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模块六制动机均衡风缸压力的控制
项目一空气制动阀结构的空气位的作用原理
空气制动阀,俗称“小闸”,是DK-1型电空制动机的操纵部件。
用于“电空位”下,单独控制机车的制动、缓解与保压;“空气位”下,控制全列车的制动、缓解与保压。
它有4个工作位置,按逆时针方向依次为:
缓解位、运转位、中立位和制动位。
通过限位装置,操纵手柄只能在运转位取出或装入。
(一)构造
如图6-1所示,空气制动阀由阀体部分、凸轮盒部分及阀座等组成。
1.阀座及凸轮盒部分
(1)阀座
阀座,既是空气制动阀的安装基座,也是管路的连接座。
管座上接有三根管子:
经调压阀53(或54)通过来的总风管(简称调压阀管)、作用管和均衡风缸管。
图6–1空气制动阀
1–操纵手柄;2–阀体;3–凸轮盒;4–电空转换扳钮;5–阀座(管座)。
(2)凸轮盒部分
主要由操纵手柄、凸轮机构、单独缓解阀及微动开关、接线座等部分组成,如图6-2所示。
①操纵手柄与凸轮机构
操纵手柄设有4个工作位置,工作中,手柄须插入手柄座内,并通过手柄座与凸轮机构的转轴连接,以便在转动手柄时通过转轴带动凸轮一起转动。
凸轮机构,用于随手柄转动而转动,以实现对作用柱塞阀和单断点微动开关的控制,并完成定位作用。
凸轮机构主要由转轴、顶杆、定位凸轮和作用凸轮等组成,如图6—3所示。
其中,转轴为空心轴,使顶杆贯穿其中。
定位凸轮有两个作用:
与定位柱塞组成定位机构,确保位置的准确无误;与联锁微动开关配合组成电控环节,以闭合或断开相应电路。
作用凸轮只控制作用柱塞阀的左右移动,实现气路的连通或切断。
图6–2空气制动阀结构图
1–操纵手柄;2–联锁微动开关组;3–定位凸轮;4–作用凸轮;5–凸轮盒;6–单缓阀;7–管座;8–作用柱塞;9–定位柱塞;10–排风堵;11–阀体;12–电空转换柱塞;13–转轴;14–顶杆。
②单独缓解阀:
简称单缓阀。
主要由单独缓解阀、单独缓解阀座套及单独缓解阀弹簧等组成。
其中,单独缓解阀与其座套构成该阀的阀口,如图6-2所示。
当下压手柄时,推动顶杆下移并顶开单缓阀阀口,从而连通作用管向大气排风的气路,以实现机车的单独缓解。
图6–3空气制动阀凸轮机构
③接线座与微动开关:
制动阀上共装2个微动开关,分别受转换柱塞及定位凸轮的控制,并通过接线端子与外电路相连。
接线端子分别与导线818、899、80l、800(SS9型机车Ⅱ端:
819、899、802、800)连接。
微动开关,包括双断点微动开关和单断点微动开关两个微动开关。
其中,双断点微动开关用来控制电空制动控制器电源电路899—801(SS9型机车Ⅱ端:
899—802,下同)与制动电空阀257YV单独得电电路899—800的转换,其电器代号为3SAl(SS9型机车Ⅱ端:
4SAl,下同)。
双断点微动开关的工作由电空转换阀转换柱塞联动,当电空转换阀处于“电空位”时,转换柱塞脱离与微动开关3SAl的接触,使其闭合电路899—801,并断开电路899—800;当电空转换阀处于“空气位”时,转换柱塞压缩微动开关3SAl,使其闭合电路899—800,并断开电路899—801。
单断点微动开关作为串联联锁用来控制排风1电空阀254YV得电电路809—818(SS9型机车Ⅱ端:
819—818。
下同)的闭合与断开,其电器代号为3SA2(SS9型机车Ⅱ端:
4SA2。
下同)。
单断点微动开关由定位凸轮控制,当空气制动阀手柄处于“缓解位”或“运转位”时,定位凸轮不压缩微动开关3SA2,使其闭合电路809—818;当空气制动阀手柄处于“中立位”或“制动位”时,定位凸轮压缩微动开关3SA2,使其断开电路809—818。
