光電式司機(jī)主控制器的應(yīng)用和優(yōu)化

王剛　張現(xiàn)鋒

摘 要：光電式司機(jī)主控制器（以下簡稱司控器）成功應(yīng)用在某型動車組中，相比傳統(tǒng)微動開關(guān)式司控器具有體積小、電氣/機(jī)械接口簡單、壽命長、可靠性高等特點(diǎn)。我們根據(jù)國內(nèi)應(yīng)用特點(diǎn)對原進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化，使之降低了故障率，提高了可靠性，并進(jìn)行再創(chuàng)新設(shè)計，成功實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

關(guān)鍵詞：光電式；司機(jī)主控制器；優(yōu)化設(shè)計；國產(chǎn)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.193

0 引言及現(xiàn)狀

司控器是司機(jī)操縱列車的主要部件，司機(jī)通過操縱司控器來實(shí)現(xiàn)車輛的加速、減速、制動等動作，須具有高可靠性、動作迅速準(zhǔn)確、操作簡單方便等特點(diǎn)。近十幾年來，伴隨著電子技術(shù)在機(jī)車車輛領(lǐng)域的應(yīng)用，司控器逐漸拋棄了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和分立式電子器件而變得體積越來越小，功能越來越強(qiáng)大，性能越來越可靠。特別是使用光電編碼器作為編碼發(fā)生器的司控器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)車車輛、船舶、工程車輛、軍工、航天等領(lǐng)域。

1 在動車組中的應(yīng)用

在國產(chǎn)某型動車組上就使用了這種以光電編碼器作為編碼發(fā)生器的司控器。同其它動車組相比，該型司控器具有體積更小、安裝更方便、機(jī)械/電氣接口簡單、可靠性高、操作方便、維護(hù)周期長、全數(shù)字量輸出等特點(diǎn)，代表了司機(jī)主控制器的發(fā)展方向，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了用戶的好評。是國內(nèi)同類型動車中較先進(jìn)的產(chǎn)品。其具體工作過程大略為：司機(jī)通過板動司控器手柄發(fā)出操作指令，司控器內(nèi)部的光電編碼器將此指令發(fā)送給列車控制管理系統(tǒng)（TCMS），列車管理系統(tǒng)通過一系列的編碼、譯碼、計算、再編碼、再譯碼等過程將信息指令發(fā)送給相應(yīng)的系統(tǒng)去執(zhí)行，如圖1所示。由于列車控制管理系統(tǒng)是由運(yùn)算速度極快的計算機(jī)組成，從控制指令發(fā)出到列車根據(jù)指令動作在極短的時間即可完成，幾乎感覺不到控制延遲。

圖2中的選擇按鈕是一個半鎖按鈕，具有安全選擇性。由于制動是安全性操作，故實(shí)施制動時不需要按下此按鈕，直接后拉操縱桿即可實(shí)現(xiàn)制動操作；在實(shí)施列車驅(qū)動指令時，必須按下此按鈕方可前推來實(shí)施驅(qū)動指令。這種設(shè)計即防止了誤操作又提高了安全性。1）操作手柄：外層是橡膠套，考慮了人機(jī)工程，具有較高的操作舒適性；2）操作指示牌：印有加速位、保持位、減速位、零位、7級制動位、緊急制動位。

從圖3可以看出，其主要設(shè)計結(jié)構(gòu)為：1）一套凸輪機(jī)構(gòu)來傳動；2）雙光電編碼器，一般情況時同時有效，緊急情況時互為冗余備份；3）緊急安全回路，采用單獨(dú)設(shè)計，機(jī)械觸發(fā)結(jié)構(gòu)。

由于司控器的位置限制，最大操作角度設(shè)計在720。根據(jù)操作的不同要求在不同的級位設(shè)計了不同的操作角跨度。如在3級加速位和緊急位設(shè)計了60 的跨度，而在保持位設(shè)計了40 的跨度。

