DF4B型机车ZY2000转速失控原因分析及对策

梁成

（南宁铁路局南宁机务段玉林机务区，工程师，广西 玉林 537001）

为了节能降耗，南宁铁路局自2006年四季度起，所有大修的DF4B型机车均加装武汉正远公司生产的改进型ZY2000微机控制系统（简称ZY2000）。其主要功能是恒功率控制、柴油机转速控制、自动过渡、辅发电压调整等。装用该系统后，南宁机务段有大量机车在运行途中出现柴油机转速失控故障，而机车回段后大部分故障现象消失。这类故障判断处理难、费时多，且不易根除。机车在运行途中出现此类故障，易造成列车超速，严重影响行车安全。因此，必须分析原因，制定对策，排除隐患。

1 原因分析

对多台发生过柴油机转速失控故障的机车，进行了长期的跟踪。2008年6月24日，发现DF4B型3207机车存在转速自动上升现象。测量I端司机控制器（简称司控器）7号触头未闭合时，正端对负端回路绝缘电阻在0.05～0.1 MΩ间波动，确认故障为司控器引起。将该司控器拿到未装ZY2000的机车试验，未见类似故障发生。清理司控器插座上的积尘后，其绝缘电阻上升到20 MΩ。此后，2个月内先后发现了9台机车是因司控器插座脏绝缘降低，2台机车是因转速控制电线路及控制电路绝缘低造成转速失控故障。故障现象为转速自动上升或不能下降。故障机车转速控制电线路对负端的绝缘电阻在0.05～0.25 MΩ间。而在同样的使用环境，原车使用的14Q2型无级驱动器无该故障发生。通过进一步的调查研究，发现该故障主要有以下几方面原因。

1.1 ZY2000对绝缘的要求过高 铁道部《东风4B型内燃机车段修规程》3.7.1.8条规定：段修机车辅助电线路对地绝缘电阻不得低于0.25 MΩ，在绝对湿度超过16 g/m3或有缓霜条件下，绝缘电阻不得低于0.1 MΩ。在南方春夏季天气不良的状况下，机务段不少运用机车辅助电线路绝缘电阻低于上述要求，部分机车在运用中柴油机转速控制电线路对负端的绝缘电阻下降到0.05～0.25 MΩ间。通过测试计算可得出，ZY2000转速控制电路能正常工作的条件是，柴油机转速控制电线路对负端的绝缘电阻大于0.254 MΩ。而机车原有14Q2型无级驱动器，只有当转速控制电线路对负端的绝缘电阻下降到0.006 MΩ以下时，才会产生转速失控故障。这说明ZY2000对转速控制电线路的绝缘要求，不仅高于部颁段修交车限度，高于运用机车实际工况，而且也远高于14Q2型无级驱动器的对电线路的绝缘要求。

ZY2000对绝缘的要求可通过下述计算求得。图1是改进型ZY2000转速控制信号取样电路原理图。其中，限流电阻R45、R46电阻值均为110 kΩ；稳压二极管WD4、WD5的稳压值UWD=30 V；光电耦合器OPT4、OPT5型号为P627，其正向压降为UF；D24、D25为硅二极管，其正向压降为UD；信号取样电压为110 V。因司控器7，8号触头信号取样电路完全一样，下面以7号触头信号取样电路为例，求导致ZY2000转速失控的转速控制电线路对负端的最大绝缘电阻Rmax。Rmax相当于在转速控制电线路对负端串联的1个电阻。

由图1可列出下式：单片机认为司控器7（或8）号触头已导通的最小光电耦合器输入电流

控制板制成后，Imin不受机车电路参数影响，固定不变。经测试可知Imin=0.22 mA。因UF、UD值较小，可忽略不计。

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。

上述计算结果表明，当机车柴油机转速控制7（或8）号触头电线路对负端的绝缘电阻≤0.254 MΩ时，不管司控器7（或8）号触头是否闭合导通，ZY2000单片机均认为其已导通，从而发出相应的转速控制指令，因此导致转速失控故障产生。

1.2 司控器易积灰尘而降低绝缘 由于部分司控器手柄簧片加油脂较多，导致油脂通过手柄定位轮带到插座上，致使插座触片被油污染，灰尘杂质便易粘附其上。如又在潮湿空气中，插座触片氧化产生的铜氧化物混合粘附在插座触片间，更降低了插座触片间的绝缘。连接7号触头正端的插座触片与负端插座触片刚好相邻，插座触片间距不大于2 mm，且插座接线端朝上，易积聚灰尘。当环境湿度增大时，灰尘所含水分增加。这些因素均导致了司控器触头尤其是7号触头对负端产生绝缘降低的现象。但现场测试数据显示，该情况大多数不会导致其完全短路。一般绝缘电阻最低只降到0.05～0.1MΩ间，而且随着天气好转，环境湿度下降，绝缘会自然回升，当其绝缘值回升到0.254 MΩ以上时，ZY2000就无产生上述故障的条件。这就是机车该故障在雨后增多，回段后大多消失的原因。

