CN110816558B - 一种机车撒砂自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车撒砂自动控制装置，属于铁路机车技术领域。其包括电控箱和分控箱，分控箱内设有风压传感器和撒砂电空阀，分控箱具有气路入口、气路出口和电路接口，电控箱内设有直流变换器、控制模块和撒砂继电器，电控箱具有供电接口、传感器连接接口、电空阀连接接口、车速信号接口、撒砂信号接口，控制模块用于执行自动控制程序。本发明结构简单，设计巧妙，易于实施，有利于提升现有机车撒砂系统的自动化水平，进而提高机车运行的稳定性和安全性。同时，应用本发明可以方便地对现有机车进行改造升级，从而使本发明具有极强的应用前景和经济效益。

Description

一种机车撒砂自动控制装置

技术领域

本发明涉及一种机车撒砂自动控制装置，属于铁路机车技术领域。

背景技术

机车牵引时，动轮作用力如果大于粘着力，车轮就会在钢轨上产生空转，使机车牵引力急剧下降甚至消失，严重者导致牵引电机故障。

机车轮对与钢轨间的粘着力受到多种因素的影响。机车在牵引列车起步、加速、闯坡运行等需要增加牵引力的情况下，尤其是运行在霜、雪、冰、水、油垢、轮对踏面失圆、钢轨损伤、发生轴重转移等状况下时，车轮与钢轨之间容易出现空转、打滑，发生空转轮轴的牵引力急剧下降，进而影响整个机车牵引力的发挥。此时，通过在钢轨表面上均匀地撒砂，可以提高机车的粘着力，消除车轮的空转，充分发挥机车的牵引力。

目前，电力、内燃机车的撒砂装置主要由砂箱、撒砂阀、撒砂管、压缩空气管路、撒砂电空阀等部件组成。砂箱的作用是存储合格的砂子；撒砂阀是机车撒砂装置的关键部件，作用是在需要撒砂时利用机车本身提供的压缩空气将砂箱中的砂子吹浮并均匀地喷撒出来；撒砂管的作用是将撒砂阀喷撒出的扬砂导向机车车轮与钢轨之间；压缩空气管路作用是将机车总风缸输出的压缩空气供给撒砂阀使用；撒砂电空阀的作用是接通或关断通向撒砂阀的压缩空气，撒砂电空阀的接通或关断则是受司机(手动控制)或机车上有关电器(自动控制)的控制。

上述的撒砂控制方式比较单一。即需要撒砂时，司机按下撒砂按钮，控制撒砂电空阀得电、吸合，打开通往车下的压缩空气气路，撒砂阀在压力作用下吹出砂子。但是，机车的状态随时发生变化，单一方式控制撒砂过程存在着弊端。运用实践中，司机要根据列车牵引状态、运行速度、气候条件综合判断之后再通过手动控制的方式控制实际的撒砂量，目的是要在车轮与钢轨之间均匀地覆盖一层薄砂，这是比较理想的状态。但在实际的操作过程中，即使是经验丰富的高水平司机也很难达到这样的理想撒砂结果。撒砂量过小，则无法提供足够的摩擦力；撒砂量过大，也不能有效地解决车轮的空转，反而还会增加额外的阻力，带来许多不利后果。此外，实施紧急制动机车临近停车时，撒砂量过大还增加了再次启车时的阻力。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种机车撒砂自动控制装置，其能够方便地加装在现有机车上，有利于实现机车撒砂的自动控制。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机车撒砂自动控制装置，其包括电控箱和分控箱，所述分控箱内设有风压传感器和撒砂电空阀，所述分控箱具有气路入口、气路出口和电路接口，所述撒砂电空阀连接在气路入口和气路出口之间，所述风压传感器设于所述气路入口与撒砂电空阀之间，所述电路接口包括与风压传感器相连的传感器接口以及与撒砂电空阀相连的电空阀接口，所述撒砂电空阀处于常开状态；所述电控箱内设有直流变换器、控制模块和撒砂继电器，所述电控箱具有供电接口、传感器连接接口、电空阀连接接口、车速信号接口、撒砂信号接口，所述直流变换器的输入端与所述供电接口连接，所述直流变换器的输出端分别与控制模块和电空阀连接接口连接，所述撒砂继电器用于控制电空阀连接接口的通断，所述车速信号接口、撒砂信号接口、传感器连接接口以及撒砂继电器的控制端均与所述控制模块连接；所述电空阀接口与所述电空阀连接接口连接，所述传感器接口与所述传感器连接接口连接；所述控制模块用于执行如下程序：

