DF4B型機車ZY2000轉(zhuǎn)速失控原因分析及對策

梁成

（南寧鐵路局南寧機務(wù)段玉林機務(wù)區(qū)，工程師，廣西 玉林 537001）

為了節(jié)能降耗，南寧鐵路局自2006年四季度起，所有大修的DF4B型機車均加裝武漢正遠公司生產(chǎn)的改進型ZY2000微機控制系統(tǒng)（簡稱ZY2000）。其主要功能是恒功率控制、柴油機轉(zhuǎn)速控制、自動過渡、輔發(fā)電壓調(diào)整等。裝用該系統(tǒng)后，南寧機務(wù)段有大量機車在運行途中出現(xiàn)柴油機轉(zhuǎn)速失控故障，而機車回段后大部分故障現(xiàn)象消失。這類故障判斷處理難、費時多，且不易根除。機車在運行途中出現(xiàn)此類故障，易造成列車超速，嚴重影響行車安全。因此，必須分析原因，制定對策，排除隱患。

1 原因分析

對多臺發(fā)生過柴油機轉(zhuǎn)速失控故障的機車，進行了長期的跟蹤。2008年6月24日，發(fā)現(xiàn)DF4B型3207機車存在轉(zhuǎn)速自動上升現(xiàn)象。測量I端司機控制器（簡稱司控器）7號觸頭未閉合時，正端對負端回路絕緣電阻在0.05～0.1 MΩ間波動，確認故障為司控器引起。將該司控器拿到未裝ZY2000的機車試驗，未見類似故障發(fā)生。清理司控器插座上的積塵后，其絕緣電阻上升到20 MΩ。此后，2個月內(nèi)先后發(fā)現(xiàn)了9臺機車是因司控器插座臟絕緣降低，2臺機車是因轉(zhuǎn)速控制電線路及控制電路絕緣低造成轉(zhuǎn)速失控故障。故障現(xiàn)象為轉(zhuǎn)速自動上升或不能下降。故障機車轉(zhuǎn)速控制電線路對負端的絕緣電阻在0.05～0.25 MΩ間。而在同樣的使用環(huán)境，原車使用的14Q2型無級驅(qū)動器無該故障發(fā)生。通過進一步的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該故障主要有以下幾方面原因。

1.1 ZY2000對絕緣的要求過高 鐵道部《東風4B型內(nèi)燃機車段修規(guī)程》3.7.1.8條規(guī)定：段修機車輔助電線路對地絕緣電阻不得低于0.25 MΩ，在絕對濕度超過16 g/m3或有緩霜條件下，絕緣電阻不得低于0.1 MΩ。在南方春夏季天氣不良的狀況下，機務(wù)段不少運用機車輔助電線路絕緣電阻低于上述要求，部分機車在運用中柴油機轉(zhuǎn)速控制電線路對負端的絕緣電阻下降到0.05～0.25 MΩ間。通過測試計算可得出，ZY2000轉(zhuǎn)速控制電路能正常工作的條件是，柴油機轉(zhuǎn)速控制電線路對負端的絕緣電阻大于0.254 MΩ。而機車原有14Q2型無級驅(qū)動器，只有當轉(zhuǎn)速控制電線路對負端的絕緣電阻下降到0.006 MΩ以下時，才會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速失控故障。這說明ZY2000對轉(zhuǎn)速控制電線路的絕緣要求，不僅高于部頒段修交車限度，高于運用機車實際工況，而且也遠高于14Q2型無級驅(qū)動器的對電線路的絕緣要求。

