養(yǎng)路機(jī)械直流電源裝置研制研究

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摘要：文章針對大型養(yǎng)路機(jī)械長途掛運(yùn)安全監(jiān)測的需求，研究將大型養(yǎng)路機(jī)械生活發(fā)電機(jī)組的220V交流電源轉(zhuǎn)換為24V直流電源的裝置。對直流電源裝置進(jìn)行了功能分析、電路設(shè)計(jì)和外形及布局設(shè)計(jì)。現(xiàn)場運(yùn)用表明，研制的直流電源裝置解決了大機(jī)掛運(yùn)途中因蓄電池容量不足導(dǎo)致的視頻、軸溫、運(yùn)行監(jiān)控等無法全程開啟的問題，提高了大機(jī)附掛運(yùn)行安全性。

關(guān)鍵詞：大型養(yǎng)路機(jī)械；直流電源；長途掛運(yùn)；安全監(jiān)控

近年來，大型養(yǎng)路機(jī)械（以下簡稱大機(jī)）運(yùn)用中發(fā)生多次因押運(yùn)人員履職不到位導(dǎo)致的大機(jī)掛運(yùn)安全問題，如何監(jiān)控掛運(yùn)途中設(shè)備狀態(tài)、規(guī)范押運(yùn)人員的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，成為保證大機(jī)長途掛運(yùn)安全的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過在掛運(yùn)途中全程開啟視頻和軸溫監(jiān)控裝置，可對押運(yùn)人員在掛運(yùn)過程中的履職情況進(jìn)行抽查，促使押運(yùn)人員標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，消除大機(jī)掛運(yùn)途中人的不安全因素影響。為了大機(jī)掛運(yùn)途中全程開啟視頻等監(jiān)控裝置，需采用車載24V蓄電池電源為視頻等監(jiān)控裝置供電，但在掛運(yùn)途中需要啟動主發(fā)動機(jī)為蓄電池充電，既增加了燃油消耗成本，也降低了蓄電池的使用壽命，同時(shí)，由于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動液壓系統(tǒng)三聯(lián)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，存在工作裝置誤動作并損壞線路設(shè)備或侵入相鄰鐵路限界的風(fēng)險(xiǎn)，給大機(jī)的長途掛運(yùn)帶來安全隱患。當(dāng)前，大部分大機(jī)上都裝配有220V生活發(fā)電機(jī)組，本文研究將發(fā)電機(jī)組220V交流電源轉(zhuǎn)換為24V直流電源裝置，為大機(jī)視頻監(jiān)控、軸溫監(jiān)控、運(yùn)行監(jiān)控等提供可靠的直流電源。

1功能分析

本裝置研究將大機(jī)生活發(fā)電機(jī)組的220V交流電轉(zhuǎn)換成24V直流電源，并接入原車供電系統(tǒng)，裝置應(yīng)具備以下功能：直流電流監(jiān)控顯示：裝置可顯示實(shí)時(shí)輸出電流值，便于查看裝置主要功能運(yùn)行狀態(tài)，由一個(gè)電流表和一個(gè)分流器組合而成的電流檢測回路，分流器串接在直流輸出回路中，分流器可將流過本身的電流變化轉(zhuǎn)換成電壓變化形式，在電流表內(nèi)部經(jīng)過程序換算成實(shí)際輸出的電流值。電源/充電兩種模式轉(zhuǎn)換：電源工作模式下，裝置給視頻監(jiān)控、軸溫監(jiān)控、運(yùn)行監(jiān)控、作業(yè)機(jī)構(gòu)鎖定裝置等裝置提供電源，保障監(jiān)控裝置能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮途中監(jiān)控功能。充電模式下，在蓄電池電壓過低時(shí)，電源的輸出端，經(jīng)過續(xù)流管到電池端電壓形成電位差向電池供電。當(dāng)電位上升到設(shè)定電池電壓時(shí)，管理檢測板檢測到設(shè)定電壓停止電池充電。直流輸入過低：通過電池監(jiān)控管理板BT輸入端檢測的電壓。如果電壓輸出端電壓過低，面板上的電池過低報(bào)警指示燈為常亮狀態(tài)。過電流保護(hù)：當(dāng)輸出電流超過預(yù)先設(shè)定的某個(gè)數(shù)值時(shí)，保護(hù)裝置啟動，并用時(shí)限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報(bào)警信號。過電壓保：當(dāng)輸出電壓超過額定輸出電壓的120%以上時(shí)，保護(hù)裝置啟動，斷路器跳閘或發(fā)出報(bào)警信號。電池反向充電保護(hù)：輸出回路與蓄電池串接續(xù)流管，由于二極管具有反向截至的作用，從而可保證電池反向充電。為防止操作人員出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，系統(tǒng)應(yīng)具備電池反向充電保護(hù)控制功能，出現(xiàn)電池反接等現(xiàn)象時(shí)啟動保護(hù)控制。過熱保護(hù)功能：當(dāng)直流電源溫度超過某一閾值時(shí)就啟動相應(yīng)的保護(hù)功能。電子器件工作時(shí)都會發(fā)熱，因此大多有過熱保護(hù)，超過相應(yīng)閾值就會啟動保護(hù)。

2電路設(shè)計(jì)

