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(hào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性是確保列車安全運(yùn)行不可或缺的要素。例如列車牽引電機(jī)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(xiǎn)情況發(fā)生[1]。而牽引電機(jī)溫度傳感器故障會(huì)導(dǎo)致列車牽引電機(jī)高溫工作,造成電機(jī)故障,甚至引起火災(zāi)。因此,只有牽引電機(jī)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(yùn)行。

按照我國交通運(yùn)輸部的要求,某地鐵6號(hào)線一期工程電客列車在運(yùn)行60萬km后需要進(jìn)行車輛架修[2]。由于牽引電機(jī)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(duì)確保列車安全運(yùn)行非常重要,所以車輛架修過程必須對(duì)牽引電機(jī)上的溫度傳感器和速度傳感器進(jìn)行必要的維修,以消除前期運(yùn)營過程中出現(xiàn)的缺陷,保證后續(xù)列車運(yùn)營安全可靠。本文在充分研究這2個(gè)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(yùn)營后的實(shí)際損耗情況,針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)便易操作、可行性強(qiáng)的傳感器檢測(cè)方案。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)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(hào)線的安全運(yùn)營提供保障,并給其他地鐵B型車牽引電機(jī)傳感器的架大修方式提供有效借鑒。

1 溫度傳感器檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

某地鐵6號(hào)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(jī)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(diǎn)位接地,以實(shí)現(xiàn)良好的信號(hào)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(shí)際工作中,用于測(cè)量鐵芯溫度的溫度傳感器將測(cè)量的Pt100電阻變化值先轉(zhuǎn)換成可處理的電信號(hào)。然后此電信號(hào)再通過車輛控制單元的程序邏輯處理,最后換算成實(shí)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(shí)自身電阻值也隨之改變,且鉑電阻的電阻值與所對(duì)應(yīng)的溫度之間具有良好的線性關(guān)系,同時(shí)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(gè)溫度下(檢測(cè)傳感器的室內(nèi)溫度)的分度值見表1～2。

表1 用于檢測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)線車輛實(shí)際情況,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套溫度傳感器檢測(cè)方案。

1.2.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵點(diǎn)技術(shù)分析

該方案明確了地鐵B型車電機(jī)傳感器的檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合維修手冊(cè)及架大修規(guī)程,某地鐵6號(hào)線的傳感器在車輛運(yùn)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(shí)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(huì)變質(zhì)、線性特性好的特點(diǎn),溫度傳感器檢測(cè)當(dāng)誤差范圍為標(biāo)準(zhǔn)值的±0.1 ℃時(shí),溫度傳感器可以繼續(xù)使用。因此,某地鐵6號(hào)線架修檢測(cè)傳感器時(shí),首先進(jìn)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(shí)的室溫下測(cè)量對(duì)應(yīng)的電阻值再對(duì)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(shí),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(shí)時(shí)溫度檢測(cè)的效果。其中,溫度傳感器的Pt100電阻值測(cè)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(cè)工藝流程及關(guān)鍵測(cè)量要素分析

依據(jù)上述溫度傳感器檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)為使現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)更加經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便,可參照表3 地鐵B型車電機(jī)溫度傳感器檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)要求(每列車)和表4地鐵B型車電機(jī)溫度傳感器檢測(cè)資源需求表開展作業(yè)。在具體作業(yè)時(shí),只需要2個(gè)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(shí)間內(nèi)完成表3中的檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn),1 d內(nèi)就可批量完成1列車傳感器檢測(cè)工作。

表3 地鐵B型車電機(jī)傳感器檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)要求(每列車)

表4 地鐵B型車電機(jī)傳感器檢測(cè)資源需求

1.3 溫度傳感器測(cè)量結(jié)果及判斷

現(xiàn)場(chǎng)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(cè)。其中對(duì)首列車16個(gè)電機(jī)溫度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Pt100電阻值測(cè)量,輸入分析報(bào)表中,自動(dòng)讀取結(jié)果。如表5所示。

表5 地鐵B型車電機(jī)溫度傳感器Pt100電阻值匯總表

由表5可知,首列車16個(gè)電機(jī)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(cè)項(xiàng)點(diǎn)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(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 速度傳感器結(jié)構(gòu)及原理

