【机车大灯的改进设计13000字（论文）】

绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景在列车速度不断提升的同时，行车安全问题也凸显。火车事故造成的人员伤亡和列车颠覆给人民的生命财产带来重大损失，因此，在我国铁路实行火车提速已提到议事日程上来。经过几次大的提速工作后，各种安全技术装备已经基本完善。但由于种种原因，一些设备存在着一定的安全隐患，给检测工作带来很大困难。但从目前来看，仍存在一些不容忽视的问题：一是安全意识淡薄，二是缺乏严格有效的管理制度，三是部分规章制度不够完善，四是安全技术标准不健全，五是安全投入不足，六是管理手段落后。铁道部对铁路安全工作十分重视。但是由于种种原因，目前我国的安全生产状况与发达国家相比还有相当大的差距，仍存在着许多不稳定因素。因此，必须要加强安全管理工作。铁路安全分为路内安全与路外安全。路内安全是保证行车安全的基础，而提速客车又是路外安全的重要组成部分，二者相辅相成，缺一不可，在整个铁路中占有举足轻重的地位。铁路系统的“以科技保稳定”方针，要求铁道部在安全技术上有新突破。近几年，我国铁路部门在安全设备方面投入了大量资金，但由于缺乏相应的基础设施，使得安全技术装备落后于国外水平。但由于种种原因，目前我国的铁路信号系统仍然存在着一些缺陷与漏洞，需要进一步完善与改进。如：信号机中没有显示故障码；部分信号机出现漏报现象等。铁路安全技术装备主要是指各种安全设备和系统，以及它们的国产化。安全装备可以帮助铁路工作人员及时掌握列车的安全情况，做到防患于未然；机车在夜间行驶时，由于轨道能见度低，容易使机车驾驶员产生错觉，尤其是在夜晚行车时，由于弯道较多而造成视距不足，极易发生交通事故。目前，我国铁路机车普遍采用前照明灯的固定方式。这种固定方式不仅影响行车安全，而且使司机工作条件变差。随着我国铁路运输事业发展和铁路信号设备现代化水平的提高，对机车前照灯也提出了新的要求。当机车在直线轨道上行驶时，其光线不会偏离轨道中心。当机车行驶在铁路弯道时，由于前照明灯与弯道切线不重合，使其无法看到前方的铁道线路。当聚焦光点在100～200m范围内时，会使铁道的弯道内侧形成一个照明盲区，给机车驾驶员带来了一定的安全距离和安全隐患。一旦发生危及行车安全意外情况则无法及时处置而造成事故。1.1.2研究意义本研究针对机车前照灯做了设计及改良，以自动控制机车前照灯随路线曲线转弯，并尽量延长机车乘务员瞭望距离以强化行车安全，此外透过前照灯之改良设计，可适度降低乘务员晚间驾驶时之精神压力及提前提醒路线上之行人躲避火车，并有效降低路外伤亡。为了实现上述目的，本装置主要包括以下几个方面：一是控制单元，二是转向架，三是驱动电路和控制电路等三部分组成。所以从功能上讲该设备要能够满足机车在不同线路曲线行驶时机车前照灯会自动发生相应角度偏转，从而达到提高瞭望距离、改善夜间机车在线路曲线行驶状况、增强行车安全等目的。1.2国内外研究现状过去，铁路机车前照灯固定装在机车头部且无法左右偏移，机车行驶至铁路弯道处，前照灯的光束会沿着弯道切线方向向外直射并偏离铁道线路，聚焦投光点无法落入前方一个设定距离处的铁路内，铁路被照范围较小。当线路曲线半径为300米时，只能看到前方48米线路，这种安全距离短、安全隐患大，影响行车安全。为达到这一目的，一些人发明了能转弯的前照灯。前照灯或由人工控制转弯，或由控制装置控制自动转弯。如中国专利所披露的《铁路机车自动转向的前照灯》（CN1011770B），前照灯由一个由机械传动装置驱动的可偏转前照灯灯体、一个探测铁道弯曲半径及前照灯本身偏转角的传感器、一个根据探测信号来控制前照灯偏转角的自动控制器、一个闭环控制前照灯转向角的闭环控制装置等组成，使得聚焦投光点落入安全瞭望距离内的铁道中，从而为行车安全提供技术装备与工具。