（电气工程专业论文）机车制动状态检测控制系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文的选题来源于现场生产实际，也是多年来现场安全生产中一直悬而 未决的技术问题。从理论上讲，该装置本身就是一个微机控制系统，它与机车 制动系统、机车控制系统以及机车安全监控装置密切联系，也可自成系统，是 机车制动系统和控制系统的补充和完善，弥补了机车制动系统存在的不足。同 时，本论文的选题和装置的研制在铁路全面实施大提速的社会背景和形势下， 达到了规范司机操纵、确保安全行车的目的。 该系统采用a t 8 9 c 5 1 单片机控制，单片机对采集到的压力信号、速度信号、 牵引信号和制动信号进行处理后，通过外围控制电路发出相应的l e d 指示和语 音输出自动报警信号，提示司机采取相应措施，预防事故发生。 本文提出了系统总体设计的思路，介绍了系统的组成、工作原理和主要技 术参数。对系统的主要特点、系统的主要功能、系统信号的采集和传感器的选 取、系统硬件和软件设计进行了分析。论文最后对本文的工作进行了总结，对 系统的运用前景进行了展望，分析了系统存在的不足，指出了改进措施。 经过现场实际运用表明，该系统工作性能可靠、稳定，对提高机车运用的 安全性能起到了一定的作用。 关键词：电力机车制动系统单片机检测与控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e s t u d yo f t h i st h e s i sc o m e sf r o ms i t e sp r o b l e m ，a n di ti sat e c h n i c a lp r o b l e m t h a td o e s n tb es o l v e df o ral o n gt i m e f r o mt h e o r ys i d e ，t h i s e q u i p m e n ti s a m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hh a st i g h tt i e w i t ht h el o c o m o t i v eb r a k i n g s y s t e m ，c o n t r o l l i n gs y s t e ma n d i t ss a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m i ti st h es u p p l e m e n t i n g a n d c o n s u m m a t i n go f l o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e ma n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h el a c ko f l o c o m o t i v es y s t e m i nt h es a m et i m e ，t h ep u r p o s eo fr e s e a r c h i n ge q u i p m e n ti s s t a n d a r d i z i n ga n dm a k i n g s u r et h es a f e t yt h eo p e r a t i o n ，a n dm e e t st h er e q u i r e m e n to f r e c e n ts i t u a t i o no f r a i l w a y ss y s t e m t h i se q u i p m e n ti sc o n t r o l l e db ys i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , a t 8 9 c 5 1 f i r s t l y , p r e s s u r e ，s p e e d ，d r i v ea n d b r a k e s i g n a l sa c q u i r e db y s e n s o r sa r ep r o c e s s e d ，a n dt h e n ， l e di n d i c a t o ra n dv o i c ea l a r ms y s t e mc o n t r o l l e db yp e r i p h e r yc i r c u i t ss h o wt h e t e s t i n gr e s u l t s a c c o r d i n gt h o s ei n f o r m a t i o n ，l o c o m o t i v eo p e r a t o rc a na c tr e l a t e d s t e p st op r e v e n t a c c i d e n t i nt h i st h e s i s ，t h et o t a ld e s i g ni d e aa n di t s c o m p o s i n g ，t h e o r e m a n dm a i n