DF4机车光电型过渡与速度信号输出装置的研究

    1 概述
    东风4B型机车过渡装置是用于实现机车两级磁场消弱的控制元件，它采集机车轴端测速电机输出的电压信号，控制两个继电器来驱动组合接触器接通或断开磁场消弱电阻，达到机车自动进行磁场消弱的目的，它的工作可靠性直接影响着机车牵引电机的工作环境好坏。目前为过渡装置提供机车速度信号的测速电机为机械齿轮传动, 机车在运行过程中产生振动较大，机械磨损严重,使测速电机线圈、轴承、齿轮、拔叉等经常损坏，因此测速电机故障率很高，使过渡装置由于速度信号不良而经常不能正常工作。机车乘务员只能靠手动完成机车过渡控制，如果过渡点掌握不好，就会造成牵引电机环火，为运输安全埋下隐患。
    当前，新型东风4D、东风8型机车等都已采用光电传感器为过渡装置、电阻制动装置提供速度信号，光电传感器与机车通过万向轴联接，它受机车震动的影响很小，且结构简单、可靠性高、安装维修方便、使用寿命长、测速准确。因此，光电传感器取代机械式测速电机是一种必然的发展趋势。本研究借鉴东风4D、东风8型机车的经验，并综合考虑东风4B型机车的特殊情况，研制成功了机车光电型过渡与速度信号输出装置。
    2 设计方法
    2.1 设计思路
    在不改变或较少改变机车原有设计的基础上，利用为机车监控装置提供速度信号的光电传感器中空余的一路速度信号，开发研制一种使用光电传感器输出的脉冲信号作为机车速度信号，实现机车自动过渡控制并为电阻制动装置及机车速度表提供速度信号的具有较高的可靠性，与机车设备可完全兼容的设备，将此设备命名为机车光电型过渡与速度信号输出装置。
    根据光电传感器提供的200脉冲/转速度信号，设机车轮径为D(mm)，单位采样周期为T(s)，T周期所采集的脉冲数为X，则速度S为:
    S=(π×D×X×3600)/(200×T×1000000)(km/h) (1)
    考虑到机车轮径在950mm~1050mm中变化，需要针对机车轮径数据进行调整，为此本装置设计了一种手动调整方式，设置一个按键可以直接输入机车轮径数据，对不同的轮径变化自动调整不同的单位采样周期，经单片机对采集的数据线性平滑处理后提供给机车速度表。
    为适应机车对速度信号的使用要求，本装置提供两组两路可编程开关量信号控制触点(每路常开常闭触点各一组)作为机车过渡装置控制使用，提供一路电流信号供两端速度表使用，提供一路电压信号供电阻制动装置使用。
    2.2 对原DF4机车的改造
    (1) 机车光电型过渡与速度信号输出装置直接安装于机车原过渡装置的安装位置，并使用原过渡装置的插头驱动过渡电磁阀。
    (2) 机车光电型过渡与速度信号输出装置通过电缆接于端子板或监控装置的96型接线盒上，与光电传感器进行连接。
    (3) 光电型机车过渡与速度信号输出装置输出的电压、电流信号经电缆接于电器柜速度表和电阻制动装置原来的接线端子上。
    (4) 将原速度表的整流电路取消，并将表头灵敏度按照标准值校正。
    2.3 工作原理
    光电型过渡与速度信号输出装置由电源模块、中心计算处理模块和过渡继电器、数模转换电路、速度表、电阻制动驱动电路等组成。工作原理如图1所示：

图1 光电型过渡与速度信号输出装置工作原理框图
   

     光电转速传感器送来的转速脉冲信号经信号采集接口电路，送入单片机98C51进行计算处理，按照客、货机车对过渡装置的要求设计的两组过渡值驱动过渡继电器，实现机车自动过渡，同时经数模转换电路为电阻制动装置提供速度电压信号和为机车速度表提供速度电流信号，并实时地由数码显示器指示当前机车运行速度。
   本装置对机车过渡点的控制由软件完成，主程序根据设定的控制模式，将过渡装置的转换点和回差值设置在软件程序中，软件程序采用实时查表法，按存储的轮径数据和采集到的脉冲数定时计算速度数据，对计算出的速度数据变化趋势进行存储，并对过渡继电器状态进行扫描，以判断如何对过渡继电器进行驱动。通过修改软件中预先设置过渡装置的转换点，可以适应不同机型机车使用。
    3 试验分析
    将光电型过渡与速度信号输出装置、测试仪器、速度表、直流电源按图2进行连接。

 图2 试验框图
  

  调整光电型过渡与速度信号输出装置轮径值为1050毫米，选择信号发生器波形为方波，调整信号发生器频率，使脉冲数分别为500、1000、1500，对装置输出数码显示值、速度表显示值、电流、电压进行测试，测试结果见表1：

    表1 轮径值为1050mm时的测试结果
 

   将轮径值设定为1050mm，调整信号发生器率，测试过渡值是否与设计值相同，测试结果见表2：

  

表2 轮径值为1050mm时的过渡点测试结果
 

   从以上测试情况看出，该设备技术先进，性能稳定，完全可以取代现有东风4型机车使用的过渡装置。将该设备在安装DF4机车上进行试验，运行半年多未发生故障，更加证明了该设备的可靠性。
    4 效益分析
    原东风4型机车使用的过渡装置故障较多，通过对山西灵丘机务段53台机车进行分析表明，除对故障过渡装置进行维修外，每年还需更新20多台，每台成本1700元，每年更新设备成本1700×20=34000元，同时它需要测速电机为其提供速度信号，测速电机故障率更高，该段每年要更新测速电机40多台，每台测速电机成本700元，每年更换测速电机成本700×40=28000元，两项合计，每年需更新设备成本34000+28000=62000元。采用光电型过渡与速度信号输出装置后，它利用为监控装置提供速度信号的光电传感器中空余的一路速度信号，每台机车还可以拆除两台机械传动的测速电机，可大大节省设备更新费用。同时可以大大减少因测速电机故障引起过渡装置不能正常作用，由此而产生机车牵引电机环火事故，大大提高机车运营的可靠性。
    5 结束语
    多年来，测速电机一直是机车故障率较高的的惯性故障之一，利用光电传感器提供速度信号虽然已经在多种机型上使用，但在东风4型机车上，由于受机车上过渡装置、电阻制动装置及机车速度表等成型产品的制约，光电电机输出的脉冲信号不能得到应用。本文开发的光电型过渡与速度信号输出装置，合理利用了光电电机脉冲速度信号，解决了脉冲信号与电压、电流信号之间的转换，并在不改变机车原接线及设备的基础上，实现了测速电机及过渡装置的更新换代，具有广泛的推广使用价值。(end)