为了解决上述问题，铁道部决定研制一种新型机车前照灯来取代原来的固定式前照灯。该产品经试验和使用证明，它具有结构简单，使用方便，安全可靠等优点。但这种前照灯也有以下不足：（1）作为控制参数，物理量和对应传感器的选取不尽合理。这种前照灯利用力传感器探测机车行驶至铁路弯道所受向心力表征线路曲线半径大小，我们知道机车在铁路弯道上行驶所受向心力大小不仅和线路曲线半径大小有关系，而且和机车质量、行驶速度、线路坡度和线路平顺程度等因素也有关系，特别是在铁路弯道设计过程中，已采取了一些技术措施克服或者降低机车在铁路弯道行驶所受离心力大小，铁路弯道外轨水平高度大于内轨水平高度，线路曲线半径越小，内轨和外轨高度差越小，外轨和内轨距离越远，外轨和外轨距离越小，则外轨距离越长，外轨距离越远，离心力越小。如果列车通过铁路弯道时所受离心力大于机车所受向心力，则会发生后车追尾事故；反之，若机车行驶过程中没有偏离轨道中心，将不会导致行车安全事故。显然向心力和线路曲线半径之间并非唯一且完全对应，无法真实且精确表征线路曲线半径大小，所以以向心力为控制参数对前照灯偏转角度进行控制时，角度偏转增量并不满足铁路弯道曲率增量要求，受机车速度、线路曲线半径以及线路弯道内外轨高度差等三大因素综合影响，即便处于相同弯道，设备所探测到向心力方向及大小也会随机车速度改变而改变，所以前照灯聚焦投光点无法精确落入安全瞭望距离范围内，时而会偏离前照灯转向角度。（2）本前照灯传动装置使用蜗轮蜗杆并在蜗轮上固接有一根拨杆并使用拨杆对前照灯架体进行拨动使其偏移，其结构不足之处在于：1）拨杆和架体之间有装配间隙导致拨杆运动无法和控制信号保持同步而控制效果较差；2）拨杆用于拨动前照灯架体时力臂较长且结构不够紧凑，架体对车体晃动抵抗能力较差；3）前照灯传动装置因蜗轮蜗杆单向驱动而无法驱动前照灯，在前照灯工作过程中需要手动将前照灯复原到前照灯架体内；4）前照灯架体上的前照灯只能在前照灯体工作过程中才能保持前照灯体正常工作。（3）现有的前照灯自动控制器均为常规模拟电路构成的控制器。正因为有以上不足，这种前照灯聚焦投光点不可能总是精确地落入安全瞭望距离内的铁道内，而且灵敏度不高，当线路曲率很小，曲线半径超过1000m时就会出现自控失效现象，前照灯就会拒动而没有反应。1.3主要研究内容本文主要是对机车大灯进行设计改进研究，首先对该课题相关研究内容进行总结，其次就机车大灯的整体结构设计，从机械结构设计、电气部分设计以及硬件选型方面展开。之后基于LKJ2000，对机车大灯控制系统进行了实现，从系统方案到执行方案进行分析。最后通过案例分析了机车大灯控制改进案例分析，说明了改进的机车大灯设计有比较良好的应用情景。2机车大灯的整体结构设计2.1系统概述机车大灯控制系统用于改善机车运行安全，多曲线山区中，因机车处于曲线中，大灯光线偏离轨道中心位置，机车驾驶员通常以大俯角和散照射方式进行适应，这必然过多地损耗直线向远各点照度。因此，为了确保行车安全，必须要使机车前灯与后照之间保持适当的距离。如果过短或过长均不能满足行驶要求，则容易造成追尾事故。光线的反射和投射也会影响到机车大灯控制系统，使其不能准确地反映出大灯与轨道的中心位置关系，从而造成机车驾驶员无法正确判断铁轨的走向，发生安全事故。机车驾驶员是机车人机系统中最重要的组成部分之一，而机车大灯又是影响机车驾驶员注意力的主要因素。系统基本工作过程如下：首先控制系统采用串口通讯的方式从上位机采集机车行驶过程中的相关信息数据，再由编制的控制程序对大灯所需旋转角度，旋转速度进行计算，以此来控制步进电机的起动，停止以及加减速，最后大灯旋转位置信号由限位开关反馈到控制系统。2.2系统整体结构设计2.2.1机械结构设计该装置机械部分由大灯旋转机架、涡轮蜗杆传动、步进电机支架、安放固定电源与控制系统平板组成。