t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e d i nt h es a m et i m e ，i t sf e a t u r e s ，f u n c t i o n s ，s i g n a l a c q u i s i t i o n m e t h o d s ，s e l e c t i o n o fs e n s o r s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m a r e a n a l y z e d i nt h ee n do f t h i sp a p e r , t h ec o n c l u s i o n sa r es h o w n i nt h es a m et i m e ，i t s l a c k ，i m p r o v e d m e t h o da n df u t u r ea p p l i c a t i o n sa r ea l s od i s c u s s e d t h e a p p l i c a t i o n o ft h i ss y s t e ms h o w st h a ti tc a nw o r ks a f e l ya n ds t a b l y ，a n di ti s u s e f u lf o ri m p r o v i n gl o c o m o t i v e ss a f e t y k e yw o r d s ： e l e c t r i c a l l o c o m o t i v e ，b r a k i n gs y s t e m ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 铁路运输中的列车是按照行车组织中的列车运行图，以一定的时间、秩序 运行的。有时需要减速运行，有时需要在指定地点停车，运行中若发现危及行 车及人身安全时，又必须紧急停车。这些制动作用都要依靠列车制动机所产生 的制动力来实现。不难想象，只顾大功率机车“驱动”列车高速运行，而忽视 必要时依靠相应制动功率的制动机的“制动”，将会出现严重的后果。所以，只 有当“制动”与“驱动”相匹配，相辅相成时，才能很好的实现铁路运输的宗 旨 5 1 。 机车走行、制动系统是机车安全运行的基本保障。威胁机车安全运行的最 大隐患就是制动系统的故障，由于司机操纵不当和单元制动器不良造成的事故 时有发生。郑州铁路局洛阳分局1 2 1 6 和今年的7 2 3 、8 _ 8 事故就是由于制动系 统故障引起的。从最近各段发生的事故中，使我们清醒的认识到：机车制动系 统的不足和隐患，不仅造成机车机破，而且还造成车毁人亡的严重事故。针对 以上机车制动系统暴露出的顽症，与洛阳铁路分局三门峡西机务段联合就机车 制动系统的状态监控装置进行了研制。 1 2 机车制动状态检测控制系统的功能及特点 本装置采用单片机控制，由微处理器、压力传感器信号处理器、速度传感 器处理器、基础制动器机械位置检测、制动超距报警信号输出等部分组成。该 系统装置实现的主要功能及特点是： 1 、采用a t 8 9 c 5 1 减d , t 设备体积，提高了设备的可靠性和抗干扰能力， 并考虑到系统以后的升级。 2 、机车正常运行时，实施空气制动，这种正常行驶中的制动，如果超过设 定值时，该装置将提醒乘务人员注意，应采取相关措施。这样可有效避免由于 长时间制动引起轮箍弛缓事故的发生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 3 、该装置的控制盒可同时显示机车闸缸压力、速度传感器、基础制动信号、 牵引信号的工作状态，便于维修人员对相关设备进行维护。 4 、抗干扰能力强，所有信号的输入均经过光耦输入，避免外界其它信号对 系统的干扰。 5 、本系统具有扩展功能，可进一步与其它记录仪器或控制设备连接。 6 、每个单缸基础制动器都安装有非接触式位置传感器，实时检测单缸基础制 动器的缓解状态及本身的机械故障，并有指示灯显示。稳定性、可靠性好，灵敏度 高。 7 、独立系统，自动程度高，无需乘务员操纵，不改变机车原设备，简单实 用。 8 、每个制动器都安装一个位置传感器并有指示灯显示，2 0 个传感器通过4 个或门接线盒，总制动信号提供给司机台显示。覆盖面广，检修方便，成本低 廉。 1 3 本论文的主要内容和研究意义 1 3 1 本论文的主要内容 本论文的选题为“机车制动状态检测控制系统”，主要由以下内容组成： 1 第一章介绍了论文选题的背景和依据，对机车制动状态检测控制系统的 功能及特点进行了简要分析，并对论文研究的理论和实际意义进行了简要说明a 2 第二章主要对机车制动状态检测控制系统的组成、工作原理、主要技术 参数进行了介绍。 3 第三章对电力机车d k 一1 型电空制动机的基本特点和性能、组成和各部 件之间的控制关系以及基础制动装置和手制动装置的结构、工作原理进行了分 析。 4 第四章对机车制动状态检测控制系统的功能进行了分析，系统信号采集 及传感器选取进行了介绍。 5 第五章对机车制动状态检测控制系统的微机控制部分的总体设计、硬件 设计、模拟通道设计和软件流程设计的思路等进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 论文最后对本文的工作进行了总结，对系统的运用前景进行了展望，分析 了系统存在的不足，指出了改进措施。 