2.阀体部分
阀体部分主要包括电空转换阀、作用柱塞阀及定位柱塞等,如图6—4所示。
图6–4空气制动阀阀体部分
1–作用柱塞;2–支承;3–转换柱塞;4–转换柱塞定位机构;5–作用柱塞顶盖;6–定位柱塞;7–作用柱塞套。
(1)电空转换阀
电空转换阀用于控制“电空位”与“空气位”之间的转换。
电空转换阀属于柱塞式空气阀。
主要由电空转换柱塞、电空转换柱塞阀套、定位机构及O形圈等组成。
其中电空转换柱塞不随手把转动而动作,是通过阀的左侧电-空转换扳钮的的扳动在转换柱塞套内做前后动作,通过其尾部定位装置使转换柱塞只有两个工作位置:
电空位或空气位。
电空转换柱塞阀套上设径向通孔,分别与均衡风缸管和作用管连通。
(2)作用柱塞阀
作用柱塞阀受作用凸轮控制左右移动,从而连通或切断相应气路,间接控制均衡风缸或作用管的充、排风。
主要由作用柱塞、作用柱塞阀套、作用柱塞弹簧及O形圈等组成(图3-22)。
作用柱塞阀套上设径向通孔,与调压阀管连通,并且作用柱塞两端与大气连通。
(3)定位柱塞
定位柱塞工作端设有钢珠,并嵌在阀体内的定位柱塞端部;定位柱塞与定位凸轮配合,实现空气制动阀手柄的定位作用。
(二)空气制动阀作用
空气制动阀的作用包括电空位和空气位两种工况。
空气位作用原理
空气位为空气制动阀的非正常工作位,可实现控制全列车的常用制动与缓解。
它有三个工作位置:
缓解、保压和制动。
此时转换柱塞处于右极端位置,转换柱塞凹槽连通均衡风缸管与a管的气路。
同时微动开关3SAl动作,闭合电路899—800,单独使制动电空阀257YV得电,并断开电路899—801,从而切断电空制动控制器电源电路。
(1)缓解位[见图6—5(a)]
当空气制动阀手柄置于缓解位时,作用柱塞处于左极端位置,连通了调压阀管与均衡风缸的充风气路(调压阀管→作用柱塞阀→转换柱塞阀→均衡风缸管)。
(2)制动位[见图6—5(b)]
当空气制动阀手柄置于制动位时,作用柱塞阀开通了均衡风缸的排风气路(均衡风缸管→转换柱塞阀→作用柱塞阀→大气)。
(3)中立位、运转位[见图6—5(c)]
由于作用柱塞在运转位与中立位时处于中间位置,使调压阀管与均衡风缸管以及均衡风缸与大气的通路均被切断,而定位凸轮控制的微动开关电路实际上不参与作用,故两个位置的作用相同,均为保压作用。
下压手柄[见图5—26(d)]的作用过程同电空位下压手柄。
图6–5空气制动阀作用原理图—空气位
(a)缓解位;(b)制动位;(c)运转位,中立位;(d)下压手柄。
综上所述,在空气位操纵空气制动阀时,通过直接控制均衡风缸的压力变化来控制中继阀的动作,最终实现全列车的制动、缓解与保压;并且,下压空气制动阀手柄时,通过控制作用管的排风来控制分配阀均衡部的动作,以实现机车的单独缓解。
无论是电空位下操纵,还是空气位下操纵,作用管或均衡风缸都是由53或54调压阀管充风的,但两者的充风压力不同:
电空位时,调压阀的调整值为300kPa,空气位时,调压阀的调整值为500kPa或600kPa。
关于这一点,请在实际运用中注意调节并改变调压阀的整定值。
项目二电空阀的工作原理
电空阀是通过电磁力来控制空气管路的连通或切断,从而实现远距离控制气动装置的电器。
电空阀种类较多,按电磁铁的形式分为拍合式和螺管式;按组装方式可分为立式和卧式,按作用原理可分为开式和闭式。
但其结构相似,都是由电磁机构及气阀两大部分组成。
目前,国产电力机车上统一装用螺管式电磁铁、立式安装的闭式电空阀。
(一)组成原理