它采用了凸轮机构与曲柄滑块机构相结合，使整个系统具有结构紧凑合理，运动平稳可靠等优点。在电气控制方面也作了较大改进，以保证各零部件之间良好配合。其设计机械结构见图2-1及图2-2。图2-1机车大灯系统主视图图2-2机车大灯系统侧视图其中大灯4及涡轮10均与大灯旋转机架14固连，蜗杆11与步进电机1转动轴固连，步进电机支架2及步进电机驱动器共同与底板12固连，二层板18内设有控制系统及系统电源，三层板20内设有大灯电源及一些低压电器元件。其原理是：控制系统经程序计算向步进电机驱动器发出脉冲，使步进电机以一定转速旋转，步进电机经涡轮蜗杆传动带动大灯支架绕转轴6旋转，进而控制大灯作水平±6°旋转，确保机车前100m处光束调节范围±10m。转轴6内轴承装配关系见图2-3。图2-3轴承装配关系图该结构将转轴与底板固定连接，大灯机架由2个轴承围绕转轴转动，下方推力轴承以轴向力为主，上方深沟球轴承以避免大灯机架左右摆动和径向力为主。由于灯架和电机之间有间隙，所以要设计一个特殊的密封装置来保护灯架与电机的配合间隙不被破坏，这样才能保证电机正常工作。最上层为卡环，此外还设有防尘端盖。蜗轮与蜗杆装配关系及传动结构，见图2-4、图2-5。图2-4蜗轮蜗杆装配关系图图2-5传动结构关系图2.2.2电气部分设计机车前大灯控制系统电气部分由机车前大灯、前大灯电源、控制系统和步进电机电源，步进电机驱动器、步进电机、下位机控制系统一体化箱和低压电气电路等组成。其中，高压电气部分采用了新型元器件，具有集成度高、体积小、重量轻等优点；控制电路采用模块化设计方法，简化了电路设计过程。同时提高了系统稳定性和可靠性，降低了成本。大灯控制系统结构原理见图2-6。图2-6大灯控制系统的结构原理图该系统的工作基本过程如下：首先，下位机大灯控制系统通过机车运行动态信号接口电路采集机车运行状态信息数据，主要包括机车动态速度、前方弯道方向、半径、长度以及动态距离等。其次，这些信号经过单片机处理后送至单片机内部的A/D转换单元，A/D转换器又通过串口传给上位机RS232串行通信模块。在此过程中，单片机还可以实时显示当前车速。之后，根据这些参数建立了大灯的数学模型，并采用自适应控制的方法对其进行优化，以缩短大灯在行驶过程中的滞后时间，使其能够顺利地通过离弯道，并且可以实现发脉冲的功能，同时还可以利用步进电机驱动器来驱动步进电机的固定转轴。最后车灯零度位置传感器也要向下位机车灯控制系统回馈车灯位置信号。2.2.3硬件选型（1）灯具选型机车大灯与行车安全有关，它要求灯泡应具有耐振动、寿命长、光通量大等特点。六十年代前，我国机车照明采用白炽前照灯（光源为50V500W排丝白炽灯），光通量110001m，额定寿命150h，白炽前照灯的光强较弱，常发生断丝现象，灯泡寿命短。在当时条件下，主要用于铁路运输部门，对其它行业也有一定影响。六十年代中期以后，我国机车普遍采用的前照灯均为50V或更低电压等级的汞氙灯，不能满足机车运行时对电压要求较高的需要，于是出现了以110V内燃为主的汞氙灯产品。90年代以后，铁道部科学院通号所成功地研制出适合各种国产内燃和电力机车使用的LW-800系列机车前照灯（110V、800W管形卤钨灯），其光源光强度达10X106cd，具有广阔的市场前景。这些灯管都存在着体积大、耗电多等问题；而且由于汞弧焰燃烧所产生的有害射线会对人体造成危害，因而它们在应用上受到一定限制。为了解决这个矛盾，反光镜采用镀冷反光膜加汞氙灯组合。进入21世纪以来，金属卤化物灯中的金卤灯作为一种新型的高强度气体放电光源被公认为是“21世纪最有发展前景的光源产品”，它具有寿命长、光效高、显色性好等特点；冷、热状态下都可可靠引燃，平均寿命为1500h，金卤灯功率在35W～2000W范围内成组。