2.1直流電源選型

直流電源裝置電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在電源的選擇，電源的穩(wěn)定性決定了電路穩(wěn)定性，目前常用的電源種類有線性電源和開關(guān)電源，在原理上有很大的不同，在此將線性電源和開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較并根據(jù)比較情況進(jìn)行選型，具體比較如下：開關(guān)電源的原理是輸入端直接將交流電整流變成直流電，在高頻震蕩電路的作用下，用開關(guān)管控電流的通斷，輸出穩(wěn)定的低壓直流電，具有體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化易于工業(yè)化批量安裝的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)，由于逆變電路中會產(chǎn)生高頻電壓，對周圍設(shè)備有一定的干擾，而且需配合穩(wěn)壓電路來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。線性電源的原理是交流電經(jīng)過工頻變壓器整流和濾波形成直流電，再通過穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的低壓電。電路中調(diào)整原件工作在線性狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出波紋小、高頻干擾小的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，線性電源具有體積大、重量大、效率低、發(fā)熱量大的缺點(diǎn)。根據(jù)兩種電源的特點(diǎn)，結(jié)合大機(jī)安裝位置有限、工作條件較為惡劣的實(shí)際情況，選擇了體積更小、散熱更好、效率更高的開關(guān)電源。對市面上現(xiàn)有開關(guān)電源產(chǎn)品進(jìn)行篩選，確定了使用歐姆龍S8SF-G60024-W型直流電源，并在裝置制作、安裝中解決高頻電源干擾的問題。

2.2電路設(shè)計(jì)

要滿足視頻等監(jiān)控裝置電源開啟，至少需要160W的功率輸出，另還需滿足大機(jī)走行、工作裝置鎖定指示回路電源供應(yīng)，查閱DCL-32搗固車型的圖紙，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)鎖定指示回路使用的5A保險(xiǎn)，由此推算鎖定指示回路最大功率應(yīng)為120W，考慮電路線路損耗和直流電源裝置功率轉(zhuǎn)換效率等因素，選取直流電源裝置輸出功率不小于500W。設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖1所示，主要體現(xiàn)如下設(shè)計(jì)思路：（1）在交流電輸入端設(shè)置20A交流斷路器CB1，防止出現(xiàn)短路、過載等燒壞發(fā)電機(jī)、電源模塊；（2）在直流電輸出端設(shè)置30A直流斷路器CB2、CB3，防止負(fù)載過載或短路燒毀直流電源；（3）在直流電源正極輸出端設(shè)置肖特基勢壘二極管D1、D2，用來防止負(fù)載急劇變化（包括負(fù)載啟動、切斷時(shí)）可能會導(dǎo)致輸出電壓降低。防止蓄電池、直流發(fā)電機(jī)供電時(shí)過高的反向電流燒毀24V電源。（4）電路設(shè)計(jì)蓄電池充電開關(guān)S1，采用斷路器限制電流為50A；（5）輸出電路設(shè)計(jì)充電限流電阻R1，電阻參數(shù)為0.5歐姆200W電阻，將最大充電電流限制在20A（蓄電池饋電到18V計(jì)算），防止充電電流過大，造成24V電源模塊輸出保護(hù)而無法正常工作和損壞。電路設(shè)計(jì)雙電源并聯(lián)運(yùn)行功能，兩個(gè)電源可互為備用，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

3電氣箱布局設(shè)計(jì)

考慮到大機(jī)安裝位置和空間有限，為了方便直流電源裝置的安裝、使用和維護(hù)，提高直流電源裝置的抗干擾性，將直流電源和電氣元件布置在同一電氣箱內(nèi)，并優(yōu)化電氣箱布局，在滿足設(shè)計(jì)功能、散熱要求和防水要求的前提下，最終確定電氣箱外形尺寸為356mm×350mm×117.5mm，電氣箱外形及空間布局如圖2、圖3所示。直流電源裝置應(yīng)安裝于大機(jī)駕駛室（或電源）附近合適位置，不影響大機(jī)其他設(shè)備的正常使用。同時(shí)，安裝位置應(yīng)便于人員操作和日常維護(hù)，考慮大機(jī)戶外環(huán)境的復(fù)雜性，盡量安裝在能防止風(fēng)、沙、雪直接侵襲的車體內(nèi)或車體外部的位置，所有電纜線輸出端子應(yīng)密封，防護(hù)灰塵、水以及其他污染物的侵入。以DCL-32車型為例，選擇將直流電源裝置電氣箱采用固定式螺釘安裝，安裝位置位于前駕駛室后方的墻體上、生活發(fā)電機(jī)控制箱（B250）上方，便于接入220V交流輸入電源。安裝位置見圖4。

4結(jié)束語

本文根據(jù)大型養(yǎng)路機(jī)械長途掛運(yùn)安全監(jiān)測對直流電源的需求，對直流電源裝置進(jìn)行了較為全面的功能分析和方案設(shè)計(jì)，裝置選用市面成熟的一線品牌開關(guān)電源，在設(shè)計(jì)中增加保護(hù)及控制電路，使之成為一套結(jié)構(gòu)完整、功能齊全的電源裝置。裝置具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好、抗干擾性強(qiáng)、多模式工作等特點(diǎn)，從2018年12月初開始，該直流電源裝置已裝車應(yīng)用，現(xiàn)場使用效果良好，可在大機(jī)附掛運(yùn)行時(shí)持續(xù)給行車安全監(jiān)測裝備提供電源，有效提高大機(jī)附掛運(yùn)行的安全系數(shù)，進(jìn)一步保障了鐵路運(yùn)輸安全和效率。

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作者：陳其林 單位：中國鐵路廣州局集團(tuán)公司廣州大機(jī)段