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DK-1型电空制动机压力继电器研制龙辉

发表时间：2021/7/9 来源：《基层建设》2021年第12期作者：龙辉

[导读] 针对压力开关引起的均衡风缸回风故障，本文设计了一款压力继电器来代替DK-1型电空制动机的压力开关208和209。压力继电器以单片机为控制核心，通过压力变送器检测均衡风缸的压力

        DK-1型电空制动机压力继电器研制
        龙辉
        中车青岛四方股份工程研究中心山东青岛 266111
        摘要：针对压力开关引起的均衡风缸回风故障，本文设计了一款压力继电器来代替DK-1型电空制动机的压力开关208和209。压力继电器以单片机为控制核心，通过压力变送器检测均衡风缸的压力，以均衡风缸的减压量作为控制判据来判定是否达到压力开关208、209的动作值，当达到减压量时，单片机发送低电平给光电耦合芯片来驱动继电器动作。经测试该压力继电器能够解决由压力开关故障引起的列车管不保压和均衡风缸回风的隐患，增加机车运行的安全性。
        关键词：均衡风缸；压力开关；单片机；继电器
        Design of Pressure Relay for DK-1 Electro-pneumatic Brake
        Long Hui1，Che Jun2，Zhao Zhihong3
        （School of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，Gansu，China）
        Abstract：In view of the air return fault of equalizing reservoir caused by pressure switch，a pressure relay is designed to replace the pressure switches 208 and 209 of DK-1 electro-pneumatic brake.The pressure relay takes the single chip computer as the control core，detects the pressure of the equalizing reservoir through the pressure transmitter，and uses the pressure reduction of the equalizing cylinder as the control criterion to determine whether the action value of the pressure switch 208 and 209 are reached.When the pressure reduction is reached，the single chip computer sends the low level to the optoelectronic coupling chip to drive the relay action.The test results can solve the hidden dangers caused by the failure of pressure switch，such as the failure of train tube to maintain pressure and the return air of air equalizing reservoir.The pressure relay increases the safety of locomotive operation.
        Key Words：equalizing reservoir，pressure switch，single chip computer，relay

        0.引言
        DK-1型电空制动机是20世纪80年代我国自主研制的一种适用于中低速机车的制动机，曾作为我国电力机车的主型制动机，被广泛推广和使用。DK-1型电空制动机多年的运用情况表明，当空气制动阀（俗称小闸）在运转位，电控制动控制器（俗称大闸）减压后回中立位，此时均衡风缸的压力应保持不变。然而，在实际运用过程中，当大闸减压后回中立位时，均衡风缸和列车管均有压力回升的现象。经调查，造成均衡风缸回风的根本原因是有较高压力的风窜入均衡风缸[1]。据不完全统计，均衡风缸回风约占整个制动机系统故障的10.6%。其中因压力开关208和209引起的故障又占绝大多数，严重地影响了机车的运行安全和库停时间[2]。
        DK-1型电空制动机设有压力开关208和209，分别为满足自动控制列车管最大减压量和初制动减压量而设。其作用原理是在机车制动或缓解时，膜板上下气室压力不同，膜板上凸或下凹，从而带动心杆上下移动，进而推动微动开关闭合或断开相应的电路接点，达到控制减压量的目的。
        1.压力开关控制原理
        208和209的差别在于膜板上部的容积不同和心杆的重量不同，因而动作值也不同。由于膜板上部与调压阀55调整后的规定压力空气相沟通，下部与均衡风缸相沟通，当膜板被损或硬心挡圈发生变形时，膜板上部的压缩空气就会窜入膜板下部，造成均衡风缸压力回升。
        值得指出的是，新的压力开关208和209造成均衡风缸回风的现象极少，有故障的压力开关绝大多数是经过检修的。经过分析，发现在更换压力开关膜板时，为取出硬芯挡圈的固定卡环就得借助类似拔轴器的专用工具，使硬芯挡圈与卡环之间产生间隙，方可取出卡环，但这样一来，绝大多数的硬芯挡圈都发生了不同程度的变形，组装时膜板与硬心挡圈之间产生间隙，使膜板上部的压缩空气窜入膜板下部，造成均衡风缸回风。
        均衡风缸的压力为600Kpa时，压力开关209接通110V电压信号送给制动机控制电路，当大闸手柄由运转位置初制动位时，均衡风缸的压力从600Kpa降到580Kpa时，膜板上下产生压力差，膜板下移，带动芯杆下移并脱离微动开关的接触，以断开电路807-827且闭合电路822-800。
        当均衡风缸压力为600Kpa时，压力开关208输出0V电压信号，当均衡风缸压力从600Kpa降到380Kpa时（减压量为190~230Kpa，一般为200KPa），双断点微动开关动作，闭合电路808~800[3]。
        为了避免由压力开关故障引起的均衡风缸回风问题，本文研制了一款高精度的压力继电器来代替压力开关。
        2.系统设计
        高精度压力继电器采用压力变送器单片机控制技术，具有抗振动、抗冲击、防射频电子干扰的能力，具有较高的可靠性、稳定性。通过压力变送器检测均衡风缸的压力，再把压力数据送入单片机控制系统，以均衡风缸的减压量作为控制判据来判定是否达到压力开关208、209的动作值，当达到减压量时，单片机发送低电平给光电耦合芯片来驱动继电器，继电器触点动作，从而接通原先由双断点微动开关控制的电路。每台机车只需要一套高精度压力继电器，分别替代压力开关208和209。
        2.1硬件设计
        系统包括电源模块、信号输入模块、单片机信号处理模块、信号输出模块和显示模块。通过压力变送器检测均衡风缸的压力，然后经A/D转换模块后输入单片机并显示，最后经比较后得出是否需要通断对应电路。总体框图如下：