ZY2000對絕緣的要求可通過下述計算求得。圖1是改進型ZY2000轉(zhuǎn)速控制信號取樣電路原理圖。其中，限流電阻R45、R46電阻值均為110 kΩ；穩(wěn)壓二極管WD4、WD5的穩(wěn)壓值UWD=30 V；光電耦合器OPT4、OPT5型號為P627，其正向壓降為UF；D24、D25為硅二極管，其正向壓降為UD；信號取樣電壓為110 V。因司控器7，8號觸頭信號取樣電路完全一樣，下面以7號觸頭信號取樣電路為例，求導(dǎo)致ZY2000轉(zhuǎn)速失控的轉(zhuǎn)速控制電線路對負端的最大絕緣電阻Rmax。Rmax相當于在轉(zhuǎn)速控制電線路對負端串聯(lián)的1個電阻。

由圖1可列出下式：單片機認為司控器7（或8）號觸頭已導(dǎo)通的最小光電耦合器輸入電流

控制板制成后，Imin不受機車電路參數(shù)影響，固定不變。經(jīng)測試可知Imin=0.22 mA。因UF、UD值較小，可忽略不計。

由（1）式可得Rmax=（110 V-UWD）/Imin-R45=（110 V-30 V）/0.22 mA-110 kΩ≈254 kΩ=0.254 MΩ。

上述計算結(jié)果表明，當機車柴油機轉(zhuǎn)速控制7（或8）號觸頭電線路對負端的絕緣電阻≤0.254 MΩ時，不管司控器7（或8）號觸頭是否閉合導(dǎo)通，ZY2000單片機均認為其已導(dǎo)通，從而發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制指令，因此導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失控故障產(chǎn)生。

1.2 司控器易積灰塵而降低絕緣 由于部分司控器手柄簧片加油脂較多，導(dǎo)致油脂通過手柄定位輪帶到插座上，致使插座觸片被油污染，灰塵雜質(zhì)便易粘附其上。如又在潮濕空氣中，插座觸片氧化產(chǎn)生的銅氧化物混合粘附在插座觸片間，更降低了插座觸片間的絕緣。連接7號觸頭正端的插座觸片與負端插座觸片剛好相鄰，插座觸片間距不大于2 mm，且插座接線端朝上，易積聚灰塵。當環(huán)境濕度增大時，灰塵所含水分增加。這些因素均導(dǎo)致了司控器觸頭尤其是7號觸頭對負端產(chǎn)生絕緣降低的現(xiàn)象。但現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示，該情況大多數(shù)不會導(dǎo)致其完全短路。一般絕緣電阻最低只降到0.05～0.1MΩ間，而且隨著天氣好轉(zhuǎn)，環(huán)境濕度下降，絕緣會自然回升，當其絕緣值回升到0.254 MΩ以上時，ZY2000就無產(chǎn)生上述故障的條件。這就是機車該故障在雨后增多，回段后大多消失的原因。

1.3 部分機車電線路絕緣值低 抽檢玉林機務(wù)區(qū)2008年上半年小修交驗的44臺機車絕緣統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：輔助電線路對地絕緣電阻在0.25～0.5 MΩ間的占54.5%，其中絕緣電阻在0.25～0.3 MΩ間的占27.3%。這些數(shù)據(jù)接近段修正常交車的最低標準0.25 MΩ，同時表明機務(wù)段部分機車在春夏季輔助電路對地絕緣電阻僅能滿足部頒最低要求。機車運用時遇雨天進水或緩霜條件下，絕緣電阻還會進一步下降。若柴油機轉(zhuǎn)速控制電線路對地絕緣電阻也下降，則會通過車體經(jīng)控制、照明電路到負端形成回路，導(dǎo)致柴油機轉(zhuǎn)速控制電線路對負端絕緣電阻降低。

2 解決措施

要解決上述問題，必須從提高ZY2000抗干擾能力和改善ZY2000工作環(huán)境2方面尋找辦法。

2.1 降低信號取樣電壓 要解決ZY2000對機車轉(zhuǎn)速控制電線路絕緣要求過高的問題，必須對ZY2000信號取樣電路進行改進，降低信號取樣電壓。根據(jù)機車絕緣狀況的實測數(shù)據(jù)，只有將轉(zhuǎn)速控制電線路對負端的絕緣要求降到0.05 MΩ以下，才能徹底消除環(huán)境干擾，滿足機車的正常運用要求。