1 3 2 本论文研究的意义 目前，国内外机车上均没有配属专门的制动状态检测控制装置，对机车制 动状态无法进行实时检测，是机车制动系统的缺陷，也是影响机车安全行车的 隐患。机车制动状态检测控制系统装置有效地解决了这一问题。 该研究项目主要解决机车制动系统没有监控装置的不足，有效防止司机的 误操作和某制动器不良造成的动轮弛缓事故的发生，确保行车安全。 本论文的选题来源于现场生产实际，也是多年来现场安全生产中一直悬而 未决的技术问题。从理论上讲，该装置本身就是一个微机控制系统，它与机车 制动系统、机车控制系统以及机车安全监控装置密切联系，又自成系统，是机 车制动系统和控制系统的补充和完善，尤其是弥补了机车制动系统存在的不足。 同时，本论文的选题和装置的研制在铁路全面实施大提速的社会背景和形势下， 达到了提高机车操纵自动化程度、规范司机操纵、确保安全行车的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章机车制动状态检测控制系统简介 2 1 机车制动状态检测控制系统的组成 s x 一1 型制动状态检测控制系统装置采用微电脑控制，由微处理器、压力传 感器信号处理器、速度传感器信号处理器、基础制动器机械位置监测、制动超 距报警信号输出等部分组成。在机车运行时，该装置自动采集、分析压力、速 度、牵引、制动、显示等信号，判断机车是处于正常运行状态，还是制动状态、 制动状态是否正常。当机车处于制动状态时，启动延时判断程序，当机车制动 属正常制动范围时，制动控制系统不动作；当司机严重误操作制动时，该装置 立即报警；当机车非正常制动并超出最大允许制动距离时系统延时报警，提醒 乘务人员采取措施以防事故发生。该装置可阻弥补机车制动系统没有监测装置 的不足，可有效地防止误操纵和某制动器不良造成的动轮驰缓事故的发生，确 保机车的安全运行。 该装置设计有外接口可以在监控装置进行记录、检索。为规范机车操纵， 监控机车制动状态提供了可靠的科学依据。外接口可以和机车控制部分连接， 非常情况时实现切除机车动力或紧急停车。 系统装置的主要组成部件有： 1 微电脑控制盒 2 扬声器 3 压力传感器 4 显示灯 5 位置传感器 6 或门接线盒 1 个 2 个 1 个 2 爪 2 0 个 4 个 7 导线及接线连接端子 8 连接风管及风管件 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 2 机车制动状态检测控制系统的工作原理 一、系统的工作原理 通过微电脑对机车速度、机车闸缸压力、制动器状态信号、牵引信号四种 信号的处理，根据以下几种情况： ( 1 ) 牵引工况下，机车制动机实施制动( 带闸运行) ； ( 2 ) 机车长时间制动，制动距离大于8 0 0 米； ( 3 ) 手制动机制动状态下，机车运行超过8 0 0 米： ( 4 ) 机车制动后缓解时间大于3 0 秒； ( 5 ) 某个制动器不良，机车运行超过8 0 0 米。 系统控制自动语音“机车制动，注意缓解”报警提示。在提示的同时，外 接口可以在监控装置进行记录和实现切除机车动力或紧急停车。工作流程图如 图2 1 所示： 图2 - 1 工作流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 处理方式牵引制动压力速度 直接报警 1l11 直接报警 1o1l 延时报警01 l1 延时报警 01o1 不报警 1l10 说明：( 1 ) 1 表示信号有效，0 表示信号无效。 ( 2 ) 延时报警是指机车行驶8 0 0 米后报警( 情况不严重) 。 ( 3 ) 直接报警是指情况严重，须立即报警( 如带闸运行) 。 另外，每个制动器都安装有一个用于进行检测的位置传感器( 共2 0 个) ， 并有指示灯显示制动状态。这2 0 个传感器通过4 个或门接线盒，将总制动信号 提供给司机台显示和微电脑处理。如果有一个制动器未缓解到位( 传感器灯亮， 并伴随司机台显示灯亮) ，司机即可通过报警提示和显示状态，判断出故障制动 器和手制动机位置。 工作流程图如图2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 2 工作流程图 二、主要技术参数 1 电源电压8 0 v 1 3 0 v 2 工作电流0 3 a 3 温度范围一2 0 + 5 0 c 4 速度信号2 0 0 正脉冲转，幅值耋6 v 5 制动缸检测距离缓解2 m m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 6 速度信号动作值 o 5 k m h 7 制动缸压力动作值 3 0 k p a 8 制动距离8 0 0 m 9 语音功率 2 w 三、安装使用 1 先将微处理控制盒固定在机车i 端信号柜内。 2 将2 0 个传感器分别安装制动器风缸上，用生胶带密封，安装时用试验仪 检查，向内旋转2 3 圈，再用螺栓拧紧即可。 3 连接4 个接线盒，汇成总线接到机车端子排0 1 x t 0 2 x t 上。 4 航空插头接线图连接相应信号，并将连接好的航空插头插入本装置的1 9 芯插座中。 5 打开电源开关，然后按下自检按钮，当外接音箱发出语音提示，同时所有 信号指示灯全亮，说明系统正常；否则请检查保险管是否熔断、航空插头信号 是否连接正确。