针对铁路机车照明需求，系统选用机型JQD400-2型金卤型机车前照灯进行设计，主要技术参数有额定电压110VDC、工作电压77VDC～140VDC、功率全光400W减光时150W、灯具光效率801m/w、冷态引燃时≤1s、热态引燃时≤3s、引燃至正常能照度≤4.5s、灯泡平均使用寿命2000h、色温6000K、显色指数80～90、工作温度-45°C～+70°C、800m外处的照度为3.0LX，外形尺寸与机车灯室安装尺寸相同。（2）电源选型因为机车大灯及下位机控制系统供电都是由机车直流电源提供。电源的稳定度要求很高，一般为30V-150VDC，甚至更高。因此本文设计了一个具有宽输入电压和高稳定度特性的开关DC-DC直流电源。根据车灯需求，车灯电源选用ElectronicBallast车型TMD-250-11B型DC-DC变换器，输入电压77-137.5V，输出电压110V。下位机控制系统的电源电压为5V，步进电机驱动器的电压为24V，本课题设计了铁路机车专用一体化开关电源，其控制芯片采用4NIC-LJ77来实现，主要技术参数如下表所示。输入：DC110V（50~130V）输出：DC5V-lA，24V-3A隔离；保护功能：过压、过流和短路保护；纹波：有效值（Vrms）≤0.1%，峰峰值（Vpps）≤1.0%；内部实体封装：采用全密封式结构，具有防振动、防潮湿、防霉菌和防盐雾等功能；散热方式：主要采用传导散热方式。（3）电机选型该系统步进电机依靠涡轮蜗杆的传动带动大灯围绕固定转轴旋转，在大灯支架与固定转轴间安装推力轴承与深沟球轴承配合使用，因此根据扭矩要求我们选用常州双杰公司生产的一款小功率两相混合步进电机57BYGH8404，其步距角0.9/1.8°、机身长76mm、相电流最大值3A、静力矩最大值17Kgcm、定位力距600Kgcm、转动惯量440gcm2。图2-7步进电机外形尺寸（4）驱动器因该系统步进电机驱动器需与步进电机相互配套，故选用型号SJ-230M2二相混合式步进电机细分驱动器（见图2-8）。本驱动器主要由控制电路及外围电路组成。其工作原理是：将脉冲宽度调制（PWM）技术应用到交流伺服电动机上，通过改变输出电压来达到调节速度的目的。驱动器使用原装进口模块实现高频斩波和恒流驱动，抗干扰性强，高频性能良好，启动频率较高，控制信号和内部信号均实现光电隔离，电流可选且结构简单，工作稳定可靠，噪声低，驱动3.0A内全部42BYG、57BYG等一系列电机为二相混合步进电机。图2-8步进电机驱动器驱动器有三路输入信号，即步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR和脱机信号FREE。驱动器输出端的电压约为270欧左右，它由限流电阻和光耦构成，其负输入端采用电路形式。为了简化结构和降低成本，本文提出一种新型三路光控型输出驱动电路。这种电路具有如下特点：1）采用了特殊设计的光电耦合器；2）利用OPTO作为输入输出器件。OPTO端接有两路信号，其中一路为公共正端，另一路与一路光耦的正输入端相连，将两路输入信号进行合成后再送到驱动器中实现共阳方式工作，OPTO端的输出端连接到外部系统的VCC上。步进脉冲信号通过一个与之连接的接口输入到该接口上，CP作为步进电机的驱动器，当接收到CP脉冲后，该接口会将步进电机的步距角信息传递给下一级，然后再根据下一级的细分时所需的细分步距角来控制下一级的CP脉冲，从而使步进电机的转速跟随上一级的CP脉冲而变化，进而实现对步进电机位置的精确控制。如果把它转换成正弦波信号（即方波），通过PWM调制后再送到驱动器。这时，步进电机的转速会随着输入电压的变化而发生相应地变化，从而实现了高精度定位。步进电机调速是实现定位的关键。该驱动器CP信号采用低电平高效，需要CP信号驱动电流在8～15mA之间，同时还需要CP脉冲宽度，通常不能低于55μs。