CN110816559B - 一种具有撒砂功能的机车车头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有撒砂功能的机车车头，属于铁路机车技术领域。其包括机车电源、轴速度传感器、总风缸、前向撒砂开关、后向撒砂开关、前向撒砂结构和后向撒砂结构，还包括一个电控箱以及设于两条气压总管上的各一个分控箱，分控箱内设有风压传感器和第二撒砂电空阀，电控箱内设有直流变换器、控制模块和两个分别对应于一个分控箱的撒砂继电器。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，使用本发明易于对现有机车进行改造升级，具有极强的应用前景和经济效益。

Description

一种具有撒砂功能的机车车头

技术领域

本发明涉及一种具有撒砂功能的机车车头，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，本发明提出一种具有撒砂功能的机车车头，可以实现对撒砂过程的自动控制。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有撒砂功能的机车车头，包括机车电源、轴速度传感器、总风缸、前向撒砂开关、后向撒砂开关、前向撒砂结构和后向撒砂结构，所述前向撒砂结构和后向撒砂结构均包括一条气压总管和两条撒砂支路，所述气压总管上设有受相应撒砂开关控制的第一撒砂电空阀，所述撒砂支路上设有砂箱和设于砂箱上的撒砂阀，所述撒砂阀进口与所述总风缸连通，所述撒砂阀出口引出有撒砂管；还包括一个电控箱以及设于两条气压总管上的各一个分控箱，所述分控箱内设有风压传感器和第二撒砂电空阀，所述分控箱具有气路入口、气路出口和电路接口，所述风压传感器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第二撒砂电空阀之间，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第二撒砂电空阀相连的电空阀接口，所述第二撒砂电空阀处于常开状态；所述电控箱内设有直流变换器、控制模块和两个分别对应于一个分控箱的撒砂继电器，所述电控箱具有供电接口、对应于每个分控箱的各一个传感器连接接口、对应于每个分控箱的各一个电空阀连接接口、车速信号接口以及对应于每个撒砂开关的各一个撒砂信号接口，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相应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；所述电空阀连接接口与对应分控箱的电空阀接口连接，所述传感器连接接口与对应分控箱的传感器接口连接，所述分控箱通过气路入口和气路出口串联在对应的气压总管上，所述供电接口与所述机车电源连接，所述车速信号接口与所述轴速度传感器连接，所述撒砂信号接口与对应的撒砂开关连接；所述控制模块用于执行如下程序：

(1)检测相应撒砂开关的撒砂信号；

(2)当收到撒砂信号时，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)对相应分控箱的第二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，第二撒砂电空阀的开启时间为t，第二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，对应于同一分控箱的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、本发明不改变机车原有的撒砂控制方式，而是在原有撒砂控制结构的基础上增加了自动控制结构，自动控制结构与原有的撒砂控制结构呈串联关系。这样，既有利于对现有机车进行改造升级，又可以保留机车的原有撒砂功能。尤其是在自动控制系统出现故障时，由于两者呈串联关系且第二撒砂电空阀处于常开状态，因此原有的撒砂控制系统还可以正常使用。

2、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，即可通过控制第二电空阀开启时间的方式来控制机车的撒砂量。由此，发明人设计出本发明的具体结构。通过在控制模块中编制适当的程序，即可实现撒砂量的自动控制。

3、本发明将机车自动撒砂部分的控制结构集成为电控箱和分控箱，这种结构非常紧凑，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。

4、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，将本发明中相对于现有技术的附加部分完全切除，从而恢复机车原有的撒砂控制结构。

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，本发明可以通过对现有机车进行改造升级的方式来实现，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为本发明实施例中机车撒砂控制结构的一种结构框图；