1.3 部分机车电线路绝缘值低 抽检玉林机务区2008年上半年小修交验的44台机车绝缘统计数据显示：辅助电线路对地绝缘电阻在0.25～0.5 MΩ间的占54.5%，其中绝缘电阻在0.25～0.3 MΩ间的占27.3%。这些数据接近段修正常交车的最低标准0.25 MΩ，同时表明机务段部分机车在春夏季辅助电路对地绝缘电阻仅能满足部颁最低要求。机车运用时遇雨天进水或缓霜条件下，绝缘电阻还会进一步下降。若柴油机转速控制电线路对地绝缘电阻也下降，则会通过车体经控制、照明电路到负端形成回路，导致柴油机转速控制电线路对负端绝缘电阻降低。

2 解决措施

要解决上述问题，必须从提高ZY2000抗干扰能力和改善ZY2000工作环境2方面寻找办法。

2.1 降低信号取样电压 要解决ZY2000对机车转速控制电线路绝缘要求过高的问题，必须对ZY2000信号取样电路进行改进，降低信号取样电压。根据机车绝缘状况的实测数据，只有将转速控制电线路对负端的绝缘要求降到0.05 MΩ以下，才能彻底消除环境干扰，满足机车的正常运用要求。

具体可采取如图2所示方案：将信号取样电压由110 V降为5 V。光电耦合器输入工作电流仍然采用原设计值，其原设计值IF=（110 V-UWD）/R45，由此求得IF≈0.73 mA。

现以对7号触头电路的改进为例（8号触头电路改进与此相同），说明实施上述方案的步骤：

1）将WD4更换为限流电阻R451。将控制板上的WD4更换为限流电阻R451。R451的阻值可通过下式计算求得：R451=（5 V-UF-UD）／IF。因信号取样电压较低，故不能忽略UD及UF。因为此处电流较小，所以UD≈0.6 V。查光电耦合器P627特性参数可知，当IF=0.73 mA时UF≈1.0 V。因此R451=（5-1.0-0.6）V／0.73 mA≈4.7 kΩ。根据其功耗，R451可选用1／4W，4.7 kΩ电阻。

2）改变R45电阻值。新选用的电阻R45=（77-5）V／1mA=72 kΩ。式中的77 V是ZY2000最低工作电压，1mA为77 V时流经R45的电流。因光电耦合器输入电流IF=0.73 mA，设计的流经电阻R45的电流必须大于IF，5 V信号采样电压才能稳定，所以取77 V时流经R45的电流为1 mA。根据其功耗和现货型号，R45可选用1/2 W，75 kΩ电阻。

3）增加1个稳压二极管。在R45与R451之间对负端增加1个5 V的稳压二极管WD1。其接法如图2所示，型号可选用1N4733。

因没有对光电耦合器后级电路进行改动，Imin值没有变化，所以经上述改进后，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，因此可满足机车的实际工况要求。

该方案不改变光电耦合器的输入工作电流，既保证了后级电路工作稳定，又可显著降低ZY2000对柴油机转速控制电线路的绝缘要求，提高了电路工作的抗干扰能力，因此是较理想的方案。

2.2 改进司控器检修工艺 为了避免司控器绝缘电阻下降，在机车小辅修时，要对司控器插座进行清扫；在配件检修时，司控器主手柄弹簧、簧片、传动齿轮不能加油太多，以避免油脂污染插座；检修交验要检查触头在断开时正触头对负端的绝缘值，以及时发现处理绝缘不良处所。

2.3 修改小辅修范围 原小修范围没有对柴油机转速控制电线路进行绝缘检查的内容，因而不能及时排除隐患。为此，应在机车小辅范围增加柴油机转速控制电线路对负端以及对地的绝缘检查内容。检查绝缘的具体做法是，司控器手柄在“0”位时，检查X7/15和X7/16接线柱之间，及其对X7/20接线柱和对地的绝缘值，及时处理不良处所。

3 结束语

由于装用ZY2000的机车转速失控故障率较高，南宁机务段首先实施了2.2和2.3所述措施，故障率有所下降，但无法根除。2009年3月，机务段开始按2.1方案对ZY2000控制板进行改造，到8月底，段承修机车已全部改造完毕。改造过的机车未再发生转速失控故障，取得了预期效果。希望ZY2000生产厂家能对产品进行改进，以彻底消除故障根源。