方向电平信号DIR控制步进电机转动方向。它由输入端和端两部分组成。高电平表示电机正转动，低电平表示电机反转。电机换向须在电机停转时才能完成，换向信号须在上一方向上末次CP脉冲之后和下一方向上首次CP脉冲之前发出。（5）主控芯片本系统下位机控制系统以AVR系列单片机作为主控芯片，但从安全性、可靠性角度出发，当系统发生故障无法正常运行时，需将大灯自动转至正中间以确保光束直接照射到前面。主控系统是整个系统的核心部分，它与手动复位系统相连，在主控系统接收到上位机发送来的控制步进电机的脉冲指令后，启动手动复位系统，通过单片机控制系统上的限位开关和零位开关实现对车辆行驶方向的控制；当主控制器接收到来自外部传感器采集来的数据后，通过串口通信发送给上位机进行显示和存储；如果主控板发生硬件电路损坏或软件部分异常等情况时，则向主控器发送报警信号。主控系统启动后按下手动复位按钮，当此时，主控系统会切断工作电源并向复位系统供电。单片机控制系统向伺服驱动器发出脉冲信号，进而带动步进电机转动，在这一过程中，选转支架与左，右限位开关任意一位置接触后即自动倒转，直至与零位开关接触后停止转动，以确保大灯光束的最后直射。前大灯控制系统机车行驶动态信号界面电路，是实现下位机控制系统和上位机之间通信的重点。下位机利用串口通讯协议，从机车主控计算机，也就是上位机，获取机车当前运行状态和列车运行图中有关参数。3机车大灯控制系统实现3.1铁路线路分析铁路线路通常分为直线、圆曲线和缓和曲线三种（见图3-1）。缓和曲线的主要作用是将直线和圆曲线连接起来，实现直线和圆曲线间的平稳过渡，列车通过弯道时能有效地减缓离心力突变，它的曲率半径将在相连直线和圆曲线曲率半径范围内发生变化。为了保证旅客乘坐的舒适度，这就要求两条或更多条曲线线路都要比一条夹直线线路短。而随着我国高速铁路快速发展，对列车运行稳定性及安全性要求越来越高。因此，需要合理地选择曲线线路长度，以满足高速行车需求。曲线线路半径与列车的最高设计速度有关。修建铁路线路时，为便于设计，施工及维护，曲线线路半径宜采用50m或者100m整数倍的原则，优先采用国标要求的序列值，测设难度大或者施工难度大的地段曲线半径可采用10m整数倍的方法。图3-1铁路线路类型把铁路线路上弯道顺序定为直线-曲线-直线，曲线的一部分叫弯道，按机车大灯偏转到弯道起始点后受照，可把铁路线路划分成两种类型：第一种弯道很短，大灯受照中心点离弯，第二种弯道很长，受照中心点还在弯内。3.2可行性分析LKJ-2000型列车速度控制设备由中国新一代国产自行研制，主要用于保证列车运行安全，屏幕显不器可显示公里数、曲线半径、现行运行速度、坡道、纵断面、桥梁隧道及限制速度的实时信息。通过对这些数据信息进行分析处理，实现自动判断并发出指令，从而保证行车过程中车内人员以及车辆之间的人身安全。目前已应用于国内多条线路上。并且取得良好效果。受到广泛好评。安全速度管理是保证列车安全运行的重要手段之一，通过对机车运行状态进行监测与分析，实现了机车运行管理的智能化，满足了旅客乘坐旅客列车的需求。LKJ-300型机车前照灯系统通过采集列车实时信息实现对机车前大灯的智能转向控制。为了提高陀螺仪的自主导航能力，可以基于陀螺仪的铁路机车前照灯随动动控制系统，该系统利用陀螺仪测量转向架在不同运行状态下的相对转角，并将其传递给车辆，使车辆能够准确地跟踪曲线线路；为了使系统能够实时地检测到机车前方路面状况，当列车进入曲线时，利用实测相对转角获得机车大灯在某一安全距离内的相对偏转角度，实现机车大灯在不同曲线上发生偏转以减少曲线内侧盲区。