王 正,黎 丹,劉 鋒,蔣廉華

（1.中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001; 2. 重載快捷大功率電力機(jī)車全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 株洲 412001）

0 概論

空氣制動防滑控制系統(tǒng)是運(yùn)用于軌道交通裝備的一種先進(jìn)的監(jiān)測、控制系統(tǒng)。作為空氣制動防滑控制系統(tǒng)重要組成部分之一的防滑速度傳感器,其主要功能是作為防滑控制系統(tǒng)的監(jiān)測前端為其提供可靠、穩(wěn)定的電信號，用以分析判斷機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。在車輛運(yùn)用過程中，復(fù)雜的天氣、受力及運(yùn)動狀態(tài)是影響防滑速度傳感器精度或壽命的主要原因。防滑速度傳感器的可靠性對列車的行車安全非常重要[1]。

該文以防滑速度傳感器較為常見的故障為基礎(chǔ)，重點(diǎn)以CR200J動車組動力車頻發(fā)故障為例進(jìn)行展開，基于FTA（故障樹分析）方法梳理并分析信號電纜相關(guān)故障的發(fā)生原因，最終提出對應(yīng)優(yōu)化措施并解決故障，對相關(guān)設(shè)計、安裝和選型運(yùn)用均具有一定的指導(dǎo)意義。

1 防滑速度傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

CR200J動車組動力車防滑速度傳感器部分由測速齒輪和速度傳感器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。速度傳感器本身是一個速度脈沖信號發(fā)生器，這是一種非接觸式的傳感器，速度傳感器探頭端部與齒頂間的安裝間隙為（1.0±0.2）mm。速度傳感器探頭部采用永久式磁電傳感器，主要部件包括鐵芯、線圈組件（包括線圈、骨架及其他輔件）、磁鋼和殼體。傳感器內(nèi)部的磁鋼通過鐵心聚磁和導(dǎo)磁，將磁鋼產(chǎn)生的永久磁場盡可能地聚集在工作氣隙內(nèi)，為其提供工作磁場。測速齒輪是安裝于車軸端部的磁場感應(yīng)部件，并與車輪同步轉(zhuǎn)動，齒頂齒谷交替通過傳感器，切割磁力線，會產(chǎn)生一個交變磁場，使傳感器輸出線圈上感應(yīng)出頻率正比于運(yùn)行速度的電脈沖信號。

圖1 速度傳感器部分組成

2 防滑速度傳感器的故障樹分析

2.1 故障樹分析方法

故障樹分析（FTA）是產(chǎn)品可靠性和安全性分析的主要分析方法之一。故障樹分析是假設(shè)底事件相互獨(dú)立，以一個不希望的系統(tǒng)故障事件（或?yàn)?zāi)難性的系統(tǒng)危險）作為分析的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，然后由上向下地嚴(yán)格按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有原因和原因組合。因此，該方法具有分析方法直觀、應(yīng)用范圍廣泛和邏輯性強(qiáng)等特點(diǎn)，深入的分析可為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、預(yù)防設(shè)備故障提供理論支持。

2.2 防滑速度傳感器典型故障樹

為了便于直觀分析故障原因，基于防滑速度傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合故障案例，建立了防滑速度傳感器典型故障樹。其故障樹如圖2所示。

圖2 防滑速度傳感器故障樹

故障樹底事件序號如表1所示。造成防滑速度傳感器組成發(fā)生故障包括以下原因：

表1 防滑速度傳感器故障樹底事件

（1）除了氣候環(huán)境、運(yùn)行條件等外界因素，電纜與連接器接頭處的壓接質(zhì)量與連接器穩(wěn)定性密切相關(guān)。如連接器插針變形、脫線和虛接等故障現(xiàn)象。而密封問題則容易導(dǎo)致連接器內(nèi)進(jìn)水或氧化，直接導(dǎo)致傳感器短路燒損。

（2）在車輛運(yùn)用過程中，復(fù)雜的受力及運(yùn)動情況是導(dǎo)致外防護(hù)層或內(nèi)部電纜的損傷開裂的主要原因，嚴(yán)重影響著傳感器電纜疲勞壽命[2]。

（3）防滑速度傳感器探頭頂部與測速齒輪齒頂間的間隙一般為（1.0±0.2）mm，具體調(diào)整方法是增減墊片來調(diào)整間隙距離。如果安裝間隙過小，極可能導(dǎo)致齒頂部與傳感器前端產(chǎn)生擦碰，從而損壞傳感器或者測速齒輪；安裝間隙過大，則會造成電磁信號太弱或不穩(wěn)定，導(dǎo)致脈沖信號丟失，影響防滑主機(jī)判斷，造成故障。

（4）接地碳刷與安裝在車軸端部的接觸盤存在相對摩擦，脫落形成所帶磁性的粉末物質(zhì)極可能被探頭吸附影響信號采集。此外，由于裝配不良等原因造成齒輪松動或者不規(guī)則轉(zhuǎn)動，造成的傳感器探頭與齒輪間的擦碰，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生缺陷，會產(chǎn)生故障的脈沖信號。

3 故障分析

3.1 故障現(xiàn)象及分析

圖3是已經(jīng)發(fā)生故障的防滑速度傳感器信號電纜，逐層剝離外護(hù)層、絕緣層，可見內(nèi)部芯線發(fā)生斷裂，報故障主要原因在于探頭端信號電纜發(fā)生折損形成斷路，引起防滑主機(jī)報故障。