具體可采取如圖2所示方案：將信號取樣電壓由110 V降為5 V。光電耦合器輸入工作電流仍然采用原設(shè)計值，其原設(shè)計值IF=（110 V-UWD）/R45，由此求得IF≈0.73 mA。

現(xiàn)以對7號觸頭電路的改進為例（8號觸頭電路改進與此相同），說明實施上述方案的步驟：

1）將WD4更換為限流電阻R451。將控制板上的WD4更換為限流電阻R451。R451的阻值可通過下式計算求得：R451=（5 V-UF-UD）／IF。因信號取樣電壓較低，故不能忽略UD及UF。因為此處電流較小，所以UD≈0.6 V。查光電耦合器P627特性參數(shù)可知，當IF=0.73 mA時UF≈1.0 V。因此R451=（5-1.0-0.6）V／0.73 mA≈4.7 kΩ。根據(jù)其功耗，R451可選用1／4W，4.7 kΩ電阻。

2）改變R45電阻值。新選用的電阻R45=（77-5）V／1mA=72 kΩ。式中的77 V是ZY2000最低工作電壓，1mA為77 V時流經(jīng)R45的電流。因光電耦合器輸入電流IF=0.73 mA，設(shè)計的流經(jīng)電阻R45的電流必須大于IF，5 V信號采樣電壓才能穩(wěn)定，所以取77 V時流經(jīng)R45的電流為1 mA。根據(jù)其功耗和現(xiàn)貨型號，R45可選用1/2 W，75 kΩ電阻。

3）增加1個穩(wěn)壓二極管。在R45與R451之間對負端增加1個5 V的穩(wěn)壓二極管WD1。其接法如圖2所示，型號可選用1N4733。

因沒有對光電耦合器后級電路進行改動，Imin值沒有變化，所以經(jīng)上述改進后，Rmax=（5 V-UF-UD）／Imin-R451=（5-1.0-0.6）V/0.22 mA-4.7 kΩ≈10.8 kΩ=0.010 8 MΩ。因Rmax<0.05 MΩ，因此可滿足機車的實際工況要求。

該方案不改變光電耦合器的輸入工作電流，既保證了后級電路工作穩(wěn)定，又可顯著降低ZY2000對柴油機轉(zhuǎn)速控制電線路的絕緣要求，提高了電路工作的抗干擾能力，因此是較理想的方案。

2.2 改進司控器檢修工藝 為了避免司控器絕緣電阻下降，在機車小輔修時，要對司控器插座進行清掃；在配件檢修時，司控器主手柄彈簧、簧片、傳動齒輪不能加油太多，以避免油脂污染插座；檢修交驗要檢查觸頭在斷開時正觸頭對負端的絕緣值，以及時發(fā)現(xiàn)處理絕緣不良處所。

2.3 修改小輔修范圍 原小修范圍沒有對柴油機轉(zhuǎn)速控制電線路進行絕緣檢查的內(nèi)容，因而不能及時排除隱患。為此，應(yīng)在機車小輔范圍增加柴油機轉(zhuǎn)速控制電線路對負端以及對地的絕緣檢查內(nèi)容。檢查絕緣的具體做法是，司控器手柄在“0”位時，檢查X7/15和X7/16接線柱之間，及其對X7/20接線柱和對地的絕緣值，及時處理不良處所。

3 結(jié)束語

由于裝用ZY2000的機車轉(zhuǎn)速失控故障率較高，南寧機務(wù)段首先實施了2.2和2.3所述措施，故障率有所下降，但無法根除。2009年3月，機務(wù)段開始按2.1方案對ZY2000控制板進行改造，到8月底，段承修機車已全部改造完畢。改造過的機車未再發(fā)生轉(zhuǎn)速失控故障，取得了預(yù)期效果。希望ZY2000生產(chǎn)廠家能對產(chǎn)品進行改進，以徹底消除故障根源。