DK-1型电空制动机除采用传统的TFK1B型电空阀外,为满足系统的性能还装用TFK型电空阀(习惯称三通电空阀)。
1.TFK1B型电空阀
TFK1B型电空阀主要由电磁机构部分的励磁线圈、动铁心、铁心座、磁轭、接线座及气阀部分的阀座、上阀门、下阀门、弹簧、阀杆等组成,其中上、下阀门与阀座分别构成上、下阀口,如图3-7所示。
气阀部分被上、下阀口分成3个气室,且各气室分别与外部连通。
排气室与风源连接,称为输入口;中气室通向控制对象,称为输出口;上气室与大气连通,称为排气口。
图6–6TFK1B型电空阀结构原理图
1–阀杆;2–阀座;3–静铁心;4–心杆;5–线圈;6–铜套;7–动铁心;8–磁轭;9–橡皮防尘帽;10–橡胶垫;11–接线柱;12–滑块;13–密封垫;14–上阀门;15–下阀门;16–复原弹簧;17–O形圈;18–下盖;rA–阀门行程;rB–铁心气隙。
TFK1B型电空阀的工作过程包括以下两个状态:
(1)失电状态:
当励磁线圈失电时,励磁线圈内不产生电磁力,在弹簧作用下,推动下阀门、阀杆、上阀门、心杆、动铁心上移,关闭下阀口,并开启上阀口,连通输出口与排气口之间的气路。
(2)得电状态:
当励磁线圈得电进,励磁线圈所产生的电磁力推动动铁心、心杆、上阀门、阀杆、下阀门压缩弹簧下移,从而关闭上阀口,并开启下阀口,连通输入口与输出(排气)口之间的气路。
综上所述,闭式电空阀的基本工作原理为得电时上阀口关闭而下阀口开启,失电时上阀口开启而下阀口关闭。
2.TFK型电空阀
TFK型电空阀是TFK1B型电空阀的派生产品,其结构和作用原理与TFK1B型电空阀相似,这两种电空阀的气阀部分有所区别,如图6-7所示。
图6–7TFK型电空阀结构图
1–阀杆;2–阀座;3–心杆;4–心杆;5–线圈;6–铜套;7–动铁心;8–磁轭;9–压圈;10,11–O形圈;12–密封套;13–上阀门;14–下阀门;15–复原弹簧;16–下盖;rA–阀门行程;rB–铁心气隙。
TFK型电空阀与TFK1B型电空阀的区别在于:
前者可在排气口处集中引出,并根据需要接管或加堵,以实现三通的要求;而后者则无法在排气口处集中引出,且由于上阀门与滑道间有间隙,所以无法保证上气室的气密性。
项目三各电空阀连接的管路和作用
DK-1型电空制动机共使用13个闭式电空阀,各电空阀空气管路连接情况及其功用如下:
1.撒砂电空阀
共4个,代号为251YV、241YV、250YV、240YV。
输入口接总风管,输出口经止回阀与撒砂器连接,排气口通大气。
当电空制动控制器置于紧急制动位时,使其得电以完成自动撒砂,防止车轮在制动时滑行。
2.过充电空阀
代号为252YV。
输入口接总风管,输出口接过充风缸管,排气口被堵。
当电空制动控制器置于“过充位”时,使其得电并连通总风向过充风缸充风的气路,以控制双阀口式中继阀动作,使制动管快速充风,并得到过充压力。
3.中立电空阀
代号为253YV。
输入口接总风管,输出口接总风遮断阀管,排气口通大气。
当操纵电空制动控制器使其得电时,连通总风向总风遮断阀充风的气路,以关闭总风遮断阀口,切断制动管供气风源;而其失电时,则开通制动管的供气风源。
4.排风1电空阀
代号为254YV。
输入口接作用管,输出口和排气口通大气。
当其得电时,连通作用管向大气排风的气路,以实现机车的缓解;而其失电时,则切断该排风气路。
5.检查电空阀
代号为255YV。
输入口接总风管,输出口接均衡风缸管,排气口被堵。
当按下“充气”按钮使其得电时,连通总风向均衡风缸充风的气路,以完成制动管折角塞门开通状态的检查。
SS9型机车取消了检查电空阀。
6.排风2电空阀
代号为256YV。
输入口被堵,输出口接过充风缸管,排气口通大气。
