大型養(yǎng)路機械直流電源裝置研制

陳其林

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

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

中圖分類號：U273.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0088-03

Abstract： In order to meet the demand of long-distance transportation safety monitoring of large-track road maintenance machinery， this paper studies the device of converting 220V AC power supply to 24V DC power supply of large-track road maintenance machinery. The function analysis， circuit design， shape and layout design of the DC power supply device are carried out. The field application shows that the developed DC power supply device solves the problems of video， shaft temperature， operation monitoring and other problems caused by the lack of battery capacity during the operation of the mainframe， and improves the safety of the attached operation of the mainframe.

Keywords： large-track road maintenance machinery; DC power supply; long-distance transportation; safety monitoring

近年來，大型養(yǎng)路機械（以下簡稱大機）運用中發(fā)生多次因押運人員履職不到位導(dǎo)致的大機掛運安全問題，如何監(jiān)控掛運途中設(shè)備狀態(tài)、規(guī)范押運人員的標準化作業(yè)，成為保證大機長途掛運安全的重點和難點。通過在掛運途中全程開啟視頻和軸溫監(jiān)控裝置，可對押運人員在掛運過程中的履職情況進行抽查，促使押運人員標準化作業(yè)，消除大機掛運途中人的不安全因素影響。

為了大機掛運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，但在掛運途中需要啟動主發(fā)動機為蓄電池充電，既增加了燃油消耗成本，也降低了蓄電池的使用壽命，同時，由于發(fā)動機運轉(zhuǎn)帶動液壓系統(tǒng)三聯(lián)泵運轉(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險，給大機的長途掛運帶來安全隱患。當前，大部分大機上都裝配有220V生活發(fā)電機組，本文研究將發(fā)電機組220V交流電源轉(zhuǎn)換為24V直流電源裝置，為大機視頻監(jiān)控、軸溫監(jiān)控、運行監(jiān)控等提供可靠的直流電源。

1 功能分析

本裝置研究將大機生活發(fā)電機組的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：裝置可顯示實時輸出電流值，便于查看裝置主要功能運行狀態(tài)，由一個電流表和一個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、運行監(jiān)控、作業(yè)機構(gòu)鎖定裝置等裝置提供電源，保障監(jiān)控裝置能正常運轉(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，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。當電位上升到設(shè)定電池電壓時，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警指示燈為常亮狀態(tài)。

過電流保護：當輸出電流超過預(yù)先設(shè)定的某個數(shù)值時，保護裝置啟動，并用時限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報警信號。

過電壓保：當輸出電壓超過額定輸出電壓的120%以上時，保護裝置啟動，斷路器跳閘或發(fā)出報警信號。

電池反向充電保護：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)接線錯誤，系統(tǒng)應(yīng)具備電池反向充電保護控制功能，出現(xiàn)電池反接等現(xiàn)象時啟動保護控制。

過熱保護功能：當直流電源溫度超過某一閾值時就啟動相應(yīng)的保護功能。電子器件工作時都會發(fā)熱，因此大多有過熱保護，超過相應(yīng)閾值就會啟動保護。

2 電路設(shè)計

2.1 直流電源選型

直流電源裝置電路設(shè)計的關(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)缺點進行比較并根據(jù)比較情況進行選型，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、輸出電壓范圍寬、模塊化易于工業(yè)化批量安裝的優(yōu)點。但同時，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，但同時，線性電源具有體積大、重量大、效率低、發(fā)熱量大的缺點。

根據(jù)兩種電源的特點，結(jié)合大機安裝位置有限、工作條件較為惡劣的實際情況，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

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，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)計的電路原理圖如圖1所示，主要體現(xiàn)如下設(shè)計思路：（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、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，用來防止負載急劇變化（包括負載啟動、切斷時）可能會導(dǎo)致輸出電壓降低。防止蓄電池、直流發(fā)電機供電時過高的反向電流燒毀24V電源。（4）電路設(shè)計蓄電池充電開關(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計算），防止充電電流過大，造成24V電源模塊輸出保護而無法正常工作和損壞。電路設(shè)計雙電源并聯(lián)運行功能，兩個電源可互為備用，提高系統(tǒng)運行可靠性。

3 電氣箱布局設(shè)計

考慮到大機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，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)安裝于大機駕駛室（或電源）附近合適位置，不影響大機其他設(shè)備的正常使用。同時，安裝位置應(yīng)便于人員操作和日常維護，考慮大機戶外環(huán)境的復(fù)雜性，盡量安裝在能防止風、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)路機械長途掛運安全監(jiān)測對直流電源的需求，對直流電源裝置進行了較為全面的功能分析和方案設(shè)計，裝置選用市面成熟的一線品牌開關(guān)電源，在設(shè)計中增加保護及控制電路，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、多模式工作等特點，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，可在大機附掛運行時持續(xù)給行車安全監(jiān)測裝備提供電源，有效提高大機附掛運行的安全系數(shù)，進一步保障了鐵路運輸安全和效率。

參考文獻：

[1]韓志青，唐定全.抄平起撥道搗固車[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[2]陳肖依，汪琪.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[J].科技視界，2018（1）：48-49.

[3]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]李嘉，王樹明.HX_D3型電力機車檢修用110V直流電源裝置研制[J].工裝設(shè)備，2014（6）：31-32.

[5]劉國美，等.具有過流保護及自恢復(fù)輸出功能的機載直流電源設(shè)計[J].科技風，2020（05）：29+40.