基于結(jié)構(gòu)與原理的某地鐵B型車電機傳感器檢測方案研究

熊洪勇,祝鵬飛

昆明中車軌道交通裝備有限公司,云南 昆明 650000

0 引言

近年來,我國軌道交通行業(yè)快速發(fā)展,傳感器在地鐵列車上的應(yīng)用越來越廣泛。傳感器屬于地鐵列車的關(guān)鍵部件,傳感器工作的穩(wěn)定性,以及傳輸信號的準(zhǔn)確性和及時性是確保列車安全運行不可或缺的要素。例如列車牽引電機速度傳感器故障,將導(dǎo)致車輛沖擊,故障車無牽引力等危險情況發(fā)生[1]。而牽引電機溫度傳感器故障會導(dǎo)致列車牽引電機高溫工作,造成電機故障,甚至引起火災(zāi)。因此,只有牽引電機的速度傳感器和溫度傳感器正常工作,地鐵列車才能安全運行。

按照我國交通運輸部的要求,某地鐵6號線一期工程電客列車在運行60萬km后需要進行車輛架修[2]。由于牽引電機上的溫度傳感器和速度傳感器屬于關(guān)鍵部件,它們的功能穩(wěn)定性對確保列車安全運行非常重要,所以車輛架修過程必須對牽引電機上的溫度傳感器和速度傳感器進行必要的維修,以消除前期運營過程中出現(xiàn)的缺陷,保證后續(xù)列車運營安全可靠。本文在充分研究這2個傳感器結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合傳感器在經(jīng)過60萬km運營后的實際損耗情況,針對性地設(shè)計了一套簡便易操作、可行性強的傳感器檢測方案。經(jīng)過現(xiàn)場實際驗證,該方案能夠有效提高傳感器的維修效率和維修質(zhì)量,為某地鐵6號線的安全運營提供保障,并給其他地鐵B型車牽引電機傳感器的架大修方式提供有效借鑒。

1 溫度傳感器檢測方案設(shè)計

1.1 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

某地鐵6號線上使用的溫度傳感器是NCTR13C-P型溫度傳感器,該溫度傳感器由探頭體、軟管接頭、高溫屏蔽電纜、耐高溫軟管、插頭、插座、管接頭等構(gòu)成,具體結(jié)構(gòu)組成見圖1。此傳感器采用整體電纜直接出線方式,將傳感器安裝在牽引電機定子端上。傳感器通過電纜芯線與牽引箱相連,再與車輛控制單元相接。屏蔽線接點位接地,以實現(xiàn)良好的信號屏蔽效果。

圖1 NCTR13C-P型溫度傳感器及其系列產(chǎn)品外形圖

這是一種以鉑(Pt)制成的電阻式溫度傳感器,在實際工作中,用于測量鐵芯溫度的溫度傳感器將測量的Pt100電阻變化值先轉(zhuǎn)換成可處理的電信號。然后此電信號再通過車輛控制單元的程序邏輯處理,最后換算成實際的溫度值。而這種鉑電阻溫度傳感器工作過程的關(guān)鍵在于金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變,且鉑電阻的電阻值與所對應(yīng)的溫度之間具有良好的線性關(guān)系,同時電阻溫度系數(shù)大且穩(wěn)定[3]。其電阻和溫度變化的關(guān)系式可表示為:

R=Ro(1+αT)

(1)

式中:α=0.003 92,Ro為100 Ω(在0 ℃的電阻值),T為攝氏溫度,因此用鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器,又稱Pt100,其在各個溫度下(檢測傳感器的室內(nèi)溫度)的分度值見表1～2。

表1 用于檢測車間室內(nèi)溫度環(huán)境下架修參考的Pt100熱電阻分度表(0 ℃以下)

表2 用于檢測車間室內(nèi)溫度環(huán)境下架修參考的Pt100熱電阻分度表(0 ℃以上)

1.2 溫度傳感器檢測方案

在充分分析完上述傳感器結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合架修技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)與某地鐵6號線車輛實際情況,我們設(shè)計了一套溫度傳感器檢測方案。