        图1 系统总体方案图
        压力变送器采集精度为0.1%FS，考虑到均衡风缸压力不会超过1000Kpa，故压力变送器量程为0~1000KPa，其输出为0~5V的模拟电压信号。
        由于单片机无法直接驱动继电器，所以先由单片机发送低电平给光电耦合芯片TPL521-2来驱动中间继电器HK3FF-DC5V-SHG，再由中间继电器驱动执行继电器来通断电路。驱动电路如下：

        图2 驱动电路原理图
        图中，REL1和REL2是中间继电器HK3FF-DC5V-SHG，在线圈外并接一个二极管起续流作用，防止烧坏光耦芯片中的三极管。Rel208和Rel209是执行继电器的接线端子，Rel208中“3”是公共触点接线端子，接“3”和“1”是常开状态；接“3”和“2”是常闭状态。Rel209亦如是。
        2.2软件设计
        以单片机为核心设计控制系统时，编程语言多采用C语言，本设计通过在Keil uVision5中编写C语言程序，再与Proteus中电路图联调来仿真系统主要功能。程序主要包括A/D转换子程序、LCD12864显示子程序、继电器驱动子程序。软件流程图如下所示：

        图3 软件整体流程图
        2.3系统功能测试
        经过Altium Designer17制图后，生成该系统PCB图，见图4，经过测试能够实现预期功能，实物测试图如图5。

图4 系统电路PCB图

        图5 实物测试图
        结束语
        据呼和浩特局包头西机务段近三年的统计，DK-1型电空制动机在大闸制动后中立位不保压的故障在各季度均有发生，可见该制动机故障已不是北方冬天低温环境下的季节性故障，而是DK-1型制动机质量性能强弱的综合性故障[4]。欲彻底解决该故障需要从均衡风缸、制动管管系漏泄，制动阀件和制动电气件故障，制动控制电路接点不良，司机不规范操作等方面共同改进。
        本文设计了一种高精度的压力继电器来代替原先存在的压力开关208和209，以机电开关代替机械开关，避免了压力开关检修时由于更换膜板而产生的间隙。机电开关维护和检修方便，只需要检查相应电器元件和传感器。该系统采用微型单片机控制技术，具有较高的稳定性和可靠性，经过测试能够解决由压力开关故障引起的列车管不保压和均衡风缸回风的隐患，在一定程度上增强了机车行车安全并减轻了检修工人的劳动强度。
        参考文献：
        [1]陈文应.SS4型机车制动机均衡风缸回风现象的故障判断和处理[J].铁道机车车辆，2005（01）：67.
        [2]张亚雄.DK-1型电空制动机208、209压力开关存在的问题和改进措施[J].机车电传动，1991（05）：39+42.
        [3]李益民.电力机车制动机[M].北京：中国铁道出版，2008：66-67
        [4]武瑞成.DK-1型制动机大闸制动后中立位不保压原因解析及预防[J].内蒙古科技与经济，2018（15）：92-94.