(1)检测撒砂踏板信号；

(2)当收到踏板信号时，通过机车的轴速度传感器获得脉冲信号，脉冲信号由控制模块上的定时器计数并转换为车速v；通过相应分控箱的风压传感器获取风压p；

(3)根据车速与撒沙量的正比关系w＝k×v，计算撒砂量w，其中，k为比例系数；

(4)对相应分控箱的撒砂电空阀输出周期固定的PWM脉冲控制信号，一个周期T中，撒砂电空阀的开启时间为t，撒砂电空阀的关闭时间为T-t；其中：

t₁＝f₁(w,p)，

t₂＝f₂(w,p)，

t₁、t₂为中间参数，f₁和f₂均为关于w和p的二元二次多项式。

可选的，所述电控箱上还设有切除开关，所述切除开关连接在所述撒砂信号接口与所述控制模块之间的电路上。

可选的，所述电控箱上还设有触摸屏，所述触摸屏与所述控制模块连接。

可选的，所述分控箱的电路接口为由传感器接口和电空阀接口共同组成的四芯插口，所述传感器连接接口和电空阀连接接口共同组成一位于电控箱上的四芯航插接口。

可选的，所述车速信号接口与所述控制模块之间，以及所述撒砂信号接口与所述控制模块之间均设有光电隔离电路。

可选的，所述直流变换器的输入电压为110伏，输出电压为24伏，所述控制模块上设有用于将24伏电压转换为5伏电压的电源电路。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明结构简单，集成度高，便于部署，可以直接安装在现有的手动撒砂机车上，无需对现有机车做过多改造，使用非常方便，便于推广应用。

2、本发明可以对手动撒砂机车进行改造，可以实现机车撒砂的自动化控制，从而极大地提升撒砂量的准确性，提高机车行驶的安全可靠性。

3、本发明进一步地在控制模块的外围设置了光电隔离电路，光电隔离电路可以对机车原有的电路起到隔离保护的作用，保障机车原有的电气系统不受影响。此外，本发明还可以在撒砂信号和控制模块之间设置切除开关。这样，通过断开开关的方式，可以隔断撒砂信号，将本发明从机车的撒砂控制系统中完全切除，从而恢复机车原有的撒砂控制结构和控制方式。

总之，本发明结构简单，设计巧妙，易于实施，有利于提升现有机车撒砂系统的自动化水平，进而提高机车运行的稳定性和安全性。同时，应用本发明可以方便地对现有机车进行改造升级，从而使本发明具有极强的应用前景和经济效益。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图。

图1为本发明实施例中控制装置的结构框图；

图2为本发明实施例中分控箱的结构示意图；

图3～7是本发明实施例中的若干电路结构示意图；

图8为本发明实施例的一种使用状态结构框图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种机车撒砂自动控制装置，其包括电控箱和分控箱，所述分控箱内设有风压传感器和撒砂电空阀，所述分控箱具有气路入口、气路出口和电路接口，所述撒砂电空阀连接在气路入口和气路出口之间，所述风压传感器设于所述气路入口与撒砂电空阀之间，所述电路接口包括与风压传感器相连的传感器接口以及与撒砂电空阀相连的电空阀接口，所述撒砂电空阀处于常开状态；所述电控箱内设有DC-DC直流变换器、控制模块和撒砂继电器，所述电控箱具有供电接口、传感器连接接口、电空阀连接接口、车速信号接口、撒砂信号接口，所述直流变换器的输入端与所述供电接口连接，所述直流变换器的输出端分别与控制模块和电空阀连接接口连接，所述撒砂继电器用于控制电空阀连接接口的通断，所述车速信号接口、撒砂信号接口、传感器连接接口以及撒砂继电器的控制端均与所述控制模块连接；所述电空阀接口与所述电空阀连接接口连接，所述传感器接口与所述传感器连接接口连接。