当系统运行出现异常时，可按复位键使系统重新运行，微处理 控制盒面板示意图如图2 3 所示： 图2 3 微处理控制盒面板示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 6 航空插头接线表 插芯接线线号 1 脚1 l o v + n 2 4 3 2 脚1 1 0 v 二n 3 0 0 3 脚牵引1 1 0 v +n 2 5 8 4 脚常闭触点 5 脚动触点空 6 脚常开触点 7 脚牵引1 1 0 v n 3 0 0 8 脚制动信号电源1 5 v + 9 脚制动信号电源1 5 v 地 1 0 脚制动信号1 5 v + 1 1 脚压力传感器电源1 5 v + 1 2 脚压力传感器电源1 5 v 地 1 3 脚频率信号+n 7 0 8 1 4 脚频率信号一n 7 0 9 1 5 脚i 端喇叭+ 1 6 脚压力信号+ 1 7 脚i i 端喇叭+ 1 8 脚i i 端喇叭一 1 9 脚i 端喇叭一 7 出库前应试验基础制动状态：单阀置缓解位，司机台灯及制动器传感器 指示灯熄灭，单阀置制动位，司机台指示灯及制动器传感器指示灯全亮。 8 出库前应试验控制盒报警提示状态：按下控制盒试验按钮，指示灯应全 亮，扬声器发出“机车制动，注意缓解”的提示声。 9 、故障判断 当语音报警“机车制动，注意缓解”时，机车带闸运行或某个制动器未缓解、 手制动机在制动位机车运行超过8 0 0 米司机可根据实际的司机台显示和对应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的制动器传感器显示情况，检查出故障的制动器。缓解手制动机并处理好故障 的制动器，继续运行。如果检查未发现异常情况，可能是该装置发生故障。处 理方法：断开电源开关，回段报修。 1 0 、注意事项 、转向架上的连接导线和接线盒，制动器上的传感器，不得用检车锤敲击， 以免发生损坏 、制动器传感器指示灯应保持清洁，如果灰尘、油污过多时，应及时用毛 刷沾水清洗。 2 3 本章小结 本章介绍了机车制动状态检测控制系统的组成、主要技术参数和系统的工 作原理、工作流程框图。该系统装置采用微电脑控制，由微处理器、压力传感 器信号处理器、速度传感器信号处理器、基础制动器机械位置监测、制动超距 报警信号输出等部分组成。该装置设计有外接口，可以在机车监控装置进行记 录、检索。为规范机车操纵，监控机车制动状态提供了可靠的科学依据。外接 口可以和机车控制部分连接，非常情况时实现切除机车动力或紧急停车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章电力机车制动系统 3 1 电力机车d k 一1 型电空制动机 3 1 1d k 一1 型电空制动机基本特点及性能 一、基本特点m 电空制动机是以电信号为控制指令，以压缩空气为动力能源，通过气动元 件实现制动、缓解、保压作用的制动机。其基本特点是用电信号传递控制指令， 这不仅为列车的自动控制创造了条件，而且还能简便地与机车自动停车信号结 合，以实现列车的自动停车 3 1 。由于采用电信号传递控制信息指令，所以结构 简单，操纵准确，便于检查修理。在设计上采取失电制动，因此一旦电气线路 或电器因故障而失电时，可立即自行转入常用制动。该制动机还设有故障转换 装置，如果电空系统的电器部分发生故障，可通过转换系统装置将电器部分切 除，改用以空气制动阀采用空气制动方式操纵整个列车的制动与缓解，以保证 列车安全运行【i l 。 另外，在副司机侧除设有紧急停车按钮外，还设有直通列车管的手动放风 塞门，当整个制动系统发生故障或非常情况时，可通过该放风阀紧急停车，确 保行车安全和人身安全。 二、主要性能及参数。“” d k 1 型电空制动机的主要性能参数，如表3 1 、3 2 、3 3 所示： 表3 - 1空气制动阀( 小闸) 性能 亭号项目技术要求 1 全制动时制动缸最高压力3 0 0 k p a 2 制动缸压力自0 升至2 8 0 k p a 的时间 4 s 3 缓解位制动缸压力自3 0 0 k p a 降至3 5 k p a 的时间 5 s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表3 - 2电空制动控制器( 大闸) 性能 序号项目技术要求 l 初制动列车管减压量4 0 - 5 0k p a 2运转位均衡风缸充风至5 0 0 k p a 的时间 5 s 3 均衡风缸自5 0 0k p a 常用制动减压至3 6 0k p a 的时间 5 7 s 4常用全制动时，制动缸最高压力3 4 0 3 8 0k p a 5常用全制动时，制动缸升至最高压力时间6 8 s 6 运转位制动缸压力由最高缓解至3 5k p a 的时间 5 7 s 7紧急制动位列车管压力由定压排至0 的时间 3s 8 紧急制动位制动缸最高压力 4 5 0 + 1 0 k p a 9紧急制动位制动缸压力升至4 0 0 k p a 的时间 5 s 表3 3辅助性能 序号项目技术要求 l紧急制动位切除动力牵引手柄在有级位切除，无级位不切除 2列车分离保护( 断钩、拉紧急切除机车动力源和列车管补风，机车发 制动阀)生紧急制动 3列车管折角塞门关闭的判断对机后1 5 节内车辆列车管折角塞门关 闭与否进行判断 4失电常用制动 5自动停车机车装有自动停车信号装置 6与电阻制动相协调配合初制动时空气制动，列车管减压4 0 5 0 k p a 左右，2 5 2 8s 后，空气制动撤除， 机车保持电阻制动 三、辅助性能有关说明 ( 一) 紧急制动时自动切除电源 列车在运行中，如果处在牵引工况，由于某种原因司机需要立即停车而来 不及使调压手柄退回零位，当施行紧急制动时，机车控制电路可通过级位联锁 使主断路器调闸，进而切除机车总电源。