当其失电时,加快过充风缸的排风。
7.制动电空阀
代号为257YV。
输入口被堵,输出口与初制风缸和缓解电空阀258YV的排气口连接,排气口通大气。
当其失电时,连通初制风缸和缓解电空阀258YV排气口向大气排风的气路;而其得电时,则切断该气路。
8.缓解电空阀
代号为258YV。
输入口经止回阀203、调压阀55接总风管,输出口接均衡风缸管,排气口与初制风缸和制动电空阀257YV输出口连接。
当其得电时,连通总风经调压阀55向均衡风缸充风的气路,并使其得到定压;而其失电时,则连通均衡风缸与初制风缸、制动电空阀257YV输出口的气路。
可见,只有当制动电空阀257YV、缓解电空阀258YV同时失电时,才连通均衡风缸向大气排风的气路。
9.重联电空阀
代号为259YV。
输入口接制动管,输出口接均衡风缸管,排气口被堵。
当其得电时,连通均衡风缸与制动管之间的气路,以实现中继阀自锁;而其失电时,则切断该气路。
10.紧急电空阀
代号为94YV。
输入口接总风管,输出口与电动放风阀膜板下侧连通,排气口通大气。
当其得电时,连通总风向电动放风阀膜板下侧充风的气路,以控制电动放风阀开放制动管的放风气路;而其失电时,则连通电动放风阀膜板下侧向大气排风的气路,以控制电动放风阀切断制动管的放风气路。
11.停放制动电空阀
SS9型机车设有停放制动电空阀,代号为239YV。
输入口接总风管,输出口与停放制动器制动缸连通,排气口通大气。
当其得电时,连通总风向停放制动器制动缸充风的气路,切除停放制动器的制动作用;当其失电时,则连通停放制动器制动缸向大气排风的气路,使停放制动器产生作用,防止机车溜行。
各电空阀的管路连接及其功用见表6—1。
表6—1各电空阀的管路连接及其功用
名称
代号
配管
功用
输入口
输出口
排气口
撒砂
251YV
241YV
250YV
240YV
总风管
撒砂管
大气
紧急制动时得电,自动撒砂防滑
过充
252YV
总风管
中继阀
过充管
不通
过充位得电,使制动管得到过充压力(30~40kPa)
中立
253YV
总风管
总风遮断阀管
大气
中立、制动、重联、紧急位得电,切断中继阀的制动管供风风源
排风1
254YV
作用管
大气
大气
得电时,排放作用管的压力空气,以实现机车制动机的缓解
检查
255YV
总风管
均衡风缸管
不通
与检查按钮配合,用于发车前检查判断制动管开通状态
排风2
256YV
不通
过充风缸管
大气
中立、制动、重联、紧急位失电,加速排放过充风缸的压力空气,以避免影响中继阀的作用
制动
257YV
不通
初制风缸管
大气
失电时,排放初制风缸的压力空气;得电时,关闭该气路
缓解
258YV
55调压阀管
均衡风缸管
初制风缸管
缓解、过充位得电,使总风经调压阀55向均衡风缸充风;失电时,连通均衡风缸与初制风缸的气路
重联
259YV
制动管
均衡风缸管
不通
重联、紧急位得电,连通制动管与均衡风缸的气路,使中继阀自锁
紧急
94YV
总风管
电动放风阀膜板下侧
大气
紧急位得电,以控制电动放风阀开放制动管的放风气路;失电时,关闭该气路
停放制动
239YV
总风管
停放制动器制动缸
大气
按下“停放制动”按钮时,使其失电,停放制动控制器起作用,防止机车溜行
收稿日期:
2006-06-14 收修改稿日期:
2006-11-15
两线制变送器微功率隔离电源设计
梁 伟
(绍兴文理学院机电系,浙江绍兴 312000
摘要:
介绍了一种用于两线制变送器的微功率隔离式电源,核心采用高转换效率的DC/DC芯片MAX639。
它以降落在两线制变送器上的12~35VDC为输入电压,固定消耗315mA电流,提供了两组互相隔离的3V电源。
