中國機車司機控制器的發展

鄭勇濤 田 軍

(西安沙爾特寶電氣有限公司,710048,西安∥第一作者,工程師)

自1814年英國工程師斯蒂芬森發明了第一輛機車以來,司機控制器——這種人可以直接控制機車行駛的機器便隨之發展到今天。隨著科技的進步,機車經歷了從蒸汽機車到內燃機車,從內燃機車到電力機車、動車、地鐵列車等的不斷發展,但是,司機控制器從來不曾改變它對機車行駛主導的控制地位。

今天,司機控制器的種類越來越繁多,功能越來越強大,結構越來越精巧,其可靠性、安全性、司機操作時的舒適度也大幅度提高。作為可直接控制機車行駛的主令電器,司機控制器的重要性愈來愈受到機車設計者、機車司機等專業人群的關注。

在司機控制器近200年的發展中,其操作模式基本上沒有什么變化。按控制手柄的操作方式,可分為手輪式、扳把式、平推式等三種;按換向手柄的功能,可分為鑰匙式和非鑰匙式兩種;從司機控制器是否有機械鎖機構,可分為有鎖機構式和無鎖機構式兩種;從是否具有警惕裝置,可分為有警惕裝置(Deadman Switch)和無警惕裝置。當然,上述幾種操作模式也可能同時出現在一臺司機控制器上。比如,一臺司機控制器既是扳把形式,又有警惕裝置,還有鎖機構,等等。

本文對近年來國內常用的幾種形式的司機控制器加以介紹。

1 手輪式司機控制器

顧名思義,手輪式司機控制器的控制手柄是以“手輪”的形式存在的(見圖1)。這種司機控制器最大的優勢是:便于無級輸出信號,輸出信號的變化非常平穩可靠;沒有齒輪傳動,因傳動而造成的誤差幾乎為零;控制手輪轉動角度很大,可以細致地分割檔位。但是,因為“手輪”的存在,使得司機控制器的外觀并不美觀,且該司機控制器比較笨重,結構較松散,所需空間較大,對機車操縱臺的空間要求較高。另外,如果該司機控制器需要有電位器進行電壓輸出,限于司機控制器內部空間的因素,電位器不容易加裝和調整。因此,這種司機控制器主要用于內燃機車。其主要使用機車車型有DF11系列、DF8B等。

圖1 手輪式司機控制器

2 扳把式司機控制器

這種司機控制器的控制手柄是“扳把式”(見圖2),其結構緊湊、體積小巧,操作舒適方便。但是,由于控制手柄是扳把式,其轉動角度有限,故不能更為細致地分割檔位,且扳把式控制手柄的轉動是在垂直方向上的一個扇形面,想要達到純粹的無級調速是比較困難的。另外,在需要無級調速的情況下,該控制手柄的穩定性比較難保證。該類型司機控制器使用范圍非常廣泛,主要使用機車車型為:規范化司機室 DF4D、DF8B、DF11、SS3B 、SS4G 、SS7E 、SS9 等 。

圖2 扳把式司機控制器

3 平推式司機控制器

其控制手柄的操作方式為平動(見圖3),即控制手柄進行速度控制是以直線形式動作的。這種形式的司機控制器在現階段是比較新穎的。它可以穩定地進行無級調速,司機在進行操作時非常舒適方便。但是由于這種司機控制器的傳動方式為齒輪齒條結構,所需空間非常大,因而造成該司機控制器的體積較大、質量較重、結構較復雜、制造成本較高。平推式司機控制器主要用于輕軌和地鐵列車上。

圖3 平推式司機控制器

4 鑰匙式和非鑰匙式司機控制器

換向手柄為鑰匙式和非鑰匙式的司機控制器如圖4、圖5所示。一般來講,為保證機車的行車安全,非鑰匙式換向手柄的司機控制器一定會有機械鎖機構。

這兩種司機控制器的最大區別是:換向手柄為鑰匙式的司機控制器,換向手柄是可以取下來的,在機車停運或者換端操作時,司機必須將該端的司機控制器換向手柄取下來才可以停運或換端操作。這對于機車的行車安全是非常有必要的。非鑰匙式換向手柄司機控制器的換向手柄不能取下來,這就導致了該司機控制器必須另有一套機械鎖機構才能保證機車的行車安全。一般來講,非鑰匙式換向手柄司機控制器的結構相對鑰匙式司機控制器會復雜一些。這兩種司機控制器的用途都非常廣泛,目前在鐵路干線上行駛的機車主要使用的是鑰匙式換向手柄司機控制器。