如果机车是惰行工况，司机采取紧急 制动则不会使主断路器跳闸，可以防止电器和其他部件无效的动作【6 】。 ( 二) 列车管开通情况检查 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 列车在运行中，列车管折角塞门被关闭的事故不断发生，甚至造成重大行 车事故。为了能够使司机了解部分列车管折角塞门开通情况，设置了列车管开 通状态的检查系统折角塞门。在检查过程中，只要列车管有关闭情况，其检查 压力就降不到列车管规定压力，而且折角塞门的关闭处距离机车越近，列车管 压力就越不容易下降【3 】1 4 1 5 1 。如表3 - 4 。 表3 - 4列车管折角塞门关闭现场试验数据 机后折角列车管压力按充气按钮列车管按消除按钮 塞门状态( k p a )上升压力( k p a )列车管压力下列车管压力 降的稳定值下降时间 ( k p a ) ( s ) 全列开通5 0 0 6 6 05 1 09 机后关闭5 0 06 6 0 6 2 02 2 机后5 辆 5 0 06 6 05 7 02 7 关 机后1 5 辆关 5 0 06 6 05 6 03 0 3 1 2d k 一1 型电空制动机组成及各部件相互关系 一、组成 d k - 1 型电空制动机由电空制动控制器、空气制动阀、电空阀、调压阀、中继阀、 紧急阀、分配阀、z d f 紧急放风阀、压力开关等部件组成。 ( 一) 电空制动控制器( 俗称大闸) 电空制动控制器是制动机的操纵机构。设有6 个位置，操纵手柄就能控制 不同的电空阀和有关元件，实现气路的开通或切断，从而控制全列车的制动、 缓解作用。 ( 二) 空气制动阀( 俗称小闸) 在正常情况下，空气制动阀用来单独控制机车的制动和缓解。但是，如果 电控部分出现故障，空气制动阀可以方便地控制全列车的制动和缓解。 ( 三) 电空阀 电空阀在制动机系统中是中间控制元件，它受电空制动控制器的控制，以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 电信号为控制指令，控制中继阀、紧急制动放风阀等有关执行元件，从而起到 电路与气路的联锁作用。 ( 四) 调压阀 由总风缸来的压力空气( 7 0 0 9 0 0k p a ) 进入调压阀，通过调压阀的调整， 将高压空气调整到规定压力( 5 0 0 或6 0 0k p a ) 送往均衡风缸或作用管。 ( 五) 中继阎 它通过均衡风缸的压力变化来控制列车管压力变化，以完成列车的制动、 保压和缓解作用。 ( 六) 紧急阀 紧急阀是一种气动压差阀。当产生紧急制动时，该阀动作加速列车管排风， 同时接通电接点，使相应的继电器动作，完成自动切除列车管供风源和机车总 电源。 ( 七) 分配阀 它是制动机系统中用于机车本身制动、缓解的一个执行元件。它根据列车 管压力变化来控制容积室的压力变化，或由空气制动阀直接控制容积室的压力， 使机车制动或缓解。 ( 八) 紧急放风阀 该阀用来将列车管压力排向大气的一种电空气动阀。它由电空阀控制，当 电空阀得电动作时，迅速排出列车管的压力空气，列车产生紧急制动作用。 ( 九) 压力开关 压力开关是一种气电转换装置，是为满足空气制动与电阻制动协调配合的 需要，以及控制列车管的最大减压量而设置的。 ( 十) 电子延时继电器及中间继电器 电子延时继电器及中间继电器组成电阻制动与空气制动的联锁电路，受司 机控制器的控制。 二、各部件相互控制关系 制动机的操作分为“电空位”( 即正常工作位置) 和故障后的“空气位”。 它们的各控制部件的关系如图3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 空气制动阀电空制动控制器 图3 - 1制动机各部件控制关系图 ( 一) 电空位( 正常位) 1 、电空制动控制器+ 电空阀卜均衡风缸- 中继阀卜 一( 车辆分配阀 车辆制动缸； 机车分配阀机车制动缸。 2 、空气制动闷机车分配阀+ 机车制动缸。 ( 二) 空气位 空气制动阀+ 均衡风缸中继阀+ 列车管 压力变化 车辆分配阀+ 车辆制动缸 机车分配阀+ 机车制动缸。七 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 2 基础制动装置和手制动装置州9 为了保证机车运行安全，在机车车轮踏面处设置了闸瓦基础制动装置。s s 6 型电力机车基础制动装置为独立单元制动器，每台转向架第一、二根轴的每一 个轮为双侧制动，第三根轴的每个轮为单侧制动。为了使轴制动功率基本相等， 防止轮子踏面擦伤，所以设置于第一、二位轮对的制动器的制动倍率为2 8 5 ； 第三位轮对制动倍率为3 5 。也就是说，每台转向架制动倍率为2 8 5 的制动器有 8 个，制动倍率为3 5 的制动器有2 个。 当制动缸压力为4 4 1x1 0 5 p a 时，机车制动率为5 1 。倍率为2 8 5 的制动 器和倍率为3 5 的制动器，除杠杆和制动箱体不同外，其余零部件均相同。它们 的结构形式也一样，它由制动缸、传动杠杆、闸瓦间隙调整器及闸瓦等几个部 分组成。 ( 一) 作用原理 当司机操纵制动机使制动缸充气时，制动缸鞲鞴推传动杠杆，杠杆带动滑 套，滑套传给传动螺母，传动螺母带动传动螺杆，螺杆推动闸瓦托，使闸瓦压 到车轮轮箍踏面上产生摩擦，将列车的动能变为热能逸散于大气，从而使机车 减速或停车实现制动。当制动缸排气时，活塞在缓解弹簧的推动下，使上述各 传动零件作相反运动，闸瓦离开车轮踏面执行缓解。 ( 二) 闸瓦间隙自动调整器的作用原理 喁】在运用过程中，由于闸瓦与车轮踏面间隙越来越大。为了消除增大的间 隙，在制动器装置中设置了闸瓦自动间隙调整器。 闸瓦自动间隙调整器的作用原理如下：当杠杆摆动时，带动与杠杆相连的 棘钩作平面圆周运动。当棘钩齿尖圆周运动超过或等于棘轮轮齿节距时，棘钩 齿尖勾住棘轮轮齿的齿。当制动缓解时，棘钩随杠杆复原向上移动，随之棘钩 齿尖带动棘轮轮齿转动。因棘轮轮齿与传动螺母是紧围在一起的，所以带动传 动螺母转动，传动螺母的转动使螺杆向外直线移伸，来达到调整间隙的目的。 在设计过程中，当闸瓦与轮对踏面间隙不超过6 m m 时，棘钩齿尖不勾棘轮齿， 一旦超过6 m m 时，闸瓦的调整器就动作，因为传动螺杆螺距6 m m ，棘轮齿数 3 0 个，则调整闸瓦间隙为6 3 0 = 0 ，2m m 。为了防止棘钩与棘轮齿面脱离，用条 簧压紧棘钩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 ( 三) 主要技术参数 制动缸直径2 0 3m m ( 8 英寸) 制动缸缓解弹簧反力3 4 7 n 制动倍率3 5 ；2 8 5 闸瓦压力( 4 5 0 k p a ) ： 制动倍率2 8 5 3 3 2 4 0 n 制动倍率3 5 4 7 2 5 0 n 制动效率9 5 每台转向架独立制动器数量： 制动倍率2 8 5 8 个 制动倍率3 5 2 个 闸瓦与踏面间隙6 9 m m 闸瓦间隙调整量0 2m m 机车制动率( 当p = 4 5 0 k p a 时) 5 1 每个制动器的重量1 0 5 k g ( 四) 技术条件 每一个制动器在组装至转向架前应满足以下技术条件： 1 脱钩机构是否作用良好； 2 制动缸充气时，鞲鞴行程至2 8 m m 时棘钩是否拨动棘轮； 3 作用时各部件必须平稳，不卡滞，缓解后鞲鞴能贴靠缸底： 4 各活动摩擦面注润滑剂； 5 制动缸做泄漏实验，当充气6 0 0 k p a 时不准有泄漏，下降至4 0 0 k p a 时， 在3 m i n 内泄漏不大于1 0 k p a 。 通过以上检查，制动器方才合格，允许装车。 ( 五) 手制动装置 当机车长时间停留在轨道上，应对机车进行制动，以免机车溜车引起事故， 这可以用手制动装置来实现。 当摇动设置在司机室后墙上的手制动手轮时，带动小链轮、链条、大链轮、 丝杆、横杠杆、拉杆至竖杠杆，作用与第二位轮对上的制动器手轮上，手轮推 动传动螺母，传动螺母带动传动螺杆，螺杆推动闸瓦托是闸瓦制动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 主要技术条件 为保证拉杆与竖拉杆对中，在组装时应对大链轮端面与丝杆端部调熬为约 1 8 m m 。各部件组装完毕后应进行以下项目检查： 1 转动手轮时，各部件应灵活无卡滞现象； 2 拉杆环应对中竖拉杆； 3 手制动竖拉杆与制动器手轮之间间隙在2 - 3 m m 之内； 4 各部件摩擦面应注润滑剂。 3 3 本章小结 本章的主要内容为： 介绍了电力机车d k - 1 型电空制动机的基本特点和性能、组成和各部件之间 的控制关系。电空制动机是以电信号为控制指令，以压缩空气为动力能源，通 过气动元件实现制动、缓解、保压作用的制动机。其基本特点是用电信号传递 控制指令，这不仅为列车的自动控制创造了条件，而且还能简便地与机车自动 停车信号结合，以实现列车的自动停车。 另外对基础制动装置和手制动装置的结构、工作原理进行了分析。s s 6 型 电力机车基础制动装置为独立单元制动器。每台转向架制动倍率为2 8 5 的制动 器有8 个，制动倍率为3 5 的制动器有2 个。机车上共有2 0 个单元制动器，本 系统的制动信号需要从这2 0 个单元制动器通过位置传感器进行检测的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第4 章机车制动状态检测控制系统分析 4 1 机车制动状态检测控制系统功能分析 本系统应对压力、速度、牵引和制动信号进行分析计算，来判断机车运行过 程中的制动有无可能造成机车动轮驰缓，如果没有则继续采集数据分析计算， 如果有造成机车动轮驰缓的可能，则立即提醒司乘人员采取相关措施( 如语音 提示“机车制动，注意缓解”等) ，直到动轮驰缓的条件解除为止。 可能发生动轮驰缓的两个条件是： 1 在有压力、速度信号的情况下，又有制动信号，即机车行进过程中制动 而且速度v 降低，这种情况机车的行进距离不能超过一定距离s ，一旦制动情 况下行进距离达到s ，系统将输出一个相应的信号，提示可能会发生动轮驰缓问 题。 2 有压力、速度信号存在的条件，同时又有牵引信号，这种情况下有制动 信号，就是在机车制动的情况下还继续加大牵引力，系统将立即发出可能发生 动轮驰缓的信号。可能发生动轮驰缓情况的真值表如表4 1 所示。 