具体来说，如图2所示，分控箱包括箱体1以及设于箱体1内的风压传感器4、撒砂电空阀3和阀块2，阀块2具有气路入口21和气路出口22，风压传感器4和撒砂电空阀3均与阀块2连接，且风压传感器4和撒砂电空阀3顺序串联在气路入口21和气路出口22之间。风压传感器4具有引线40，撒砂电空阀3具有引线30，引线40和引线30均与箱体1上的四芯电路接口11连接。整个箱体1仅有气路入口21、气路出口22和电路接口11共三个对外接口。此外，为加强密封性，还可在撒砂电空阀3与阀块2之间设置密封垫。

使用时，可将电控箱设置在机车控制室内，将电控箱的车速接口与机车的轴速度传感器连接，将供电接口与机车电源连接，将撒砂信号接口与机车的撒砂踏板或撒砂按钮连接。同时，将分控箱设置于机车底部靠近撒砂的位置，将机车原有的气压管路截断，将截断的管路分别与分控箱的气路入口和气路出口连接，从而将分控箱串联在机车原有的撒砂气路内。

通过编制适当的程序，可以使该控制装置实现对机车撒砂量的自动控制。具体来说，可以在控制模块中运行如下程序：

(1)检测撒砂踏板信号；

(2)当收到踏板信号时，将机车的轴速度传感器的脉冲信号引入，脉冲信号由控制模块上的定时器计数并转换为车速v；同时，通过风压传感器获取相应管路的风压p；

(3)根据车速与撒沙量的正比关系计算撒砂量w，即w＝k×v，k为比例系数；

(4)对分控箱的撒砂电空阀输出周期固定的PWM脉冲控制信号，一个周期T中，撒砂电空阀的开启时间为t，则撒砂电空阀的关闭时间为T-t；其中：

t₁＝f₁(w,p)，

t₂＝f₂(w,p)，

f₁和f₂均为关于w和p的二元二次多项式。

踏板踩下时，机车原有撒砂电空阀处于开启状态，而本装置撒砂电空阀则由控制模块进行自动控制，根据控制模块计算出的开闭时间，本装置撒砂电空阀可以控制通过的压缩空气量，进而控制撒砂量。

一般来说，周期T可以设定为1500毫秒，当然，也可根据实际情况设置为其他合理的数值。

可选的，仍见图1，所述电控箱上还设有切除开关，所述切除开关连接在所述撒砂信号接口与所述控制模块之间的电路上。切除开关可以控制撒砂信号的接入，当本装置发生故障，或者不需要本装置进行控制时，可以通过断开切除开关的方式将本装置从整个撒砂控制系统中切除。由于本装置的撒砂电空阀处于常开状态，因此，切除本装置后，机车的撒砂气路仅受机车原有撒砂电空阀的控制，本装置不会对机车的原有控制方式造成任何影响。

可选的，所述电控箱上还设有触摸屏，所述触摸屏与所述控制模块连接。触摸屏为电控箱提供人机交互界面。通过人机交互界面，可以对控制过程中的参数进行设置和调整，并可以检测控制系统的运行状态。

可选的，所述分控箱的电路接口为由传感器接口和电空阀接口共同组成的四芯插口，所述传感器连接接口和电空阀连接接口共同组成一位于电控箱上的四芯航插接口。

可选的，所述车速信号接口与所述控制模块之间，以及所述撒砂信号接口与所述控制模块之间均设有光电隔离电路。当然，光电隔离电路也可以与控制模块共同集成在同一PCB电路板上。光电隔离电路为现有技术，此处不再赘述。光电隔离电路可以对机车原有的电路起到隔离保护的作用，即，本例中的电控箱部分完全不会影响机车原有电路的电气性能，从而保障机车原有电气系统的稳定可靠运行。

