高速動車組車載水箱傳感器故障檢測與診斷技術(shù)研究

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(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000)

1 引言

近些年隨著中國鐵路的大發(fā)展，動車組對設(shè)備可靠性以及舒適度的要求也越來越高。水箱的可靠運行是旅客攝水量的保證，其中水箱水位是水箱的重要控制參數(shù)，目前動車組上水位傳感器的故障頻發(fā)，嚴重影響了旅客的正常飲水，因此開展車載水箱水位傳感器的故障研究是十分必要的。

水箱傳感器由干簧管和外部控制磁鐵組成，通過改變它們距離來改變傳感器的導(dǎo)通情況，國內(nèi)外學(xué)者對水箱水位傳感器進行了相關(guān)的研究，馬媛[1]實現(xiàn)了基于STC單片機的高可靠性水位傳感器設(shè)計，其中分別對傳感器機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件等進行原理說明，以實現(xiàn)通過單片機對水箱控制系統(tǒng)進行在線監(jiān)測及診斷；蘇紅[2]提出了一種通過構(gòu)建RBF網(wǎng)絡(luò)估值器的故障診斷方法來實現(xiàn)水箱診斷系統(tǒng)的自動化和系統(tǒng)化。針對車載水箱傳感器，由于我國地域跨度大，環(huán)境復(fù)雜多變，車載水箱傳感器[3]工作溫度場變化差異顯著。因此，溫度可能是導(dǎo)致車載水箱傳感器故障的原因。有必要針對中國鐵路運營范圍內(nèi)大部分地區(qū)的極限溫度進行取值，并根據(jù)相應(yīng)的溫度進行實驗。

本文針對溫度對車載水箱傳感器[4]的影響進行了研究：實驗室內(nèi)搭建了極限溫度場測試平臺并研究了溫度對干簧管的影響，搭建了磁鐵居里溫度測試平臺研究了外部強磁環(huán)境對外部控制磁鐵工作狀態(tài)的影響，根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)提出了針對動車組水箱的故障檢測與診斷技術(shù)，實現(xiàn)高速動車組車載水位傳感器的準確快捷地在線檢測。

2 實驗測試

2.1 干簧管性能測試

為了測試該傳感器的實際性能，搭建實驗平臺對其性能進行測試。實驗平臺如圖1所示，圍繞傳感器所在的信號輸出端口，包括為其提供不同的溫度場(低溫試驗箱和真空高溫干燥箱)。實驗根據(jù)所設(shè)定的溫度范圍從-70°～160°，選取相同條件下的車載水箱傳感器置于不同溫度場中10min，之后保持在相同的溫度下測量其性能。

圖1 極限溫度場測試平臺

2.2 外部控制磁鐵的性能測試

本實驗采用如圖2所示的RL交流電橋，在電橋中輸入電源由信號發(fā)生器提供，在實驗中應(yīng)適當選擇較高的輸，出頻率，為信號發(fā)生器的角頻率。其中Z1和Z2為純電阻，Z3和Z4為電感(包括電感的線性電阻r1和r2，F(xiàn)D-FMCT-A型鐵磁材料居里溫度測試實驗儀中還接入了一個可調(diào)電阻R3)，其復(fù)阻抗為：

Z1=R1

Z2=R2

Z3=r1+jωL1

Z4=r2+jωL2

(1)

當電橋平衡時有

R1(r2+jωL2)=R2(r1+jωL1)

(2)

實部與虛部分別相等，得：

(3)

圖2 RL交流電橋

3 實驗結(jié)果分析及診斷方案提出

3.1 實驗結(jié)果分析

3.1.1 干簧管極限工作溫度測試

表1所示干簧管[5]在極限工作情況下的溫度場測試，通過表1可知車載水箱傳感器的核心就是干簧管，在正常工作下穩(wěn)定度較高。在正常溫度場波動范圍內(nèi)，干簧管性能幾乎沒有受到影響。除非是極端情況下，溫度到達-70°或者是160°，這樣極限溫度下才可能會對干簧管的性能產(chǎn)生影響和改變。

表1 極限工作情況下的溫度場測試

3.1.2 磁鐵居里溫度測試

選擇合適的電子元件相匹配，在未放入鐵氧體時，可直接使電橋平衡，但當其中一個電感放入鐵氧體后，電感大小發(fā)生了變化，引起電橋不平衡。在溫度變化的過程中，我們實時記錄下電橋電壓和溫度對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，表2所示為輸出電壓和加熱溫度的關(guān)系。表2表明電橋電壓差隨著溫度升高而降低，變化率也在明顯變化。

表2 外部控制磁鐵樣品交流電橋輸出電壓與加熱溫度關(guān)系

圖3所示隨著溫度的上升到某一個值時，鐵氧體的鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕珻D兩點間的電位差發(fā)生突變并趨于零，電橋又趨向于平衡，這個突變的點對應(yīng)的溫度130°就是居里溫度。當內(nèi)外水箱的溫度或者是環(huán)境溫度到達于此，磁鐵的性能將會受到嚴重的影響和干擾，會直接影響車載水箱傳感器液面的準確判斷和供給水源，從而造成水資源的浪費甚至是嚴重事故的發(fā)生。

圖3 控制磁鐵的居里溫度實驗測試結(jié)果

3.2 在線診斷方案

基于上述試驗結(jié)果分析，本文提出了如下的車載水箱傳感器診斷方案，主要包括靜止狀態(tài)的檢測與動態(tài)狀態(tài)的檢測，靜止狀態(tài)主要用于判斷不方便拆卸和安裝好的傳感器，而動態(tài)狀態(tài)檢測用于未安裝的傳感器。

靜止狀態(tài)的檢測：先將萬用表置于輸入擋，兩個表筆分別接于水箱傳感器的兩個引出線，測量的阻值應(yīng)為無窮大。

動態(tài)狀態(tài)的檢測：用水位傳感器的可旋轉(zhuǎn)的部分(外部控制磁鐵)靠近信號感知部分，此時萬用表的指針應(yīng)該向右擺至零，說明水位傳感器已經(jīng)導(dǎo)通，然后將水位傳感器的可旋轉(zhuǎn)的部分移動遠離信號感應(yīng)部分，萬用表指針應(yīng)向左回擺至無窮大。測試時，如果外部控制磁鐵靠近信號感應(yīng)部分四方，萬用表指針沒有開始擺動或者擺動不到零位，說明其內(nèi)部干簧管不能很好吸合，表明該干簧管間隙過大或者已經(jīng)發(fā)生位移，如果外部控制磁鐵遠離信號感應(yīng)部分，干簧管不能很快斷開，說明該干簧管的簧片彈性已經(jīng)減弱，這樣的水位傳感器已經(jīng)不能夠再次穩(wěn)定的工作。

4 結(jié)論

本文通過對溫度場中車載水箱傳感器各個部分進行性能測試，從-60°～155°是干簧管的工作范圍。同樣對控制磁鐵進行居里溫度測試發(fā)現(xiàn)，135°是磁鐵工作的溫度極限。對于不同安裝狀態(tài)的傳感器，使用萬用表可以快速準確判斷其工作狀態(tài)。鑒于以上結(jié)果，我們可以分析判斷正常工作情況下，干簧管性能更加穩(wěn)定，外部控制磁鐵的性能決定了傳感器的工作狀態(tài)。