与输入不隔离的一组最大具有5mA负载能力,与输入隔离的一组最大具有3mA负载能力。
关键词:
微功率;隔离电源;两线制变送器;温度补偿
中图分类号:
TN302;TP303 文献标识码:
A 文章编号:
1002-1841(200702-0042-03
DesignofMicro2powerIsolatedPowerSupplyofTwo2wireLIANGWei
(DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,Sh312000,ChinaAbstract:
Introducedamicro2powerisolatedpowero2adoptshighconversionefficientsDC/DCchipMAX639thatoffershigh2performanceofthefor2transmitter.Thispowersupplymadeuseofthe12~35VDCastheinputvoltageprovidedtwo2groupmutuallyisolated3Vpowersupplies.Theonegroup,whichisnotisthe5mAloadingcapacity.Theother,isolatedfromtheinput,hasthemaxiumum3mAloadingopresentedtheschemebythesoftwaretemperaturecompensation,whichcouldofferhigh2accuracycompensationtotemperaturedriftcausedbythetemperaturechange.Keywords:
micro2power;isolatedpowersupply;two2wiretransmitter;temperaturecompensation0 引言
在开发低功耗的智能两线制变送器时,仪器内部的微功率电源设计十分关键。
首先,一般情况下具有微处理器的智能变送器要满足微控制器、A/D、D/A及通讯电路的供电,需要比普通4~20mA变送器更大的功率,需要内部电源具有更高的供电效率[1]。
另外,对于电容传感器和热电偶,还要考虑接地或者传感器可能碰壳(接地的情况,所设计的变送器电路必须是输入与输出相隔离的,这样才能够保证后续控制系统的正常工作和抗共模干扰能力。
由于外部电路为两线制变送器系统提供的工作电流最大4mA,这些具体要求给系统电源的设计带来了很大的难度和挑战。
设计的微输入功率的隔离式两线制变送器电源采用全集成电路设计,具有结构简单、性能稳定、成本低廉的特点。
它以降落在两线制变送器上的12~35VDC为输入电源,设计了简洁的恒流稳压前端输入电路,固定消耗315
mA电流,提供了两组互相隔离的3V电源。
与输入不隔离的
一组最大具有5mA负载能力,与输入隔离的一组最大具有
3mA负载能力,完全满足输入与输出隔离型的两线制变送器对
电源的要求。
1 整体设计
图1为电源原理图。
它由3个主要部分组成:
U1、R1和Z1
构成的315mA/812V恒流稳压电路;由U2为核心构成的DC/
DC变换电路;由L2和U3构成的一组隔离电源。
系统设计力
求精简、高集成度,并且所有元器件都选择了能够工作于-40~85℃扩展工业级温度区间的产品,能够保证电源可靠应用于
现场变送器
。
图1 电源原理图
111 恒流稳压电路