可选的，DC-DC直流变换器的输入电压为110伏，输出电压为24伏，所述控制模块上设有用于将24伏电压转换为5伏电压的电源电路。直流变换器的电源输入可以直接使用列车提供的110V直流电，不需要外接其它电源。该直流变换器可以采用一块符合EN50155和EN45545-2铁路系统认证的DC-DC变换器，该变换器具备短路、过载、过压、过热、输入保护、输入输出隔离等功能，具有较宽的电压工作范围，保证了系统工作的稳定性。

上述各例中，控制模块可以采用ARM单片机作为主体部分，DC-DC直流变换器与机车电源连接，用于将机车110V电源转换为24V电源。

具体来说，控制模块的控制核心可以选择主流的Cortex-M3处理器，该处理器拥有72M主频，20K RAM，64K ROM，内置看门狗不会发生死机的问题。该处理器内置多个定时器，可准确地计算速度采样线脉冲，计算车速。12位的ADC，用与检测风压，检测速度快。内置的64KRAM，满足实时数据的存储。通过编写存储轮询程序，数据存储可以达到千万次。

图3所示为控制模块的电源电路，其采用DC-DC芯片，将24V电源转换为5V电源，从而为控制和检测电路等供电。

图5所示为本装置撒砂电空阀的控制电路，其由三极管和继电器实现，单片机输出高低电平控制三极管Q4的通断，从而控制继电器JDQ1的开关，继电器再控制电空阀的开关。

图6所示为控制模块中的撒砂信号检测电路，撒沙信号为110V电平信号，通过J7输入到光电隔离芯片6N136，转换为3.3V电平信号通过VO引脚输出到单片机。光电隔离芯片一方面起信号隔离作用，另一方面也起到电平转换的作用。

图7所示为控制模块中的车速信号检测电路，车速信号为两路正交编码脉冲信号，分别由J5、J6输入，经过两路光电隔离芯片输入到单片机的编码器接口。

风压传感器的量程为0～1.6MPa，信号类型为4～20mA，工作范围为0.1～1.6兆帕。

图4所示为控制模块中用于处理风压传感器信号的电路，风压传感器的电流信号为4～20mA，由J1输入，通过150欧姆电阻转换为600～3000mV电压信号，输入到单片机的ADC端口。

本装置撒砂电空阀可以采用机车用常开电空阀。

在现有技术中，机车车头一般具有四个撒砂位置，即左前轮、右前轮、左后轮和右后轮，这就对应有四个砂箱，其中，左前轮和右前轮的砂箱共用一个撒砂电空阀，该部分结构被称为前向撒砂，左后轮和右后轮的砂箱共用另一个撒砂电空阀，该部分结构被称为后向撒砂。同时，撒砂踏板(或撒砂按钮)一般为两个，分别对应前向撒砂和后向撒砂。实际应用中，根据要进行自动控制的撒砂位置，可以将分控箱设置在一个或多个砂箱支路上，也可以将分控箱设置在一个撒砂电空阀干路上，还可以将分控箱分别设置在砂箱支路和撒砂电空阀干路上(如图8所示)，这些实施方式均在本专利的保护范围之内。

如果一个机车车头的控制系统中有多个撒砂位置，且多个撒砂位置处均加装本控制装置，则该控制系统中需要设置多个分控箱，这些分控箱可以共用一个电控箱，但是，电控箱中的撒砂继电器显然应该设置多个，分别对应于每个分控箱。

假设在前向撒砂和后向撒砂的原有撒砂电空阀干路上各设一个分控箱，将机车原有控制系统改造为一种可以同时对前向撒砂和后向撒砂进行自动控制的撒砂控制系统，且该控制系统仅使用一个电控箱，则可将该电控箱的各个接口组织成四个航插接口(分别以1#、2#、3#、4#定义)，各接口的设置方式可以如下定义(下述各表中的机车指SS₄0778号机车)：

表1前进方向撒砂控制 1#航插(4线)

表2后退方向撒砂控制 2#航插(4线)

表33#航插(7线)

表44#航插(5线)