圖3 防滑速度傳感器損傷電纜

列車在線路上運(yùn)行時轉(zhuǎn)向架與車體相對運(yùn)動頻繁，在過彎時車體與轉(zhuǎn)向架會出現(xiàn)較大程度的相對位移，因此防滑速度傳感器電纜會長期承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力作用[3]。

通過簡化電纜運(yùn)動軌跡，對其固定點(diǎn)附近電纜彎曲受力狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖4所示，在固定點(diǎn)附近電纜隨著兩端固定點(diǎn)間距離的變化所受到彎曲應(yīng)力也不同，并且在端子壓接處由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對應(yīng)力更加敏感易損。在理想情況下，車輛正常直線行駛時，對于定長合適的電纜其探頭側(cè)固定點(diǎn)附近可以近似保持拉壓應(yīng)力平衡狀態(tài)；當(dāng)車體固定點(diǎn)運(yùn)動到最近點(diǎn)時，電纜處于壓縮狀態(tài)，受力情況較平衡狀態(tài)加劇，電纜內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別受到更大拉應(yīng)力與壓應(yīng)力作用；當(dāng)車體固定點(diǎn)運(yùn)動到最遠(yuǎn)點(diǎn)時電纜處于拉伸狀態(tài)，電纜內(nèi)側(cè)則受到壓應(yīng)力，外側(cè)受到拉應(yīng)力作用。

圖4 電纜彎曲應(yīng)力分析

因此，防滑速度傳感器探頭端根部電纜斷裂的主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）速度傳感器引出布線不夠平順且未固定，電纜定長不夠合理等因素致使在車輛運(yùn)行過程中電纜彎曲半徑的變化范圍過大或使電纜處于緊繃狀態(tài)，從而導(dǎo)致根部電纜承受更大的彎曲應(yīng)力，增加斷裂風(fēng)險。

（2）防滑速度傳感器探頭端部與信號電纜結(jié)合強(qiáng)度不足，絕緣層開裂傾向很大，卡箍式外護(hù)套對此處的保護(hù)作用非常有限。

（3）信號電纜選型時對線材柔韌度和使用環(huán)境之間的關(guān)系缺少考慮，較軟的電纜可以釋放一定的應(yīng)力，而較硬的電纜在使用時可以抑制變形或彎曲半徑的變化。

3.2 優(yōu)化建議及措施

防滑速度傳感器信號電纜損壞部位多集中在探頭安裝座根部附近這一范圍內(nèi)，可以針對安裝結(jié)構(gòu)及走線進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)：

（1）在速度傳感器安裝螺釘處增加固定支架（圖5），將尼龍護(hù)管根部相對固定并合理導(dǎo)向至車體安裝固定點(diǎn)，使電纜運(yùn)動點(diǎn)和集中受力點(diǎn)遠(yuǎn)離較為脆弱的根部。

圖5 固定支架及安裝

（2）直接在防滑速度傳感器探頭端根部外加一段約20 cm金屬護(hù)管（圖6），增加抗扭強(qiáng)度。該金屬管內(nèi)部為不銹鋼波紋管，外部為不銹鋼編織網(wǎng)，可彎曲定型為各種方向角度，便于引出電纜定型導(dǎo)向至車體固定點(diǎn)，避免根部因劇烈擺動所造成的根部損傷。

圖6 金屬硬管及安裝

（3）在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上通過焊接的方式增加2個固定點(diǎn)（圖7），車體地板下方傳感器電纜布線路徑也相應(yīng)調(diào)整，這樣可以使電纜的運(yùn)動點(diǎn)和集中受力點(diǎn)轉(zhuǎn)移到探頭遠(yuǎn)端的線夾處，杜絕根部應(yīng)力集中的問題，改善根部的受力狀態(tài)。外部裸露電纜的減少，也有利于降低車輛在運(yùn)行時電纜受到的風(fēng)阻對根部產(chǎn)生的拉扯。

圖7 構(gòu)架上增加固定點(diǎn)

前期采用方案1進(jìn)行小批量裝車優(yōu)化驗(yàn)證，經(jīng)過考核優(yōu)化后的傳感器根部尼龍護(hù)管沒有受損痕跡，內(nèi)部線纜根部的絕緣層無明顯損傷；對于加裝固定支架時絕緣層有局部斷裂的速度傳感器，在后續(xù)考核中斷裂處沒有明顯加劇，防滑速度傳感器運(yùn)行正常。在整個考核階段內(nèi)未發(fā)生支架斷裂或脫落問題。

后期對新造車輛采用方案3進(jìn)行改造并優(yōu)化了線纜路徑，杜絕其他可能存在的風(fēng)險。該方案已通過了相對惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，未出現(xiàn)電纜異常開裂問題，提高了速度信號采集的穩(wěn)定性。

工程實(shí)踐表明上述兩種優(yōu)化方法優(yōu)化效果明顯，且具有較強(qiáng)的通用性，其他車型設(shè)計可借鑒參考并開展應(yīng)用。

4 結(jié)語

該文基于防滑速度傳感器結(jié)構(gòu)及故障案例建立了防滑速度傳感器典型故障樹，針對傳感器根部電纜開裂這一高頻故障，從運(yùn)動狀態(tài)等方面進(jìn)行分析，并以此進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而降低故障率，延長電纜壽命，提高了空氣制動防滑控制系統(tǒng)可靠性。