图2为本发明实施例中电控箱与分控箱的结构框图；

图3～7是本发明实施例中的若干电路结构示意图；

图8为本发明实施例中分控箱的一种结构示意图。

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。

一种具有撒砂功能的机车车头，该车头的撒砂控制结构如图1所示，自控部分结构如图2所示，分控箱如图8所示。该车头包括机车电源、轴速度传感器、总风缸、前向撒砂开关、后向撒砂开关、前向撒砂结构和后向撒砂结构，所述前向撒砂结构和后向撒砂结构均包括一条气压总管和两条撒砂支路，所述气压总管上设有受相应撒砂开关控制的第一撒砂电空阀，所述撒砂支路上设有砂箱和设于砂箱上的撒砂阀，所述撒砂阀进口与所述总风缸连通，所述撒砂阀出口引出有撒砂管；还包括一个电控箱以及设于两条气压总管上的各一个分控箱，所述分控箱包括箱体1以及设于箱体1内的风压传感器4和第二撒砂电空阀3，所述分控箱具有气路入口21、气路出口22和电路接口11，所述风压传感器4连接在气路入口21和气路出口22之间，所述风压传感器4设于所述气路入口21与第二撒砂电空阀3之间，所述电路接口11包括与风压传感器相连(通过线路40)的传感器接口以及与第二撒砂电空阀相连(通过线路30)的电空阀接口，所述第二撒砂电空阀处于常开状态；所述电控箱内设有直流变换器、控制模块和两个分别对应于一个分控箱的撒砂继电器，所述电控箱具有供电接口、对应于每个分控箱的各一个传感器连接接口、对应于每个分控箱的各一个电空阀连接接口、车速信号接口以及对应于每个撒砂开关的各一个撒砂信号接口，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相应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；所述电空阀接口与对应分控箱的电空阀连接接口连接，所述传感器接口与对应分控箱的传感器连接接口连接，所述分控箱通过气路入口和气路出口串联在对应的气压总管上，所述供电接口与所述机车电源连接，所述车速信号接口与所述轴速度传感器连接，所述撒砂信号接口与对应的撒砂开关连接。

需要说明的是，机车车头本身为现有技术，且现有的机车上也具有撒砂控制结构，本例的改进不是对车头结构的显著改进，而是在现有机车车头上加装了分控箱和电控箱。其中，分控箱直接固定在车底，并以串联方式连接在相应气压总管上(气压总管本来就暴露在车底)，电控箱则放置在车内，电控箱与分控箱之间以线缆连接，同时电控箱的相应接口还与车头本身的若干接口连接。这里，无论是连接线路的走线方式、管路的连接方式，还是分控箱的固定方式，均为本领域技术人员的公知常识，没有任何特别之处。因此，即使本专利不给出机车车头的结构示意图，也不影响本专利的公开充分性。

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(以前向撒砂信号为例，后向撒砂类同)：

(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)对相应管路的第二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，第二撒砂电空阀的开启时间为t，则第二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，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，当自控部分发生故障，或者不需要自动撒砂控制时，可以通过断开切除开关的方式将自控部分从整个撒砂控制系统中切除。由于第二撒砂电空阀处于常开状态，因此，切除自控部分后，机车的撒砂气路仅受第一撒砂电空阀的控制，可见自控部分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，对应于同一分控箱的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。类似的，电控箱的其他接口也都可以组织成航插接口。

具体来说，可将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)

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，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。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。

第一撒砂电空阀和第二撒砂电空阀均可采用机车用电空阀。

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，使用本发明易于对现有机车进行改造升级，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)

1.一种具有撒砂功能的机车车头，包括机车电源、轴速度传感器、总风缸、前向撒砂开关、后向撒砂开关、前向撒砂结构和后向撒砂结构，所述前向撒砂结构和后向撒砂结构均包括一条气压总管和两条撒砂支路，所述气压总管上设有受相应撒砂开关控制的第一撒砂电空阀，所述撒砂支路上设有砂箱和设于砂箱上的撒砂阀，所述撒砂阀进口与所述总风缸连通，所述撒砂阀出口引出有撒砂管；其特征在于：还包括一个电控箱以及设于两条气压总管上的各一个分控箱，所述分控箱内设有风压传感器和第二撒砂电空阀，所述分控箱具有气路入口、气路出口和电路接口，所述第二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第二撒砂电空阀之间，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第二撒砂电空阀相连的电空阀接口，所述第二撒砂电空阀处于常开状态；所述电控箱内设有直流变换器、控制模块和两个分别对应于一个分控箱的撒砂继电器，所述电控箱具有供电接口、对应于每个分控箱的各一个传感器连接接口、对应于每个分控箱的各一个电空阀连接接口、车速信号接口以及对应于每个撒砂开关的各一个撒砂信号接口，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相应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；所述电空阀连接接口与对应分控箱的电空阀接口连接，所述传感器连接接口与对应分控箱的传感器接口连接，所述分控箱通过气路入口和气路出口串联在对应的气压总管上，所述供电接口与所述机车电源连接，所述车速信号接口与所述轴速度传感器连接，所述撒砂信号接口与对应的撒砂开关连接；所述控制模块用于执行如下程序：

(1)检测相应撒砂开关的撒砂信号；

(2)当收到撒砂信号时，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)对相应分控箱的第二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，第二撒砂电空阀的开启时间为t，第二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所述的具有撒砂功能的机车车头，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所述的具有撒砂功能的机车车头，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所述的具有撒砂功能的机车车头，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，对应于同一分控箱的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所述的具有撒砂功能的机车车头，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所述的具有撒砂功能的机车车头，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。

Images