表4 1可能发生动轮驰缓情况的真值表 驰缓可能 速度v压力p牵引q制动b距离sv 输出 ll01 s小于o0 1101之s小于ol 1ol0 o = s 或 s或小于o 1101寄s小于oo 1000 o 系统各部分的功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 1 、硬件电路 ( 1 ) 信号采集部分，获取压力、速度、牵引、制动信号，分别由相应传 感器提供； ( 2 ) 信号调理部分，将传感器获取信号放大、整形，送给a d 转换器或 光耦； ( 3 ) 隔离部分，防止现场强电磁的干扰通过输出通道反串到测控系统。 ( 4 ) 微处理器部分，对采集信号进行分析判断，触发报警控制电路。 ( 5 ) 语音电路，产生语音报警提示。 ( 6 ) 显示部分，显示各信号状态 ( 7 ) 电源部分，提供各部分电源。 2 、软件部分 ( 1 ) 启动a d 转换，利用平均滤波获取压力信号； ( 2 ) 产生秒定时中断信号，测得速度： ( 3 ) 读取牵引、制动信号： ( 4 ) 判断机车运行状态，产生状态显示、报警语音触发和控制信号； ( 5 ) 系统自检。 4 2 系统信号采集及传感器选取 4 2 1 系统信号采集 本系统需要从机车上采集的信号有： 1 、机车压力信号：采集机车制动缸压力，所用传感器为d b y 固态压力变 送器，其量程为1 m p a ，输出电压为o 5 v ，工作电压为1 5 v ，它将压力信号转变 成电信号，经过信号调理和a d 转换后送给单片机。 2 、机车速度信号：直接从机车上的测速电机上采集，经过信号调理和光耦 隔离后送单片机。 3 、机车牵引信号：主要是确定机车的运行工况，换向手柄在零位，导线 n 3 0 4 ( n 3 0 5 ) 无电，离开零位时，该导线有电，电压为1 1 0 v ，机车牵引信号 直接从该导线上采集信号，经过信号调理和光耦隔离后送单片机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 4 、机车制动信号：每个单元制动器上均安装有一个位置传感器并由指示灯 显示制动状态，由于机车每台转向架上有1 0 个单元制动器，所以两台转向架2 0 个单元制动器上各安装一个( 共2 0 个) 基础制动位置传感器，这2 0 个传感器 通过4 个或门接线盒，把制动信号提供给司机台显示和微电脑处理。如果有一 个制动器未缓解到位，相应的传感器灯亮并伴随司机台显示，司机可以通过报 警提示和显示状态。判断出故障制动器和手制动机位置。各信号的技术参数如 表4 2 所示： 表4 2各信号技术参数表 牵引信号1 1 0 v 士4 0 输入速度信号0 1 4 0 0 h z 、1 0 5 v 士4 5 压力信号0 2 2 5 v 制动信号1 5 v 士4 5 4 2 2 传感器的选取 一、传感器概述 i l l 广义地说，传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等的信息， 并能将之转化为可加以利用的信息的装置。传感器狭义的定义是：感受被测量， 并按一定规律将其转化为同种或其它性质的输出信号的装置。由于电信号易于 保存、放大、计算、传输，且是计算机唯一能够直接处理的信号，所以，传感 器的输出一般是电信号( 如电流、电压、电阻、电感、电容、频率等) 。 由于传感器技术的发展，其品种已达数万，可从不同角度对其进行分类。 ( 一) 按被测量( 或传感器的用途) 分类 如被测量为温度、压力、流量、位移、速度等时，则相应的传感器分别称 为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。常见 的其他被测量还有：热量、压差、力、力矩、应力、质量、振幅、频率、加速 度、噪声、浓度、密度等，其相应的传感器一般以被测量命名。这种分类方法 可以方便地根据测量对象选择所需的传感器。 ( 二) 按工作原理分类 传感器的工作原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。据此可将传感 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 器分为电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、光电式 等类别，这种分类方法有利于从原理和设计上做归纳性的分析研究。 ( 三) 按输出信号的性质分类 根据传感器输出信号的性质，可将其分为模拟传感器和数字传感器两大类。 前者输出模拟信号，如果要与计算机连接，则需要引入模数转换环节，而后 者则不需要。数字传感器一般将被测量转换成脉冲、频率或二进制数码输出， 抗干扰能力强。 二、传感器的组成 【l2 】传感器的作用一般是把被测的非电量转换成电量输出，因此它首先应包 含一个元件去感受被测非电量的变化。但并非所有的非电量都能利用现有手段 直接变换成电量，这时需要将被测非电量的某一中间非电量。传感器中完成这 一功能的元件称为敏感元件( 或预变换器) 。例如应变式压力传感器的作用是将 输入的压力信号变换成电压信号输出，它的敏感元件是一弹性膜片，其作用是 将压力转换成膜片的变形。 传感器中将敏感元件输出的中间非电量转换成电量输出的元件称为转换元 件( 或转换器) ，它利用某种物理的、化学的、生物的或其它的效应来达到这一 目的。例如应变式压力传感器的转换元件是一个应变片，它利用电阻应变效应 ( 金属导体或半导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生的现象) ，将弹性 膜片的变形转换为电阻值的变化。 