用于某地鐵6號(hào)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(jī)速度傳感器在具體裝配時(shí),將定位銷對(duì)準(zhǔn)安裝處對(duì)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(gè)霍爾元件,霍爾型速度傳感器在周期磁場(chǎng)的影響下,驅(qū)動(dòng)傳感器內(nèi)部的永磁體形成磁場(chǎng),該部分產(chǎn)生周期性電壓信號(hào),通過分析周期性電壓可以計(jì)算出列車的運(yùn)行速度[4]。在探頭的安裝面對(duì)應(yīng)的是牽引電機(jī)軸端的測(cè)速齒盤。在測(cè)速齒盤旋轉(zhuǎn)時(shí),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)齒輪的齒對(duì)著探頭時(shí),探頭的磁通變大,當(dāng)齒輪的齒槽對(duì)著探頭時(shí),探頭的磁通變小。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí),探頭的磁通周期變化,在探頭磁通增大時(shí)輸出正脈沖,在探頭磁通減小時(shí)輸出負(fù)脈沖,經(jīng)整形放大器輸出方波脈沖信號(hào)。車輛運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)測(cè)速齒盤轉(zhuǎn)動(dòng),然后電機(jī)速度傳感器將測(cè)速齒盤位置變化導(dǎo)致的磁場(chǎng)信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的方波脈沖信號(hào),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(cè)量出的單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪數(shù)換算成電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在具體到計(jì)算牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí),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(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的物理轉(zhuǎn)速,單位為r/s;T為每次的統(tǒng)計(jì)時(shí)間,單位為s;M為每次統(tǒng)計(jì)的時(shí)間內(nèi)測(cè)得到的方波脈沖數(shù);C為牽引電機(jī)測(cè)速齒盤上的齒輪數(shù)。

結(jié)合上述公式及速度傳感器檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù),地鐵列車實(shí)際運(yùn)行速度時(shí)對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速及車輛控制單元的后臺(tái)數(shù)據(jù),可以對(duì)牽引電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速及列車速度進(jìn)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(cè)方案

2.2.1 檢測(cè)技術(shù)要點(diǎn)

對(duì)上述速度傳感器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)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(duì)某地鐵6號(hào)線車輛的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了一套成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)速度傳感器檢測(cè)方案。該方案明確了電機(jī)速度傳感器的檢測(cè)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(jìn)方向,通過相位角大小可判斷電機(jī)正反轉(zhuǎn)。方波輸出需有效地被車輛控制單元檢測(cè),須保證脈沖信號(hào)高低電平有足夠電壓差,且單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)能夠被有效統(tǒng)計(jì)(見圖3)。

圖3 速度傳感器的方波信號(hào)示意

方波信號(hào)采集非瞬時(shí),需要考慮采樣時(shí)間,確保方波高電平在整個(gè)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(jì)的時(shí)間內(nèi)方波脈沖數(shù))準(zhǔn)確。因此,架修期間對(duì)速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí),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(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在某地鐵6號(hào)線實(shí)際架修過程中,結(jié)合維修手冊(cè),架大修技術(shù)規(guī)程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)資料,確定下面3個(gè)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(shí)別出車輛行進(jìn)方向、采集信號(hào)計(jì)算列車速度的準(zhǔn)確性。

2.2.2 檢測(cè)工藝流程及關(guān)鍵測(cè)量要素

依據(jù)上述傳感器檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)為使現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)更加經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便,可參照表6地鐵B型車電機(jī)速度傳感器檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)要求(每列車)和表7地鐵B型車電機(jī)速度傳感器檢測(cè)資源需求開展作業(yè)。在具體作業(yè)時(shí),只需要2個(gè)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(cè)系統(tǒng),在規(guī)定的作業(yè)時(shí)間內(nèi)完成表6中的檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn),2 d內(nèi)就可批量完成1列車速度傳感器的檢測(cè)工作。

表6 地鐵B型車電機(jī)速度傳感器檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)要求(每列車)

表7 地鐵B型車電機(jī)速度傳感器檢測(cè)資源需求

圖4 某地鐵6號(hào)線速度傳感器專用檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)要示例

2.3 速度傳感器試驗(yàn)結(jié)果及判斷

現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)上述方案,對(duì)首列車16個(gè)電機(jī)速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。其中1個(gè)電機(jī)速度傳感器的方波脈沖實(shí)際檢測(cè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)首列車16個(gè)電機(jī)速度傳感器的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值進(jìn)行分類匯總,如表8所示。

表8 地鐵B型車電機(jī)速度傳感器關(guān)鍵參數(shù)值值匯總表

圖5 某地鐵6號(hào)線的方波脈沖實(shí)際檢測(cè)圖

由表8可見,首列車16個(gè)電機(jī)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(cè)項(xiàng)點(diǎn)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(cè)方案經(jīng)過1個(gè)項(xiàng)目6列車,時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年的實(shí)踐證明,可以對(duì)地鐵的電機(jī)傳感器進(jìn)行有效快捷的檢測(cè),且成本較低,檢測(cè)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(cè)的關(guān)鍵參數(shù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),使用簡(jiǎn)單的工器具來批量檢測(cè)。