HXN5型機車曲軸箱壓力傳感器改進

董傳順?張曙堅?冷潔楓?許文激

摘 要：針對HXN5型機車柴油機曲軸箱壓力傳感器性能不足的原因進行了分析，并根據(jù)傳感器生產和應用現(xiàn)狀制定了改進措施，解決了困擾機車運用中一直存在的慣性質量問題。

關鍵詞：HXN5機車；曲軸箱壓力傳感器

1 問題的提出

曲軸箱壓力傳感器是HXN5型機車測控系統(tǒng)的重要傳感器之一，對柴油機的碾瓦等故障提前預警。但從2009年開始，經常發(fā)生柴油機曲軸箱超壓誤報警故障，此問題經過多次處理，始終未能得到有效控制，嚴重影響了機車的正常使用。經過兩年多的攻關，2013年4月份確定故障原因為國產化傳感器性能與HXN5機車微機的控制軟件不相匹配。

對此，寧波傳感器技術有限公司與戚墅堰公司組織人員進行攻關分析，確定為以下四點原因，經過半年的整改，現(xiàn)問題已經基本解決。

2 原因分析

根據(jù)機車控制原理以及傳感器使用的現(xiàn)狀，有4個方面的問題可能對柴油機曲軸箱壓力超壓誤報警產生影響：傳感器氣孔的大小問題、壓力敏感元件的靈敏程度、傳感器的電磁兼容能力、傳感器內部電路。

2.1 傳感器進氣氣孔的大小問題

曲軸箱壓力傳感器在進行國產化時，采用了較小的進氣孔。在故障原因分析之初，發(fā)現(xiàn)較小的進氣孔對于速動氣流來說，沖擊壓力比較大。改進后采用與進口傳感器相同大小的進氣孔，經過試驗驗證，進氣孔的大小對壓力信號有一定影響，但影響比較小，不是故障的主要原因。

2.2 壓力敏感元件的靈敏程度

目前國內軌道交通領域常用壓力傳感器采用擴散硅壓力敏感元件或陶瓷敏感元件，原有國產化的曲軸箱壓力傳感器采用的是40PC系列的擴散硅壓力敏感元件，其缺點是介質兼容性差，溫漂大，反應過快無防護緩沖功能，因此無法滿足HXN5機車曲軸箱壓力測量環(huán)境的要求。

2.3傳感器的EMC能力

由于傳感器在機車上的運用電磁環(huán)境比較惡劣，電磁干擾比較復制和強烈，故戚墅堰公司和寧波公司技術人員考慮到超壓問題可能是由于電磁干擾引起的。寧波公司設計師改進了傳感器的電路設計增加了EMC防護電路，增強了傳感器的電磁兼容能力，經試驗驗證，效果不理想，曲線波動情況與原傳感器相差不大，故排除電磁干擾造成該問題的可能性。

2.4 傳感器內部電路

曲軸箱壓力傳感器作為微壓速動傳感器，其壓力信號經過壓敏元件轉換為電信號后，經模擬信號處理后，傳給機車微機系統(tǒng)。其改善電路設計原理替換原有的電路；現(xiàn)有方案采用ZMD31010智能信號調理技術進行信號采集處理，較之前的電路可以更好的對傳感器的偏移量、靈敏度、溫漂和非線性進行數(shù)字補償，同時該處理芯片可以進行數(shù)字單點校準：快速、準確。內部有一個16位的RISC微控制器運行校準公式，校準系數(shù)存放于EEPROM中。大大提高了傳感器的精確度和可靠性。具體功能見下圖：

3 最終整改措施

3.1 升級傳感器內部電路

升級傳感器內部電路后，通過裝車現(xiàn)場試驗，首次改進后的波形較未升級前的國產傳感器的波形明顯平穩(wěn)，但波形幅值仍然較大，如圖所示。

從上圖可以看出，改進后的傳感器波形與進口傳感器的波形波動性基本相符合，但幅值仍然較大。

3.2 更換壓力敏感元件

在初步升級內部電路后，波形仍不甚理想，在此基礎上，更換壓力敏感元件，用NPI-19A代替40PC，NPI-19A壓力敏感芯體其采用充油不銹鋼隔離膜技術。當壓力作用在不銹鋼波紋膜片正表面時，膜片感受到的壓力通過真空環(huán)境下充滿的硅油無失真地傳遞至硅壓阻力敏感片。硅壓阻力敏芯片受力，電阻率發(fā)生變化，電橋失衡，當恒壓供電時，就產生了正比于所承受壓力的差分電壓信號。不銹鋼隔離膜充油壓力敏感元件采用MEMS工藝制作，具有一致性高，輸出信號大，抗過載能力強等優(yōu)點，大幅提高了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。整個壓力敏感元件具有非常好的抗腐蝕，抗磨損、抗過載、抗沖擊和振動的性能。其外形見右圖：

3.3 效果驗證

傳感器升級改進后，2013年3月，對試制的新樣品進行型式試驗，如基本性能、振動試驗、射頻輻射場電磁場抗擾度試驗。以及與原有傳感器和進口傳感器的性能對比試驗。

2013年6月對改進后的國產化傳感器進行裝車運用考核，截止2014年2月未發(fā)生超壓誤報現(xiàn)象，運用結果表明，改進后的國產傳感器性能已達到HXN5機車的運用環(huán)境要求。

4 結論

由于HXN5型機車柴油機曲軸箱壓力傳感器是內燃機車的重要元件參與機車的運行控制，其故障會造成停機，引起機破。在其改進升級分析原因及驗證過程中，出現(xiàn)過許多波折，走了許多彎路，經過歷時近一年的攻關，現(xiàn)在該問題已經基本解決，現(xiàn)有兩個傳感器已經裝車考核半年多，效果良好，未發(fā)生過超壓誤報現(xiàn)象。也初步驗證了我們的改進有效的解決了傳感器與HXN5機車微機的控制軟件不相匹配的問題。

作者簡介

董傳順（1983—），男，山東省德州市人，助理工程師。