綜合司控器手柄操作順序，使用了4位格雷碼傳輸司機(jī)操作意圖。格雷碼與手柄級位的對應(yīng)關(guān)系如圖4。

此種編碼方式，在每次操作時，僅有一位編碼變化。避免了由于輸出的變化而產(chǎn)生較大的電流變化沖擊，從而降低了對TCMS硬件AD模塊的沖擊。（TCMS：列車控制管理系統(tǒng)；AD：輸入輸出模塊）。

2 緊急回路故障分析、解決、設(shè)計優(yōu)化

緊急回路是指在列車緊急情況時（例如火災(zāi)），將司控器手柄置于緊急位置，列車將觸發(fā)緊急斷開安全環(huán)，切除牽引，施加緊急制動。當(dāng)司控器處于緊急位時，主控手柄將按圖4輸出編碼至列控系統(tǒng)，同時主控手柄的緊急回路觸點(diǎn)動作如圖3。在實(shí)際應(yīng)用中，此型動車組多次出現(xiàn)緊急觸點(diǎn)燒毀事故，當(dāng)緊急觸點(diǎn)燒毀后列車始終處于緊急制動狀態(tài)，無法緩解，只能救援，嚴(yán)重影響了行車秩序； 而原型車從未發(fā)生過此類情況，我們對此進(jìn)行類調(diào)查和分析：

（1）緊急回路分析：每車都有一個緊急繼電器，與其它車的緊急繼電器并聯(lián)在一起，與主控手柄緊急觸點(diǎn)關(guān)聯(lián)在一起形成緊急回路。長編組列車共有16個緊急繼電器。

（2）故障分析及原因判斷：1）在16輛編組中，電纜總長度超過1KM，而國外原型車從未有過8輛甚至16輛編組，最多是6輛編組；2）線路中感性特征明顯，并且由于線路長導(dǎo)致分布在各車上緊急繼電器動作不同步，延遲現(xiàn)象明顯；3）電路時間常數(shù)應(yīng)在15以上；4）觸點(diǎn)無滅弧裝置。

故障原因是：在緊急回路中存在較大感性特征，當(dāng)常閉點(diǎn)斷開時動靜觸點(diǎn)之間放電拉弧，多次累加后觸點(diǎn)到達(dá)壽命極限而最終被燒毀。

（3）設(shè)計優(yōu)化：提高電路的滅弧能力或者是改變電路整體的感性特征是解決此問題的關(guān)鍵，主要有如下幾種方法：1）在電路中并聯(lián)RC吸收；2）強(qiáng)化滅弧能力；3）采用無觸點(diǎn)開關(guān)。

由于RC吸收式電路容易引起開關(guān)延時，不能用于此安全回路；而若采用無觸點(diǎn)開關(guān)將涉及大量物理和電氣接口改動，費(fèi)效比較差，因此首選采用帶滅護(hù)罩開關(guān)來替代原設(shè)計開關(guān)。最終我們以沙爾特堡S800型開關(guān)（帶磁吹滅護(hù)罩）替換原有型號進(jìn)行升級改造。試驗(yàn)和運(yùn)用情況表明效果顯著，自改造6年以來，無故障最長單列運(yùn)營里程超過240萬公里，型號無故障總運(yùn)營里程超過3億公里。

3 結(jié)束語

司控器作為高鐵關(guān)鍵配套技術(shù)之一，我們深知對列車安全和高效運(yùn)營的重要意義。經(jīng)過在國內(nèi)12年的實(shí)際運(yùn)用，特別是經(jīng)過國內(nèi)適應(yīng)性優(yōu)化后，證明光電式司控器適應(yīng)我國高速鐵路的實(shí)際情況，為此型動車組贏得良好的用戶口碑做出了貢獻(xiàn)。其優(yōu)良的運(yùn)營業(yè)績得到了路內(nèi)專家的好評，并推薦為我國標(biāo)準(zhǔn)動車組的定型設(shè)計。