作为给两线制变送器供电的电源,必须保证最大工作电流不超过4mA,考虑到变送器需要有一定的低零点输出指示,一般系统供电标准为315mA以下,同时,这类电源必须具有恒流特性,以保证两线制变送器的工作特性。
设计恒流源的方法很多,该设计采用了三端可调稳压器LM317L来设计恒流源[2]。
LM317L是三端可调稳压器,图2是它的典型应用。
图2(a
是它作为标准稳压器时的基本应用,此时在它的输出端与调整端之间固定产生一个稳定的压差,典型值为1125V,因此,它的输出电压VO=1125(1+Ra/Rb。
利用LM317的输出端于调整
2007年 第2期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor2007
No12
端之间具有稳定压差的特性,它也经常被用来设计恒流源,图2
(b是典型应用电路,它产生的电流大小为I=1125/R.参见图1,设计中R1取值为360Ω,故可以获得约315mA的恒流。
考
虑到后续的DC/DC芯片的工作电压范围为4~11V,同时考虑到实际电源的输出功率大小,使用了1个812V的稳压管Z1完成并联稳压功能,同时为U2提供稳定的入口电压,条件是U2总消耗电流小于314mA,Z1必须选择在小于011mA击穿电流时即可稳定的优质稳压管(可选用Philips公司的产品,最低静态稳定电流仅几十μA
。
(a
基本应用(b典型应用
图2 LM317L典型应用
电路前端的D1为防反相二极管,熔丝选择了PTC器件自恢复丝60,,它所处的环境温,。
电源的主要温漂就是恒流的漂移,产生的原因是LM317L的基准压差的温度漂移以及恒流电阻R1的温度漂移。
实际电路中,
R1选择了温度系数低于5×10
-6
/℃的产品,温漂可以忽略不
计。
LM317L的基准压差与温度关系曲线见图3,在-40~85℃的温度范围内,温度的影响较明显,在高精度应用时必须进行补偿。
考虑到电源的实际应用都是针对智能变送器的,在智能变送器系统中,出于对传感器校正以及线路补偿等目的,变送器电路中都会设计温度传感器,如LM75或者TC77等数字测温芯片,故此电路没有设计专门的硬件补偿,而是提供了一个软件补偿的算法,用户在应用电源的时候可以采用它对电源的温度漂移进行补偿
。
图3 LM317L基准温度特性曲线
如图3所示,LM317L的基准压差与温度关系曲线近似于简单的三次多项式函数关系形式,只需要设计Y轴反向的补偿函数即可,系统以20℃为补偿基点进行校准,具体补偿公式为
ΔI=A(t-202+B(t-203
式中t为环境温度。
系数A和B可以依据实际采用的LM317L芯片手册提供的基准电压温度曲线导出,最简单的做法就是取-20℃和60℃2个点,获取2个二元一次方程来求解A和B.
这样就能很容易获取一个拟合程度比较好的补偿曲线近似函数,补偿后的温度漂移影响基本可以忽略不计。
112 DC/DC变换电路
由于电源最大的设计难点是输入功率极小,因此对于隔离
端的设计不能采用功耗比较大的隔离反馈模式,实际电路采用了副边开环的方式。
具体使用MAX639来设计DC/DC核心电路,实现了较高的电能效率转换,在315mA供电输入时可以提供远大于315mA的电流给电路供电,从而解决了智能系统大电流的需求。
根据系统的要求,核心芯片必须具备微功耗、高效率、输入电压范围宽,以及外围器件简单等优点。
图1中DC/DC芯片为
MAXIM公司的MAX639[3],它是降压型DC/DC转换芯片,它的
主要特点:
输入电压范围宽(4~1115V;转换效率高(可达90%以上;静态电流低(10μA;可固定输出或可调输出。
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