根据LKJ-2000及陀螺仪给出的线路数据该系统采用单片机控制为主控芯片，电子舵机装置作为执行机构来实现机车大灯智能随动，其主要控制手段，分三个步骤进行：1）机车驶人曲线线路之前，根据LKJ-2000上位机提供的机车运行信息及道路数据库，对铁路线路进行种类分析，并建立弯道曲线的数学模型，预先产生直线段大灯转角数据库2）机车驶人弯道曲线线路之后，陀螺仪X轴探测机车转向架相对于车体转角及转动加速度并实时产生曲线段大灯转角数据库3.根据所产生的弯道曲线转角数据库并结合弯道曲线转角信息，利用舵机驱动机车转向，使得转向时刻汇聚于弯道中心线。3.3大灯偏转角数据库生成3.3.1直线段偏转角生成机车驶人曲线段开始前，大灯将逐步偏转，由角度-路线模型可计算直线段偏转角随路线位置的变化。为了便于单片机加工，角度--线路之间函数关系需插值或者拟合。曲线插值常用的方法有：拉格朗日插值法、牛顿插值法和三次样条插值法等。该方法具有如下特点：1）拉格朗日插值法理论上分析起来虽容易，但当插值节点增多，减少或者它的位置改变时，所有插值函数都必须改变，导致插值公式多项式结构随之改变，对计算上十分不利；2）牛顿插值法虽能克服拉格朗日插值的不足，但牛顿插值法对多项式函数的要求更高；3）当插值条件较大时，多项式函数阶数将更大；4三次样条插值算法对曲线波动概率的影响较大。采用角度-线路模型对线性函数进行了求解，并与传统的最小二乘法曲线拟合做对比分析，结果表明：以最小化误差为目标的最佳函数更适合于参数拟合。基于此，本文利用最小二乘法进行曲线拟合最终获得公里标，曲线半径与前大灯转角之间的关系并预先生成直线段前大灯转角数据库。3.3.2曲线段偏转角生成当机车进入曲线线路时，陀螺仪X轴对机车转向架相对于车体转角进行检测，可直接获取公里标，相对转角与大灯转角之间的对应关系，并实时生成曲线段前大灯转角数据库。3.4系统工作原理3.4.1系统方案机车前大灯随动控制系统由两片AVR单片机构成的MCU微控制器模块，另外还有LKJ-2000光电隔离接口、陀螺仪、舵机以及大灯限位开关（如图3-2所示）等外围硬件模块。图3-2系统总体框图（1）控制模块。MCU控制器模块选ATMega16，内部采用双核CPU设计。CPU1和LKJ分别负责采集机车在曲线路段行驶时的速度数据、路面情况数据以及道路数据库中记录的直线段长度数据等，并通过计算出的车头转角与陀螺仪测量到的曲线线路长度进行比较，根据比较结果从线路数据库中调取对应的曲线段的速度数据及相应的大灯转角；CPU2负责从CPU1接收角度信息并完成开环控制舵机。（2）光电隔离接口。LKJ-2000光电隔离接口选自光耦芯片PC817，该芯片输入端为电流型运行低阻元件，共模抑制能力强。与传统的电阻或电容等无源器件相比，PC8具有较高的电气性能。作为长线信息传输系统的终端隔离元件可显著提高信噪比，作为系统数字通信与实时控制时信号隔离连接器件可显著提高控制系统管理工作可靠性。（3）陀螺仪。陀螺仪由安装在车体上的MPU6050芯片控制，它包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度传感器，其中一个陀螺仪与另一个加速度传感器相连。陀螺仪将测量结果转化为数字信号，并传输给上位机进行显示。同时陀螺仪还具有测速功能，可根据车速计算出车轮实际转动距离。机车运行至曲线段后，可通过设置的转向架陀螺仪模块探测X轴方向的改变及改变速度，继而产生大灯曲线段转角。3.4.2执行机构由于列车运行环境恶劣，经常在雨雪、风沙、高温及极寒等极端天气下行驶，车下场地狭窄且伴随着强烈的振动及电磁干扰，需要前大灯在转弯时能随着曲线线路快速做出反应而转向行驶。如果采用传统机械式或电磁式转向架来实现上述功能是不现实的。而目前国内外普遍使用永磁同步电机作为列车前照灯驱动电源。它具有体积小、重量轻、可靠性高和节能环保等优点。因此，需要有一个可靠的执行机构来抑制这种强烈的电磁干扰，提高能量转换效率，以保证列车安全行驶。舵机作为执行机构中最重要的部件之一，它由外壳、电路板、驱动电机、减速器及位置检测元件组成。