本专利的发明人通过研究发现，理想情况下，撒砂量应与机车速度成一定的比例关系，速度慢时，撒砂量小，速度快时，撒砂量大。同时，发明人通过理论研究和大量的模拟实验发现，在风压一定的情况下，机车电空阀的开启时间与撒砂量基本成正比关系，此外，风压的大小对撒砂量也有一定的影响，通过大量实验可拟合出风压与撒砂量的曲线关系。因此，只要采集机车的车速以及撒砂的风压这两个参数，即可通过控制分控箱撒砂电空阀开启时间的方式来控制机车的撒砂量。

为了实现这种自动控制方式，发明人设计了本发明装置。该装置具有极强的集成性和易用性，对原有机车进行改造时，只需在机车底部加装分控箱，截断原有气路并与分控箱串联，同时将相应的导线与电控箱连接即可。这样，整个改造过程简单易行，这也使得本发明非常便于推广和应用。同时，通过光电隔离电路和断路开关的设计还可以保障本发明与机车原有结构保持相对独立，在必要的时候可以将本发明从整个控制体系中完全切除，而不影响机车原有撒砂控制系统的正常运行。

总之，本发明结构简单，设计巧妙，易于实施，有利于提升现有机车撒砂系统的自动化水平，进而提高机车运行的稳定性和安全性。同时，本发明易于应用，可以方便地对现有机车进行改造升级，因而具有极强的应用前景和经济效益。

需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，或是上述若干方案的组合方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机车撒砂自动控制装置，其特征在于：包括电控箱和分控箱，所述分控箱内设有风压传感器和撒砂电空阀，所述分控箱具有气路入口、气路出口和电路接口，所述撒砂电空阀连接在气路入口和气路出口之间，所述风压传感器设于所述气路入口与撒砂电空阀之间，所述电路接口包括与风压传感器相连的传感器接口以及与撒砂电空阀相连的电空阀接口，所述撒砂电空阀处于常开状态；所述电控箱内设有直流变换器、控制模块和撒砂继电器，所述电控箱具有供电接口、传感器连接接口、电空阀连接接口、车速信号接口、撒砂信号接口，所述直流变换器的输入端与所述供电接口连接，所述直流变换器的输出端分别与控制模块和电空阀连接接口连接，所述撒砂继电器用于控制电空阀连接接口的通断，所述车速信号接口、撒砂信号接口、传感器连接接口以及撒砂继电器的控制端均与所述控制模块连接；所述电空阀接口与所述电空阀连接接口连接，所述传感器接口与所述传感器连接接口连接；所述控制模块用于执行如下程序：

(1)检测撒砂踏板信号；

(2)当收到踏板信号时，通过机车的轴速度传感器获得脉冲信号，脉冲信号由控制模块上的定时器计数并转换为车速v；通过相应分控箱的风压传感器获取风压p；

(3)根据车速与撒砂量的正比关系w＝k×v，计算撒砂量w，其中，k为比例系数；

(4)对相应分控箱的撒砂电空阀输出周期固定的PWM脉冲控制信号，一个周期T中，撒砂电空阀的开启时间为t，撒砂电空阀的关闭时间为T-t；其中：

t₁＝f₁(w，p)，

t₂＝f₂(w，p)，

t₁、t₂为中间参数，f₁和f₂均为关于w和p的二元二次多项式。

2.根据权利要求1所述的机车撒砂自动控制装置，其特征在于：所述电控箱上还设有切除开关，所述切除开关连接在所述撒砂信号接口与所述控制模块之间的电路上。

3.根据权利要求1所述的机车撒砂自动控制装置，其特征在于：所述电控箱上还设有触摸屏，所述触摸屏与所述控制模块连接。

4.根据权利要求1所述的机车撒砂自动控制装置，其特征在于：所述分控箱的电路接口为由传感器接口和电空阀接口共同组成的四芯插口，所述传感器连接接口和电空阀连接接口共同组成一位于电控箱上的四芯航插接口。

5.根据权利要求1所述的机车撒砂自动控制装置，其特征在于：所述车速信号接口与所述控制模块之间，以及所述撒砂信号接口与所述控制模块之间均设有光电隔离电路。

6.根据权利要求1所述的机车撒砂自动控制装置，其特征在于：所述直流变换器的输入电压为110伏，输出电压为24伏，所述控制模块上设有用于将24伏电压转换为5伏电压的电源电路。

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