1.2.1 檢測標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵點技術(shù)分析

該方案明確了地鐵B型車電機傳感器的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合維修手冊及架大修規(guī)程,某地鐵6號線的傳感器在車輛運行60萬km后開始架修,部件表面污漬較多,且可能存在磨損。由于Pt100 溫度傳感器在 0 ℃時電阻值為 100 Ω,電阻變化率僅為0.385 1 Ω/℃,其電阻值小而且靈敏度高,加上鉑本身具有耐酸堿、不會變質(zhì)、線性特性好的特點,溫度傳感器檢測當(dāng)誤差范圍為標(biāo)準(zhǔn)值的±0.1 ℃時,溫度傳感器可以繼續(xù)使用。因此,某地鐵6號線架修檢測傳感器時,首先進行目視檢查并清潔相關(guān)部件,再保證其絕緣性能,隨后在當(dāng)時的室溫下測量對應(yīng)的電阻值再對照表1即可判斷溫度傳感器的性能,傳感器電阻誤差值為±0.3 Ω時,無需更換,最后在探頭處涂抹適量導(dǎo)熱硅脂,以提升后期實時溫度檢測的效果。其中,溫度傳感器的Pt100電阻值測量最為關(guān)鍵,其標(biāo)準(zhǔn)屬于關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 檢測工藝流程及關(guān)鍵測量要素分析

依據(jù)上述溫度傳感器檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),同時為使現(xiàn)場檢測更加經(jīng)濟簡便,可參照表3 地鐵B型車電機溫度傳感器檢測項點要求(每列車)和表4地鐵B型車電機溫度傳感器檢測資源需求表開展作業(yè)。在具體作業(yè)時,只需要2個作業(yè)人員按照表4中的工裝工具和物料,在規(guī)定的作業(yè)時間內(nèi)完成表3中的檢測項點,1 d內(nèi)就可批量完成1列車傳感器檢測工作。

表3 地鐵B型車電機傳感器檢測項點要求(每列車)

表4 地鐵B型車電機傳感器檢測資源需求

1.3 溫度傳感器測量結(jié)果及判斷

現(xiàn)場依據(jù)上述方案,在8 h內(nèi)完成了首列車16車溫度傳感器檢測。其中對首列車16個電機溫度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Pt100電阻值測量,輸入分析報表中,自動讀取結(jié)果。如表5所示。

表5 地鐵B型車電機溫度傳感器Pt100電阻值匯總表

由表5可知,首列車16個電機溫度傳感器經(jīng)過架修期后其Pt100電阻值全部在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),結(jié)合其余檢測項點也無異常結(jié)果,判斷溫度傳感器仍然滿足使用條件,無須更換。

2 速度傳感器檢測方案設(shè)計

2.1 速度傳感器結(jié)構(gòu)及原理

用于某地鐵6號線上的速度傳感器是TQG19D6/D7型速度傳感器,此速度傳感器由O型圈、定位銷、探頭體、管接頭、波紋軟管、屏蔽電纜、電連接器插頭等組成。牽引電機速度傳感器在具體裝配時,將定位銷對準(zhǔn)安裝處對應(yīng)的孔,間隙為0.8 mm,速度傳感器探頭安裝及原理示意如圖2所示。

圖2 速度傳感器探頭安裝及原理示意

速度傳感器的探頭體為1個霍爾元件,霍爾型速度傳感器在周期磁場的影響下,驅(qū)動傳感器內(nèi)部的永磁體形成磁場,該部分產(chǎn)生周期性電壓信號,通過分析周期性電壓可以計算出列車的運行速度[4]。在探頭的安裝面對應(yīng)的是牽引電機軸端的測速齒盤。在測速齒盤旋轉(zhuǎn)時,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)齒輪的齒對著探頭時,探頭的磁通變大,當(dāng)齒輪的齒槽對著探頭時,探頭的磁通變小。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時,探頭的磁通周期變化,在探頭磁通增大時輸出正脈沖,在探頭磁通減小時輸出負脈沖,經(jīng)整形放大器輸出方波脈沖信號。車輛運行時,電機轉(zhuǎn)動并帶動測速齒盤轉(zhuǎn)動,然后電機速度傳感器將測速齒盤位置變化導(dǎo)致的磁場信號變化轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的方波脈沖信號,通過電連接器插頭經(jīng)牽引箱傳輸至車輛控制單元。最后,車輛控制單元根據(jù)程序邏輯將測量出的單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的齒輪數(shù)換算成電機轉(zhuǎn)速。

在具體到計算牽引電機轉(zhuǎn)速時,具體關(guān)系可以用以下公式來表示。

(2)

式中:n表示牽引電機在實際運行時的物理轉(zhuǎn)速,單位為r/s;T為每次的統(tǒng)計時間,單位為s;M為每次統(tǒng)計的時間內(nèi)測得到的方波脈沖數(shù);C為牽引電機測速齒盤上的齒輪數(shù)。