它比同功率铁芯电机的优点十分明显：1）响应速度极快，许多产品能达到10ms；2）自适应能力很强，工作十分平稳，本身旋转的波速也能控制在允许范围内；3）使用优质电刷及换向结构使换向火花很小，从而具有较强的抗干扰能力；4）重量及体积大大缩小，能量转换率大，效率可达允许范围内；5）转速-转矩，转速-电压及转矩-电流之间存在着线性关系，这些相应参数之间存在着线性关系。舵机模块由MG996芯片构成，MCU控制模块负责对舵机进行控制，其电路板上集成了多种IC，包括无核心马达、减速齿轮、摆臂、位置检测器以及定位等电路。可变电阻在舵机中扮演重要角色，它的电阻值大小直接影响到整个系统的性能，因此可变电阻的电阻变化量也就是我们常说的角度。本舵机带反馈环节伺服电机通过舵机可实现对机车前大灯的准确位置控制，舵机输出轴位置经内部电位计连续取样测量后与MCU控制模块计算出的机车前大灯偏转后的目标位置相比较，依据对应偏差系统自动调节舵机输出轴真实位置以满足目标位置要求，从而构建闭环控制系统。4机车大灯控制改进案例分析4.1案例概况目前准东铁路和呼准铁路所用型号主力是韶山4改型电力机车（以下简称韶山4），该型号机车一般都使用卤素灯（以下简称卤素灯），卤素灯具有亮度高，照射距离小，寿命较短等不足，再加上管辖区域地处鄂尔多斯市以东，毛乌素沙漠东南侧，风沙大，造成管辖区域线路情况极其复杂，驾驶员夜间作业风险大，给机车夜间作业留下十分严重的安全隐患。因此，研究开发出一种新型节能环保的大功率LED照明灯具具有十分重要意义。针对列车在夜间运行时遭遇的各种异常情况，可采用更先进，可靠系数更高，使用费用更低的LED灯代替现行SS4改型电力机车原厂组装普通低电压卤钨灯优化设计方案。图4-1改造电路图4.2改进方案以原韶山4型改型电力机车原厂装备的110V直流电供电，并通过装备降压模块使直流110V降至直流12V电压，同时通过内建宽电压供电管理芯片XL4101芯片与本次改型所用LED灯电压等级相匹配。依据机车新装LED灯之使用动力，为了配合改装，机车需重新安装2只150W降压模块，这2只降压模块皆能输出12V之电压，每只电压水平可达12V,功率可达60W,色温K值可达7000之4只LED灯之电源，而不需更改原厂所装备之头灯固定支架，即可使新装LED灯与原灯座固定连接，并不须更改机车前照灯之原控制开启模式，改装电路示意图见图1。本次改装所用LED灯由15个4WLED灯珠组成，单个点亮340流明度，整个灯具点亮6120流明度。对整个方案进行了详细的分析和设计，并结合现场实际情况进行验证，结果表明改造后的线路能够满足相关标准要求。因为准东铁路和呼准铁路大多处于沙漠边缘地区，夏天阳光充足，阳光直射比较强，机车车顶日晒造成气温升高，为确保头灯工作超过10h后不会产生高温问题，解决因过热造成车灯受损的问题，较好的配合LED能够正常运行，特对LED灯散热片增设12V散热风扇来确保头灯即使在酷热的夏天也能够确保头灯散热条件好，能够有效提高头灯的使用寿命。结合车灯工作时自发热和外界阳光直射引起发热的特点，改用使用全铝散热外壳对流刀片式进行散热来保证较好的散热条件。4.3改造方案分析4.3.1亮度分析因辖区位于鄂尔多斯市以东、毛乌素沙漠边，常年风沙天气频繁，秋、冬季沙尘暴天气频繁，造成机车运行工况差，特别是晚上遭遇沙尘暴时，能见度更差，有的甚至能见度小于50m,而机车原厂组装的常用低电压卤钨灯穿透力弱，造成驾驶员在恶劣天气状况下驾驶风险系数高。针对此现象，我们对原有的韶山4改电力机车进行了一系列技术改造，以达到提高其安全性和可靠性。其中包括：更换新的高压熔断器；增加蓄电池组容量；加装灯具控制器。