转换元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制，这时需 要将其进一步变换成可以直接利用的信号，而传感器中完成这一功能的部分称 为测量电路。例如应变式压力传感器中的测量电路是一个电桥电路，它可以将 应变片输出的电阻值转换为一个电压信号，经过放大后即可推动记录、显示仪 表的工作。测量电路的选择视转换元件的类型而定，经常采用的电桥电路、脉 宽调制电路、振荡电路、高阻抗输入电路等。 有的传感器还需要有辅助电源。 综上所述，传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部 分组成。如图4 一l 所示。其中敏感元件和转换元件可能合二为一，而有的传感 器不需要辅助电源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 _ 囫_ + 非电量 图4 1传感器的组成框图 电量 三、传感器的特性 【2 】【1 3 】传感器所要测量的信号可能是恒定量或缓慢变化的量，也可能随时间 变化较快，无论哪种情况，使用传感器的目的都是使其输出信号能够准确地反 映被测量的数值或变化情况。对传感器的输出量与输入量之间对应关系的描述 就称为传感器的特性。理想的传感器特性在实际中是不存在的，人们所能做的 就是使实际的特性尽量接近理想的特性，而这种接近的程度，通常用一些性能 指标加以衡量。输入量恒定或缓慢变化时的传感器特性称为静态特性，相应地 用静态性能指标来描述；输入量变化较快时的传感器特性称为动态特性，用动 态性能指标表示。 ( 一) 传感器的静态特性 理想情况下，传感器的输出量y 与输入量x 之间应为线性关系，其静态特 性可表示为： y = a l x ( 4 1 ) 式中a ，一线性静态特性的斜率 实际的传感器的静态特性都是非线性的，可一般性地用一个多项式表示为 y = + a l x + a 2 x 2 + + a n x o ( 4 2 ) 式中a o 、a l 、a 2 、a 。为系数。 常用的静态性能指标：灵敏度、精确度、测量范围、量程和线性度误差等。 1 、灵敏度 传感器的灵敏度k 是指达到稳定工作状态时，输出变化量ay 与引起此变 化的输入量ax 之比，即 k ：坐( 4 - 3 ) a x 灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度，其数值较大时，传感器 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 的信号处理电路就较为简单。显然，线性传感器的灵敏度就是其静态特性的斜 率；而非线性传感器的灵敏度则是其静态特性曲线某点处切线的斜率，它随输 入量的变化而变化。 2 、精确度 传感器的精确度是指传感器的输出指示值与被测量约定真值的一致程度， 它反映了传感器测量结果的可靠程度。 工程上，根据传感器的最大引用误差来划分精确度等级，常用的有0 1 、 0 2 、o 5 、l to 、1 5 、2 5 、4 o 、5 0 等档次。、例如0 5 级的仪表，即表示其允 许的最大引用误差为0 5 。 3 、测量范围与量程 传感器的测量范围是指按其标定的精确度可进行测量的被测量的变化范 围，而测量范围的上限值y 。，与下限值y 之差就是传感器的量程y 。，即 h = y 。，一y m( 4 - 4 ) 4 、线性度误差 传感器的线性度误差，l 是指实际的静态特性曲线与规定直线之间，在垂直 方向上的最大偏差i ( a 班) m “i 与最大输出。的百分比。 ，l ：i c a y l ) m a x _ _ _ _ _ _ _ j 1 0 0 ( 4 5 ) y m “ y l 数值小则线性度高，这样的传感器在电路上处理较方便，测量精度也高。 为了使测量准确，要求静态响应良好，即希望所采用的传感器有合适的测量范 围和量程，足够高的精确度、灵敏度、分辨率和重复性，尽量小的线性误差、 死区和漂移。 ( 二) 传感器的动态特性 当传感器的输入信号随时间较快变化时，由于传感器内的各种运动惯性及 能量传递需要时间，传感器的输出无法瞬时地完全追随输入量而变化。在研究 传感器的动态特性时，为了避免复杂的数学问题，通常忽略传感器的非线性和 随机变化等因素，将其看成一个集中参数系统，用常系数线性微分方程来描述 其输出量( 或称响应) y 与输入量( 或称激励) x 的关系，即 d h vd ”i ， dv- 万”面丁+ + + 盘l 面j 棚o y 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 ：b 盟+ b j d i n - i x + 查啪x ( 4 6 ) ”出”m _ o 出一o 田 。 式孙a n 小a l 、a o 、b m 、b m _ 1 、b i 、b o 一结构常数，由传感器的物理 参数决定。 由于输入量变化越快，输出量越不易跟随，所以一般以最坏情况即阶跃信 号( 如图4 2 所示) 作为激励来研究动态特性，而此时的输出称为阶跃响应。 x k 0 图4 2 单位阶跃响应 从数学模型的角度看，也可将传感器分为零阶、一阶、二阶、三阶等传感器。 1 、零阶传感器 作为4 - 6 式的特例，其数学模型的一般形式是： a o y _