及處理。在速度信號(hào)輸入后，利用檢測算法，對(duì)輸入的速度信號(hào)進(jìn)行檢測，如果單位時(shí)間內(nèi)速度變化超過一定值，標(biāo)記為速度異常，對(duì)該信號(hào)做無視處理。在完成6 個(gè)單通道的速度閥值分析之后，求出有效的速度信號(hào)平均值。

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

機(jī)車的撒沙裝置低速自動(dòng)限制控制器可以實(shí)現(xiàn)低成本、低污染、高效能的優(yōu)點(diǎn)。該裝置將速度的傳感和測量數(shù)字化，可以實(shí)現(xiàn)在線對(duì)行車參數(shù)進(jìn)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(duì)速度頻率信號(hào)檢測，將計(jì)算結(jié)果發(fā)往單片機(jī)，由單片機(jī)完成一系列算法（包括測量頻率、速度計(jì)算和撒沙制動(dòng)控制），控制繼電器電路，實(shí)現(xiàn)裝置的整體得電/失電來完成撒沙動(dòng)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(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，送入單片機(jī)，通過換算得到運(yùn)行速度。然后根據(jù)既定的速度要求對(duì)繼電器進(jìn)行控制。其中位于駕駛室的上位機(jī)可以對(duì)下位機(jī)發(fā)送命令，進(jìn)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(jī)車運(yùn)行時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，有時(shí)由于速度過快會(huì)對(duì)機(jī)車設(shè)備造成較大沖擊，而本裝置是對(duì)精度要求很高的設(shè)備，所以在設(shè)計(jì)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(hào)，設(shè)置自恢復(fù)保險(xiǎn)裝置，防止由于過載對(duì)電源造成的損害。

4 結(jié)論

1）內(nèi)燃機(jī)車的電傳動(dòng)控制電路檢測可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)確認(rèn)故障位置，司機(jī)通過檢測分析發(fā)出指令，機(jī)車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除障，確保機(jī)車正常運(yùn)行。

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

3）機(jī)車自動(dòng)撒沙控制器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車的緊急剎車和制動(dòng)，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(shí)際中被推廣運(yùn)用，效果顯著，獲得了用戶的廣大好評(píng)。但是仍然存在一些問題，例如，在我國南方比較潮濕，全自動(dòng)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(hù)方面要復(fù)雜的多。在我國北方受極度嚴(yán)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(shí)長，這也是需要進(jìn)一步研究的難題。