結(jié)合上述公式及速度傳感器檢測獲得的數(shù)據(jù),地鐵列車實際運行速度時對應(yīng)的牽引電機轉(zhuǎn)速及車輛控制單元的后臺數(shù)據(jù),可以對牽引電機的實際轉(zhuǎn)速及列車速度進行分析,并推斷出列車牽引及列車控制系統(tǒng)存在的潛在缺陷。

2.2 速度傳感器檢測方案

2.2.1 檢測技術(shù)要點

對上述速度傳感器的結(jié)構(gòu)和原理進行充分分析后,結(jié)合架大修技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)以及對某地鐵6號線車輛的實際情況,設(shè)計了一套成功應(yīng)用于現(xiàn)場的電機速度傳感器檢測方案。該方案明確了電機速度傳感器的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。速度傳感器包含主要信道和輔助信道,二者相位差為90°,利用這一特性可確定車輛行進方向,通過相位角大小可判斷電機正反轉(zhuǎn)。方波輸出需有效地被車輛控制單元檢測,須保證脈沖信號高低電平有足夠電壓差,且單位時間內(nèi)脈沖數(shù)能夠被有效統(tǒng)計(見圖3)。

圖3 速度傳感器的方波信號示意

方波信號采集非瞬時,需要考慮采樣時間,確保方波高電平在整個周期占比適中,判斷占空比以確保公式(2)中的M(每次統(tǒng)計的時間內(nèi)方波脈沖數(shù))準(zhǔn)確。因此,架修期間對速度傳感器進行檢測時,除了目視檢查、部件清潔及絕緣性能外,還要著重注意相位差、脈沖幅值及占空比3個關(guān)鍵參數(shù)。在某地鐵6號線實際架修過程中,結(jié)合維修手冊,架大修技術(shù)規(guī)程與產(chǎn)品設(shè)計資料,確定下面3個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的具體標(biāo)準(zhǔn)如下:相位差為90°±45°;脈沖幅值高電平VH大于等于9.6 V,脈沖幅值低電平VL小于等于1.5 V;占空比為50%±25%。這樣充分保證了速度傳感器識別出車輛行進方向、采集信號計算列車速度的準(zhǔn)確性。

2.2.2 檢測工藝流程及關(guān)鍵測量要素

依據(jù)上述傳感器檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),同時為使現(xiàn)場檢測更加經(jīng)濟簡便,可參照表6地鐵B型車電機速度傳感器檢測項點要求(每列車)和表7地鐵B型車電機速度傳感器檢測資源需求開展作業(yè)。在具體作業(yè)時,只需要2個作業(yè)人員按照表7中的工裝設(shè)備和物料,搭建起圖4中的專用檢測系統(tǒng),在規(guī)定的作業(yè)時間內(nèi)完成表6中的檢測項點,2 d內(nèi)就可批量完成1列車速度傳感器的檢測工作。

表6 地鐵B型車電機速度傳感器檢測項點要求(每列車)

表7 地鐵B型車電機速度傳感器檢測資源需求

圖4 某地鐵6號線速度傳感器專用檢測系統(tǒng)簡要示例

2.3 速度傳感器試驗結(jié)果及判斷

現(xiàn)場依據(jù)上述方案,對首列車16個電機速度傳感器進行檢測。其中1個電機速度傳感器的方波脈沖實際檢測如圖5所示,相位差89°,脈沖幅值高電平VH為11.68 V,脈沖幅值低電平VL為0.01 V,占空比為51%。對現(xiàn)場首列車16個電機速度傳感器的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值進行分類匯總,如表8所示。

表8 地鐵B型車電機速度傳感器關(guān)鍵參數(shù)值值匯總表

圖5 某地鐵6號線的方波脈沖實際檢測圖

由表8可見,首列車16個電機速度傳感器經(jīng)過架修期后其關(guān)鍵參數(shù)值均在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),結(jié)合其余檢測項點也無異常,因此判斷速度傳感器可以繼續(xù)使用,不需要更換。

3 結(jié)束語

上述檢測方案經(jīng)過1個項目6列車,時間長達半年的實踐證明,可以對地鐵的電機傳感器進行有效快捷的檢測,且成本較低,檢測效果較好。在后續(xù)地鐵B型車的傳感器架大修中,可以借鑒此方案的思路,在充分研究分析完傳感器的結(jié)構(gòu)與原理后,確定檢測的關(guān)鍵參數(shù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),使用簡單的工器具來批量檢測。