且本次改装所用LED前照灯由四盏12V/60W色温K值为7000的LED灯构成，保证机车于恶劣及能见度较低之天气情况下亦能具有良好穿透力，而改装之LED机车前照灯亦具有较高亮度，可有效改善夜间驾驶所导致之视线不佳情形，让驾驶员于夜间驾驶时能预先清楚观察路线及接触网之异常情况，有利于驾驶员预先察觉路线及接触网所产生之问题，採取适当之减速慢行或停驶措施以避免安全驾驶之危险，显著降低原韶山4型电力动车组于夜间驾驶时因视线不佳所导致之伤亡。图4-2为改装前，后前照灯的亮度比较。图4-2改造前后前照灯亮度对比4.3.2照射距离分析改装韶山4型改型机车前照灯LED灯每只单灯包含18个灯珠，每只灯珠都带有自己的反光杯，单灯照光度为400～500m，照光度为原车装备普通低压卤钨灯照光度的1～2倍，较好地解决了恶劣天气条件下卤素灯穿透力差的问题；LED灯改装所用LED前照灯聚光度为15～20度左右，较好改善了卤素灯聚光度差的不足；LED灯照光度为-40℃～+85℃，更能满足内蒙地区冬夏两季气候要求。同时还提高了灯具自身散热性能，减少热量散失。另外，通过对灯具进行一系列的改进，使其亮度更均匀、发光效率更高、光通量更大、使用寿命更长。此外，由于采用了LED光源。改造后的机车用LED前照灯具有较短的照射距离、较强的灯光穿透力以及高的聚光度等优点，满足了司机对环境的要求及对环境的保护。图4-3为夜间条件下LED灯和卤钨灯照射距离的比较。图4-3LED灯与卤钨灯在夜间情况下照射距离对比4.3.3使用寿命分析LED灯有无需等待开机时间即开即亮，并且无钨丝，玻璃壳等易破损零件，使工作寿命长，一般LED灯使用寿命为50000-80000h。而常规卤钨灯因其属于白炽灯基本原理，又为了解决玻壳变黑问题，将卤族元素或者卤化物填充到白炽灯内部，运用卤钨循环原理可杜绝白炽灯玻壳变黑，使工作温度达到数百度，并使钨丝温度达到3000度，从而使钨丝灯具有3000～5000h的工作寿命。LED灯与传统卤钨灯相比，其发光效率更高，光通量更大，更节能环保。但传统卤钨灯和LED灯都存在寿命短的缺点。而LED灯的工作寿命长比传统卤钨灯的工作寿命长10倍以上，LED灯作为机车前照灯具有更换率高、维护方便等优点。同时在每台前照灯的四个LED灯局部失效后，仅对失效LED灯进行替换，维护费用较低，而传统卤素灯一旦局部受损，就必须对灯体整体进行替换，造成维护费用较高。4.3.4发光效率分析传统卤钨灯光效在12-24流明/瓦之间，发光效率不高，而且其绝大部分能量都以热的方式逸出至空气中，构成损失，造成大量能量浪费，同时能量损失所产生的热还会引起卤钨灯严重发热，易使某些元件过热而烧毁，从而严重降低卤钨灯工作寿命。目前普遍采用的高压钠灯由于存在着色温高和显色指数低等缺陷而被淘汰，LED作为一种新型光源已在铁路牵引领域得到广泛应用。本文对LED驱动电路进行了研究设计。LED灯通过技术改良后发光效率大大提高，光效经可达50～200流明/瓦，与卤钨灯相比有很大改善，LED灯的发热量更低，使用寿命得到显著增加，从而能更好地适应电力机车前照灯照明需求。4.3.5耗电量分析此次改装机车使用了直流驱动改进型LED前照灯，由4个单灯60W的LED灯构成，工作电流3.7A左右。由于大功率的LED灯具有高光效、高亮度和节能等优点，因此可以满足大功率牵引电动机对功率的要求；而传统的白炽灯虽然效率较低但寿命长且安全性能也比较理想。同时LED灯反速度高，能在高频状态下运行，照明效果相同时耗电量约为卤钨灯耗电量的1/4，能够很好的节约能源和减少机车使用成本。5结束语铁路在提速行驶后，其安全问题受到了人们的重视。由于铁路运输具有一定的危险性，因此在行车过程中必须要保证其安全性和稳定性。其中最主要的就是为了确保列车能够保持着稳定的运行状态。目前我国铁路机车普遍使用的是前大灯，由于前大灯的照灯光线和延切线与轨面有一定的夹角。这不仅会对机车驾驶员造成视觉上的影响，而且还