內燃機控制電路故障監測及自動處理裝置的研究

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

隨著我國經濟的不斷發展，軌道運輸在國民經濟中扮演了越來越重要的角色。內燃機車作為軌道運輸的重要組成部分，其發展進步是我國鐵路運輸不斷發展和進步的標志。內燃機作為內燃機車的核心設備，為車輛提供牽引力。內燃機有眾多的零部件，這些構造零件的質量體現了我國機械工業設計和工藝設計的能力。

內燃機的早期制造工藝大部分采用觸點電路控制，經過不斷完善，這種方式的機車故障率比較低，現在技術也比較成熟，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，往往需要專業的維修人員才可以進行檢修。除此之外，以DF4 內燃機車為例，在內燃機輸出功率時，三相交流電由主發動機輸出，通過整流變為直流供牽引電機使用。控制發電機的多級勵磁回路任意一個節點接地、短路和虛接都會造成故障，干擾機車正常工作行駛。

1 DF4 內燃機控制電路的分析

眾多的電氣聯鎖構成了DF4 內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- 制動轉換開關和磁場削弱組合接觸器等，均串聯在整個電路中[1]。如果其中任何一個聯鎖發生接地、虛接或者燒毀電圈等電路故障，都會導致內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生，會給機車乘務員和司機帶來很多不便，同時也可能會造成機車受損，打亂列車行車規劃圖，造成線路堵塞，行車延誤。為了避免上述問題的發生，需要研發出相應的故障檢查系統和自處理系統。

2 DF4 內燃機車控制電路故障監測及自動處理裝置的原理

DF4 內燃機車電傳動系統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、關來實現。當系統電路發生故障時，顯示在控制電路中的是控制電路的一些節點狀態發生改變，具體表現為吸合或斷開[2]。當電路中相關的接點處于斷開狀態時，系統加載電路將喪失電能，機車表現為故障狀態，無法運行。出現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，然后進行故障應急處理修復。這種方式要求逐點檢測，此外對司機自身能力和相關經驗有較高的要求。

內燃機控制電路故障監測及自動處理裝置控制電路中各個節點的狀態，將這些狀態數字化，由顯示屏直接顯示出來。當機車出現故障時，系統通過邏輯分析確定問題所在，經機車司機對故障進行再查確認后，系統內部發出修復指令，由裝置自行完成機車故障的修復處理工作。該裝置相比于傳統的人工處理，即直觀又高效，極大提高了機車控制的穩定性，減少機車損傷。

該裝置原理框圖如圖1 所示，該系統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 內燃機控制電路故障監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：一是行車狀態顯示（包括正常和故障狀態）；二是與電器室進行通訊；三是進行自動處理命令，在電器室發回故障信息后對故障進行評估判斷后按自動處理發出指令。裝置的電路系統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計

在機車行駛過程中，速度傳感器可能發生故障，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。該系統的關鍵點在于對機車速度傳感器信號的識別，在這里采用少數服從多數的邏輯判斷，圖2 為裝置結構組成圖。

圖2 裝置結構組成圖

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、傳感器失效和對轉不同步），如果裝置自身同時發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。根據得到的數據，與實際的輸出速度信號進行比較，保證機車以穩定的速度行駛。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，設定為基準速度輸出。

數字模擬和顯示電路，顯示工作狀態及相應數據。

3.2 撒沙裝置速度控制器的設計

機車的撒沙裝置低速自動限制控制器可以實現低成本、低污染、高效能的優點。該裝置將速度的傳感和測量數字化，可以實現在線對行車參數進行修改，在系統中還添加了監控和調試軟件的功能。

該裝置的工作原理是通過對速度頻率信號檢測，將計算結果發往單片機，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，實現裝置的整體得電/失電來完成撒沙動作。其速度區間為大于5 km/h，小于80 km/h。

該裝置的硬件系統關系圖如3 所示，先對傳感器的信號進行調理，送入單片機，通過換算得到運行速度。然后根據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送命令，進行串口屬性設置，修改設定的行車速度可滿足不同情境的速度要求。

圖3 系統邏輯圖

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

4 結論

1）內燃機車的電傳動控制電路檢測可以實現定點確認故障位置，司機通過檢測分析發出指令，機車可以實現自動除障，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機車的緊急剎車和制動，節約了資金，防止環境污染，提高了工作效率。

上述設備都已經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雜的多。在我國北方受極度嚴寒的影響，有些電氣設備可能效率低下甚至失靈。如何使設備滿足復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。