中国机车司机控制器的发展

郑勇涛 田 军

(西安沙尔特宝电气有限公司,710048,西安∥第一作者,工程师)

自1814年英国工程师斯蒂芬森发明了第一辆机车以来,司机控制器——这种人可以直接控制机车行驶的机器便随之发展到今天。随着科技的进步,机车经历了从蒸汽机车到内燃机车,从内燃机车到电力机车、动车、地铁列车等的不断发展,但是,司机控制器从来不曾改变它对机车行驶主导的控制地位。

今天,司机控制器的种类越来越繁多,功能越来越强大,结构越来越精巧,其可靠性、安全性、司机操作时的舒适度也大幅度提高。作为可直接控制机车行驶的主令电器,司机控制器的重要性愈来愈受到机车设计者、机车司机等专业人群的关注。

在司机控制器近200年的发展中,其操作模式基本上没有什么变化。按控制手柄的操作方式,可分为手轮式、扳把式、平推式等三种;按换向手柄的功能,可分为钥匙式和非钥匙式两种;从司机控制器是否有机械锁机构,可分为有锁机构式和无锁机构式两种;从是否具有警惕装置,可分为有警惕装置(Deadman Switch)和无警惕装置。当然,上述几种操作模式也可能同时出现在一台司机控制器上。比如,一台司机控制器既是扳把形式,又有警惕装置,还有锁机构,等等。

本文对近年来国内常用的几种形式的司机控制器加以介绍。

1 手轮式司机控制器

顾名思义,手轮式司机控制器的控制手柄是以“手轮”的形式存在的(见图1)。这种司机控制器最大的优势是:便于无级输出信号,输出信号的变化非常平稳可靠;没有齿轮传动,因传动而造成的误差几乎为零;控制手轮转动角度很大,可以细致地分割档位。但是,因为“手轮”的存在,使得司机控制器的外观并不美观,且该司机控制器比较笨重,结构较松散,所需空间较大,对机车操纵台的空间要求较高。另外,如果该司机控制器需要有电位器进行电压输出,限于司机控制器内部空间的因素,电位器不容易加装和调整。因此,这种司机控制器主要用于内燃机车。其主要使用机车车型有DF11系列、DF8B等。

图1 手轮式司机控制器

2 扳把式司机控制器

这种司机控制器的控制手柄是“扳把式”(见图2),其结构紧凑、体积小巧,操作舒适方便。但是,由于控制手柄是扳把式,其转动角度有限,故不能更为细致地分割档位,且扳把式控制手柄的转动是在垂直方向上的一个扇形面,想要达到纯粹的无级调速是比较困难的。另外,在需要无级调速的情况下,该控制手柄的稳定性比较难保证。该类型司机控制器使用范围非常广泛,主要使用机车车型为:规范化司机室 DF4D、DF8B、DF11、SS3B 、SS4G 、SS7E 、SS9 等 。

图2 扳把式司机控制器

3 平推式司机控制器

其控制手柄的操作方式为平动(见图3),即控制手柄进行速度控制是以直线形式动作的。这种形式的司机控制器在现阶段是比较新颖的。它可以稳定地进行无级调速,司机在进行操作时非常舒适方便。但是由于这种司机控制器的传动方式为齿轮齿条结构,所需空间非常大,因而造成该司机控制器的体积较大、质量较重、结构较复杂、制造成本较高。平推式司机控制器主要用于轻轨和地铁列车上。

图3 平推式司机控制器

4 钥匙式和非钥匙式司机控制器

换向手柄为钥匙式和非钥匙式的司机控制器如图4、图5所示。一般来讲,为保证机车的行车安全,非钥匙式换向手柄的司机控制器一定会有机械锁机构。

这两种司机控制器的最大区别是:换向手柄为钥匙式的司机控制器,换向手柄是可以取下来的,在机车停运或者换端操作时,司机必须将该端的司机控制器换向手柄取下来才可以停运或换端操作。这对于机车的行车安全是非常有必要的。非钥匙式换向手柄司机控制器的换向手柄不能取下来,这就导致了该司机控制器必须另有一套机械锁机构才能保证机车的行车安全。一般来讲,非钥匙式换向手柄司机控制器的结构相对钥匙式司机控制器会复杂一些。这两种司机控制器的用途都非常广泛,目前在铁路干线上行驶的机车主要使用的是钥匙式换向手柄司机控制器。

