CRH3動車組軸端速度傳感器故障分析與研究

王立棟 劉磊 胡洋

摘要：軸端速度傳感器是動車組防滑保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，傳感器故障可觸發(fā)列車限速、緊急制動停車。對動車組運(yùn)營車輛故障的軸端速度傳感器進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)霍爾元件損壞、傳感器誤報、傳感器外部擊打損傷、傳感器探頭端面電蝕是速度傳感器故障的四個主因，并提出有效減少故障發(fā)生的措施。

關(guān)鍵詞：速度傳感器;故障分析;動車組

1速度傳感器的分類及其防滑工作原理

鐵路車輛速度傳感器主要有三類：霍爾速度傳感器、磁電式速度傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器。其中，霍爾速度傳感器的輸出信號為0～10KHz的方波電壓或電流信號;磁電式速度傳感器的輸出信號為50～3000 Hz的近似正弦波電壓信號;光電轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號為0～2500 r/min的方波脈沖電壓信號。由于，CRH3動車組運(yùn)營速度最高可達(dá)380km/h，長時間運(yùn)行軸端溫度較高，不適宜使用易受溫度影響的磁電式速度傳感器;CRH380BL的輪對最高轉(zhuǎn)速超過2400r/min，已十分接近光電轉(zhuǎn)速傳感器的測速最大量程，而且光電轉(zhuǎn)速傳感器易受油污等影響，也不適合CRH3動車組使用。以齒數(shù)為80的測速齒輪為例，霍爾傳感器的量程最高可達(dá)7500r/min，而且不易受溫度、環(huán)境因素影響，適合動車組使用。

如圖一所示，為車輛防滑保護(hù)系統(tǒng)示意圖，霍爾速度傳感器在測試齒輪經(jīng)過傳感器探頭時由于磁通量的變化會感應(yīng)高低電平的霍爾電壓，經(jīng)過探頭內(nèi)的電壓電流轉(zhuǎn)換電路、過壓、反極性、耦合保護(hù)電路等硬件電路，把采集的各軸電信號經(jīng)過電纜傳給本車的制動控制單元后轉(zhuǎn)化為速度信號。動車的防滑控制由制動控制單元與牽引控制單元完成;拖車的防滑控制由制動控制單元完成。電制動防滑和空氣制動防滑是并行管理的，并且相互獨(dú)立。

2速度傳感器的故障檢測方法：

CRH3動車組軸端速度傳感器為占空比50%左右的電流型輸出傳感器，負(fù)載位于制動控制單元內(nèi)，阻抗220Ω左右，基本技術(shù)參數(shù)如表一所示。

運(yùn)營車輛更換下來的故障傳感器由于沒有現(xiàn)車的信號采集系統(tǒng)，我們可以按表二所示的順序進(jìn)行簡單測量判斷傳感器的故障點(diǎn)。

通過以上測試檢測傳感器外部結(jié)構(gòu)是否有損傷，技術(shù)參數(shù)是否合格。如果出現(xiàn)輸出阻抗不正常，或者輸出電流沒有高低電平變化等情況，則判斷為速度傳感器的內(nèi)部電路元器件出現(xiàn)故障。首先，取出傳感器的電路板，觀察線路板有無燒損痕跡。然后，測量電路板上的電容、電阻等元器件參數(shù)是否正常;對于單通道速度傳感器出現(xiàn)的電路故障，可以更換相關(guān)元件到電路板的另一側(cè)進(jìn)行對比測試排查。最后，電路元器件正常，則更換端部的霍爾元件進(jìn)行測試查看霍爾傳感器是否損壞。

3 故障原因及相應(yīng)改進(jìn)措施：

對近幾年故障傳感器進(jìn)行分析，故障主要有四類：霍爾傳感器損壞、傳感器誤報故障、傳感器外部擊打損傷、傳感器探頭端面電蝕。運(yùn)營車輛傳感器出現(xiàn)故障后無法修復(fù)，只能更換，因此研究速度傳感器故障原因及解決措施非常重要。

3.1、霍爾元件故障：霍爾元件即霍爾傳感器在速度傳感器故障率中比例較高，霍爾元件損壞只能更換。因此，降低霍爾元件的故障是最為重要。動車組在運(yùn)行過程中，對于供電電壓范圍較窄的霍爾元件就很容易出現(xiàn)產(chǎn)品老化或損壞的情況，因此提高霍爾元件的供電閾值范圍可以有效提高霍爾元件的使用壽命。

3.2、傳感器誤報：如圖二所示，為速度傳感器的硬件電路，目前，線上運(yùn)營車輛的速度傳感器的浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1KV，由于車輛提供的傳感器電源可能含有較高幅值的諧波成分，當(dāng)超過傳感器設(shè)計(jì)的浪涌防護(hù)能力時，會造成硬件電路輸出引腳、電容等設(shè)備的燒損;由于傳感器電纜的屏蔽層與傳感器插頭相連與車體等電勢，耦合電路會收到干擾信號會關(guān)斷輸出的電流信號，導(dǎo)致車輛速度信號檢測值出現(xiàn)較大誤差導(dǎo)致車輛防滑系統(tǒng)保護(hù)，影響車輛穩(wěn)定運(yùn)行。因此，提高硬件保護(hù)電路的浪涌防護(hù)能力提高傳感器的性能，另外，斷開電纜與插頭的屏蔽層連接可以減少干擾信號對硬件電路的影響。

3.3、傳感器外部擊打損傷：傳感器在運(yùn)行中很容易受到軌道上飛濺的石子或其它異物打擊導(dǎo)致電纜外皮或插頭損壞，如圖三左側(cè)所示，為傳感器擊打后插頭斷開的圖片，該故障雖然很容易辨別，但是嚴(yán)重影響傳感器的使用壽命。因此提高速度傳感器的非金屬材料特性也十分必要。另外，如圖三右側(cè)所示，傳感器探頭端面在運(yùn)行時偶爾會受到測速齒輪的機(jī)械壓痕，該故障可能是傳感器氣隙靜態(tài)測試時合格，但測試齒輪本身或安裝不合格造成氣隙不等的情況無法測試，可以適當(dāng)增加氣隙測試點(diǎn)加以檢測。

3.4、傳感器探頭端面電蝕：傳感器端部由于有一圈圓形凹槽，長期使用可能積累鐵屑等雜質(zhì)。如圖四所示，而車體上的故障電壓或耦合電壓在經(jīng)過轉(zhuǎn)向架保護(hù)接地回流時可能造成與探頭的尖端放電，對傳感器探頭端面造成電蝕，嚴(yán)重影響傳感器的性能。該故障可以通過對端頭面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化解決。

4 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)檢測出導(dǎo)致速度傳感器故障的主要因素，并闡述了故障原因，提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。具體效果仍需通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] TB/T 2760.2-2010：機(jī)車轉(zhuǎn)速傳感器 ?第2部分：霍爾式速度傳感器.中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

[2] TB/T 2760.3-2010：機(jī)車轉(zhuǎn)速傳感器 ?第3部分：磁電式速度傳感器.中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

[3] TB/T 2760.1-2010：機(jī)車轉(zhuǎn)速傳感器 ?第2部分：光電轉(zhuǎn)速傳感器.中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

（作者單位：中車唐山機(jī)車車輛有限公司）