圖4 鑰匙式換向手柄司機控制器及鑰匙式換向手柄

圖5 非鑰匙式換向手柄司機控制器

5 有警惕按鈕的司機控制器

隨著鐵路的發展和科技的進步,對機車的安全性能要求越來越高,由此產生了帶有警惕裝置的司機控制器。警惕裝置的作用是防止司機在行車過程中因為睡覺或不在司機室而發生行車事故。有警惕裝置的司機控制器(見圖6)要求司機在行車過程中必須每隔一段時間觸動警惕裝置,以表明沒有睡覺或者離開;如果在規定時間間隔內沒有觸動警惕裝置,則機車會進行緊急制動,以避免事故的發生。這種司機控制器是未來的一個發展方向。現階段,這種配備警惕裝置的司機控制器因造價較高,尚未廣泛應用在鐵路機車上。該司機控制器廣泛應用于對安全性能要求很嚴格的地鐵和輕軌列車上。

圖6 有警惕裝置的司機控制器

6 司機控制器的輸出裝置

隨著科學技術的進步,司機控制器從最初的觸頭輸出、速動開關輸出、編碼器輸出、光電編碼器電流輸出、電位器電壓輸出,到如今最為先進的磁編碼輸出。每一種方式的誕生和使用都標志著機車司機控制器的進步和發展。

單純使用觸頭或者速動開關作為司機控制器信號輸出的方式雖然仍在國內鐵路上使用,但其使用的范圍和頻率已越來越少。目前,國內的鐵路機車以及地鐵和輕軌列車上,常將觸頭或速動開關作為輔助電位器或者其他輸出裝置的元器件,和電位器或其他輸出裝置一起控制機車的行駛。

目前,國內鐵路、地鐵、輕軌上的機車司機控制器輸出裝置主要使用的是電位器。電位器主要分為兩種:①線繞電位器;②精密導電塑料電位器。線繞電位器的使用壽命長,可靠性高,精度很好,但價格比較昂貴;精密導電塑料電位器的使用壽命較長,可靠性較高,精度較好,價格比較便宜。這兩種電位器在司機控制器上的用途不同。線繞電位器主要用在使用頻率高、使用的地方人流量非常大的地鐵和輕軌的司機控制器上;精密導電塑料電位器則用在使用頻率不很大、人流量不很多的鐵路電力機車上,如 SS3B、SS4G 、SS9 、SS7E 、SS7D 等 。

編碼器輸出和光電碼電流輸出在國內鐵路、地鐵、輕軌上使用的比較少,在此不作介紹。

磁傳感器輸出方式是近年發展起來的非常新穎的技術。使用磁傳感方式進行信號輸出,將是我國司機控制器發展的一個趨勢。

(1)安裝磁傳感裝置所需要的空間比較小,雖然使用磁傳感裝置時還需要配合使用一個印制板組件,但印制板組件一般都是扁平形狀的,所要求的空間形式很容易在司機控制器空間范圍內得到,且不必和磁傳感裝置安裝在一起。在司機控制器空間范圍內,提供給印制板組件安裝的位置的選擇很多。

(2)使用磁傳感裝置不用進行機械類型的調整,可直接用寫程序的方式來定義輸出值,非常方便且相對誤差小。

(3)修改容易,因為給定值是以寫程序的方式定義,若要修改,只需要重新定義就可以了。

(4)使用范圍廣,一個磁傳感裝置(這個裝置有輸入和輸出范圍的要求)可滿足在其輸入和輸出范圍內的所有值的定義。即使輸入輸出范圍不能滿足需要,也無需改變磁傳感裝置,僅需修改配套使用的印制板組件就可以了。

(5)壽命長。該裝置是以切割磁力線來獲取信號,并用程序來定義信號;裝置的基礎就是一塊磁鐵和一塊印制板組件,其壽命顯而易見。

(6)調整方式簡單。磁傳感裝置安裝在司機控制器上后是以寫程序的方式來確定輸出值的,只要搬動司機控制器的手柄來確定轉動角度,然后在需要定義輸出值的位置上輸入想要的值即可。

磁編碼裝置的技術出現已有7年,是比較成熟的技術。磁編碼裝置在歐洲的鐵路、地鐵、輕軌的司機控制器上得到了廣泛使用。它的高可靠性、良好的重復精度,以及方便的調整和修改數據的能力,都是未來司機控制器所必需擁有的功能。

便易的操作方式和舒適的操作感覺,良好的精度,可靠的信號輸出能力,方便的調整和修改能力,以及精致的外型,將是我國機車、地鐵、輕軌司機控制器發展的方向。

[1]TAEB H C.電器學(基本理論)[M].任耀先,譯.北京:機械工業出版社,1981.

[2]GB/T 14048.1—2000 低壓開關設備和控制設備 總則[S].

[3]孟慶龍.電器制造技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2000.