图4 钥匙式换向手柄司机控制器及钥匙式换向手柄

图5 非钥匙式换向手柄司机控制器

5 有警惕按钮的司机控制器

随着铁路的发展和科技的进步,对机车的安全性能要求越来越高,由此产生了带有警惕装置的司机控制器。警惕装置的作用是防止司机在行车过程中因为睡觉或不在司机室而发生行车事故。有警惕装置的司机控制器(见图6)要求司机在行车过程中必须每隔一段时间触动警惕装置,以表明没有睡觉或者离开;如果在规定时间间隔内没有触动警惕装置,则机车会进行紧急制动,以避免事故的发生。这种司机控制器是未来的一个发展方向。现阶段,这种配备警惕装置的司机控制器因造价较高,尚未广泛应用在铁路机车上。该司机控制器广泛应用于对安全性能要求很严格的地铁和轻轨列车上。

图6 有警惕装置的司机控制器

6 司机控制器的输出装置

随着科学技术的进步,司机控制器从最初的触头输出、速动开关输出、编码器输出、光电编码器电流输出、电位器电压输出,到如今最为先进的磁编码输出。每一种方式的诞生和使用都标志着机车司机控制器的进步和发展。

单纯使用触头或者速动开关作为司机控制器信号输出的方式虽然仍在国内铁路上使用,但其使用的范围和频率已越来越少。目前,国内的铁路机车以及地铁和轻轨列车上,常将触头或速动开关作为辅助电位器或者其他输出装置的元器件,和电位器或其他输出装置一起控制机车的行驶。

目前,国内铁路、地铁、轻轨上的机车司机控制器输出装置主要使用的是电位器。电位器主要分为两种:①线绕电位器;②精密导电塑料电位器。线绕电位器的使用寿命长,可靠性高,精度很好,但价格比较昂贵;精密导电塑料电位器的使用寿命较长,可靠性较高,精度较好,价格比较便宜。这两种电位器在司机控制器上的用途不同。线绕电位器主要用在使用频率高、使用的地方人流量非常大的地铁和轻轨的司机控制器上;精密导电塑料电位器则用在使用频率不很大、人流量不很多的铁路电力机车上,如 SS3B、SS4G 、SS9 、SS7E 、SS7D 等 。

编码器输出和光电码电流输出在国内铁路、地铁、轻轨上使用的比较少,在此不作介绍。

磁传感器输出方式是近年发展起来的非常新颖的技术。使用磁传感方式进行信号输出,将是我国司机控制器发展的一个趋势。

(1)安装磁传感装置所需要的空间比较小,虽然使用磁传感装置时还需要配合使用一个印制板组件,但印制板组件一般都是扁平形状的,所要求的空间形式很容易在司机控制器空间范围内得到,且不必和磁传感装置安装在一起。在司机控制器空间范围内,提供给印制板组件安装的位置的选择很多。

(2)使用磁传感装置不用进行机械类型的调整,可直接用写程序的方式来定义输出值,非常方便且相对误差小。

(3)修改容易,因为给定值是以写程序的方式定义,若要修改,只需要重新定义就可以了。

(4)使用范围广,一个磁传感装置(这个装置有输入和输出范围的要求)可满足在其输入和输出范围内的所有值的定义。即使输入输出范围不能满足需要,也无需改变磁传感装置,仅需修改配套使用的印制板组件就可以了。

(5)寿命长。该装置是以切割磁力线来获取信号,并用程序来定义信号;装置的基础就是一块磁铁和一块印制板组件,其寿命显而易见。

(6)调整方式简单。磁传感装置安装在司机控制器上后是以写程序的方式来确定输出值的,只要搬动司机控制器的手柄来确定转动角度,然后在需要定义输出值的位置上输入想要的值即可。

磁编码装置的技术出现已有7年,是比较成熟的技术。磁编码装置在欧洲的铁路、地铁、轻轨的司机控制器上得到了广泛使用。它的高可靠性、良好的重复精度,以及方便的调整和修改数据的能力,都是未来司机控制器所必需拥有的功能。

便易的操作方式和舒适的操作感觉,良好的精度,可靠的信号输出能力,方便的调整和修改能力,以及精致的外型,将是我国机车、地铁、轻轨司机控制器发展的方向。

[1]TAEB H C.电器学(基本理论)[M].任耀先,译.北京:机械工业出版社,1981.

[2]GB/T 14048.1—2000 低压开关设备和控制设备 总则[S].

[3]孟庆龙.电器制造技术手册[M].北京:机械工业出版社,2000.