内燃机控制电路故障监测及自动处理装置的研究

张海瑞

（西山煤电（集团）有限责任公司铁路公司， 山西 太原 030000）

引言

随着我国经济的不断发展，轨道运输在国民经济中扮演了越来越重要的角色。内燃机车作为轨道运输的重要组成部分，其发展进步是我国铁路运输不断发展和进步的标志。内燃机作为内燃机车的核心设备，为车辆提供牵引力。内燃机有众多的零部件，这些构造零件的质量体现了我国机械工业设计和工艺设计的能力。

内燃机的早期制造工艺大部分采用触点电路控制，经过不断完善，这种方式的机车故障率比较低，现在技术也比较成熟，但是由于简单、直观，只能运用于大号车辆。对于比较复杂的部分则采用单片机进行逻辑控制。但是单片机控制集成度很高，往往需要专业的维修人员才可以进行检修。除此之外，以DF4 内燃机车为例，在内燃机输出功率时，三相交流电由主发动机输出，通过整流变为直流供牵引电机使用。控制发电机的多级励磁回路任意一个节点接地、短路和虚接都会造成故障，干扰机车正常工作行驶。

1 DF4 内燃机控制电路的分析

众多的电气联锁构成了DF4 内燃机车的电传动控制电路，包括负责保护电器的电气连锁、主流整柜、电空接触器、牵引- 制动转换开关和磁场削弱组合接触器等，均串联在整个电路中[1]。如果其中任何一个联锁发生接地、虚接或者烧毁电圈等电路故障，都会导致内燃机车进行卸载或者无法进行上载的情况。如果这些故障在机车行驶或者实际运用中发生，会给机车乘务员和司机带来很多不便，同时也可能会造成机车受损，打乱列车行车规划图，造成线路堵塞，行车延误。为了避免上述问题的发生，需要研发出相应的故障检查系统和自处理系统。

2 DF4 内燃机车控制电路故障监测及自动处理装置的原理

DF4 内燃机车电传动系统的控制电路由众多的触点式逻辑电路组成，完成指令动作需要各个元件的开、关来实现。当系统电路发生故障时，显示在控制电路中的是控制电路的一些节点状态发生改变，具体表现为吸合或断开[2]。当电路中相关的接点处于断开状态时，系统加载电路将丧失电能，机车表现为故障状态，无法运行。出现这种情况一般的处理方式为列车司机通过万用表来确定故障所在，然后进行故障应急处理修复。这种方式要求逐点检测，此外对司机自身能力和相关经验有较高的要求。

内燃机控制电路故障监测及自动处理装置控制电路中各个节点的状态，将这些状态数字化，由显示屏直接显示出来。当机车出现故障时，系统通过逻辑分析确定问题所在，经机车司机对故障进行再查确认后，系统内部发出修复指令，由装置自行完成机车故障的修复处理工作。该装置相比于传统的人工处理，即直观又高效，极大提高了机车控制的稳定性，减少机车损伤。

该装置原理框图如图1 所示，该系统由电器室和司机室两部分组成[3]，它们之间通过CPU（RS485通讯）进行信息交流。

图1 DF4 内燃机控制电路故障监测及自动处理装置原理框图

如图1 所示，在电器室中核心部件为CPU1，主要实现以下三个功能：一是完成信号的采集、处理和故障逻辑分析；二是与机车司机室进行通讯、信息交流；三是根据司机室的信息反馈对机车进行故障处理。机车司机室也有以下三个主要功能：一是行车状态显示（包括正常和故障状态）；二是与电器室进行通讯；三是进行自动处理命令，在电器室发回故障信息后对故障进行评估判断后按自动处理发出指令。装置的电路系统主要由信号取样电路与处理电路、逻辑分析电路和自动处理控制组成。

3 自动处理装置的设计

自动处理装置包括速度信号综合处理装置和撒沙装置速度控制器。

3.1 速度信号综合处理装置的设计

在机车行驶过程中，速度传感器可能发生故障，影响机车运行，自动处理装置利用正常的速度传感器信号来代替出现故障的速度传感器[4]，达到屏蔽故障信号，不影响机车正常运行的目的。该系统的关键点在于对机车速度传感器信号的识别，在这里采用少数服从多数的逻辑判断，图2 为装置结构组成图。

图2 装置结构组成图

该装置在工作时会采集多路的速度信号[5]，每个信号采集周期设计都小于50 ms，自动切换周期也都小于50 ms。在过滤速度信号时，将一些异常的速度信号去掉（包括空转、传感器失效和对转不同步），如果装置自身同时发生故障也不会对机车的速度信号输出造成影响。

该装置的主要工作原理是：通过检测机车上的速度传感器，得到运行的平均速度值和有效值。根据得到的数据，与实际的输出速度信号进行比较，保证机车以稳定的速度行驶。装置主要由以下几部分组成。

速度信号输入及脉冲信号调理检测。先采集6个通道的速度信号，在隔离电路中把速度信号输入到速度调理电路，在进行象形处理后，将波形图像送入检测电路，检测输入后的信号频率。

速度信号分析及处理。在速度信号输入后，利用检测算法，对输入的速度信号进行检测，如果单位时间内速度变化超过一定值，标记为速度异常，对该信号做无视处理。在完成6 个单通道的速度阀值分析之后，求出有效的速度信号平均值。

速度信号输出电路。当电路工作状态为直通模式时，缺少通道上的行车速度值为检测仪的基准速度。若为平均模式，信号频道上的所有速度求均值，设定为基准速度输出。

数字模拟和显示电路，显示工作状态及相应数据。

3.2 撒沙装置速度控制器的设计

机车的撒沙装置低速自动限制控制器可以实现低成本、低污染、高效能的优点。该装置将速度的传感和测量数字化，可以实现在线对行车参数进行修改，在系统中还添加了监控和调试软件的功能。

该装置的工作原理是通过对速度频率信号检测，将计算结果发往单片机，由单片机完成一系列算法（包括测量频率、速度计算和撒沙制动控制），控制继电器电路，实现装置的整体得电/失电来完成撒沙动作。其速度区间为大于5 km/h，小于80 km/h。

该装置的硬件系统关系图如3 所示，先对传感器的信号进行调理，送入单片机，通过换算得到运行速度。然后根据既定的速度要求对继电器进行控制。其中位于驾驶室的上位机可以对下位机发送命令，进行串口属性设置，修改设定的行车速度可满足不同情境的速度要求。

图3 系统逻辑图

在机车运行时难免会产生震动，有时由于速度过快会对机车设备造成较大冲击，而本装置是对精度要求很高的设备，所以在设计中采用金属盒装的结构。此外，还可以采用双绞线来屏蔽行车频率信号，设置自恢复保险装置，防止由于过载对电源造成的损害。

4 结论

1）内燃机车的电传动控制电路检测可以实现定点确认故障位置，司机通过检测分析发出指令，机车可以实现自动除障，确保机车正常运行。

2）机车的速度信号处理装置可以快速找出机车传感器故障所在，确保车头接收到正确的速度信号，保证机车以正常速度运行，避免事故。

3）机车自动撒沙控制器可以实现机车的紧急刹车和制动，节约了资金，防止环境污染，提高了工作效率。

上述设备都已经在实际中被推广运用，效果显著，获得了用户的广大好评。但是仍然存在一些问题，例如，在我国南方比较潮湿，全自动设备往往寿命期不长，但由于集成度很高，在停车检修和维护方面要复杂的多。在我国北方受极度严寒的影响，有些电气设备可能效率低下甚至失灵。如何使设备满足复杂的气候条件和增加使用时长，这也是需要进一步研究的难题。