四川都睿感控科技有限公司

电话:028-87686694

都睿感控欢迎您!—— 传感器专注中国第一

首页 >> 新闻动态 >>行业资讯 >> 光电速度传感器在机车上的应用
详细内容

光电速度传感器在机车上的应用

 一、序文

 光电速度传感器是铁路车辆的重要部件,主要功能是检测和采集机动车辆的运行速度,将机动车辆的车轴转速转换为脉冲量输出脉冲信号,为机动车辆的控制、列车运行监视记录装置提供正确、可靠的速度信号,进行机动车辆的安全运行。这是在机车微型计算机控制中主要应用特性控制及防空旋转防滑行驶保护控制的产品。这个应用于列车运行监视记录装置,主要用于防止列车超过搭接线的允许最高速度通过搭接线区域。用于防止列车以高于运行区域线路容许最高速度的速度运行。为了防止机车和车辆的结构上允许的最高速度以上的运行,在列车的配车作业、列车的滑落、自动闭塞区间的地面信号off时等特殊条件下,防止以规定速度以上的运行。速度超过上述规定的容许值时,列车运行监视记录装置发出发出警报的常用制动器或紧急制动器指令。

 二、光电速度传感器的基本动作原理

 光电式传感器在受到可见光照射时产生光电效应,将光信号转换为电信号并输出。光强度的测量,还可以利用光的透过、遮断、反射、干涉等,测量尺寸、位移、速度、温度等各种物理量,是非常广泛的重要传感器元。

 目前的机车主要采用光电式旋转速度传感器,光电式旋转速度传感器分为投射式和反射式,机车采用投射式光电式旋转速度传感器。

 投光式光旋转速度传感器的导板和测量板之间存在相同间隔的间隙。随着被测定物旋转,从光源照射到受光元件的光在每次使狭缝旋转时明暗变化,从受光元件输出电流脉冲信号(图1 )。

 

1.jpg

                 

 反射型光电传感器在被测定旋转轴上设有反射标记,从光源发出光线经由透镜及半透膜入射到被测定旋转轴上。当旋转轴旋转时,反射标记相对于投影光斑反射率发生变化。 若反射率变大,则反射光经由透镜照射到受光元件而发出脉冲信号。如果反射率变小,则受光元件不会出现信号。通过在一定时间内对信号进行计数,检测旋转轴的旋转速度值。

 三、光电速度传感器的发展

3.1接触式光电速度传感器在机车上的应用

 多年来,铁路相关的科学研究部门和企业对速度传感器进行了很多研究和改良。现在多使用的主要是tqg 9型和tqg 15型接触式光电速度传感器,原理上、结构上大致相同,均采用自由轴传动机构和光电转换电路系统。

3.1.1接触式光电速度传感器的基本原理

 接触式光电式速度传感器的基本原理如图3- 2所示。如所示,从一个光源(发光二极管)通过与车轴连动旋转光栅板变为断续光,使光断路器内的光电二极管进行接通断开动作,在电路的放大整形后,输出与转速成正比的方波脉冲序列。 外形图所示(图3-1 )

 

 3-1接触式光电速度传感器图像                                              3-2光栅光盘


 接触式光电速度传感器由支承构造、旋转轴及自由轴机构和光电转换电路系统3个部分构成。光栅盘固定在旋转轴轴端部,旋转轴由轴承支承在基座上,轴承润滑使用锂系润滑脂。上述旋转部在上述光栅轴的延伸端部采用机械的纵横迷宫结构,静止部分用密封剂密封。旋转轴为自由接头的单叉节,自由轴具备共计8个滚针轴承,确保旋转的柔软性,自由接头输出端机械接头为弹性角度,其方形截面尺寸可伸缩: 18×18~20×20 mm。 光感测探针配置在光栅盘两侧,安装在基座上,电缆引出线由固定在基座上的耐油性橡胶管保护,保护管和基座由紧固盖密封。电气连接器采用JL 5型机车电气连接器,电缆长度1. 3 m。

  传感器安装在作为安装台发动机车轴箱的盖开孔中,当发动机车轴驱动传感器旋转时,发动机车轴旋转速度为f = n×p/60的矩形波脉冲[1]( n为轴旋转速度,rad/min; p是每转1圈脉冲数),通过在一定时间内对对方波脉冲信号进行计数来检测车轴的转速n,内燃机车微型计算机系统和列车运行监视记录装置使用v = 2ωRF = 2ωrn×p/60 ( r是车轴半径)式计算内燃机车实际速度。

3.1.2接触式光电速度传感器的主要技术条件和参数[2]

3.1.2.1使用环境条件:工作温度:-40~+70℃

 空气相对湿度:≤90 % ( 25℃)。

3.1.2.2机车的车辆轴箱的运转条件对应

 (1)耐震试验条件:振动频率20~100 Hz

 振动加速度: 垂向30ɡ;纵向27ɡ;横向17ɡ(ɡ=9.8m/s2)

 (2)冲击试验条件:冲击加速度峰值( g ) 100g,半正弦t =6ms,18次

 (3)安装条件:安装在机车的车辆轴箱上,可承受风、沙、雨、雪的侵入。。

3.1.2.3主要性能参数

 电源电压( UPC ) 15 v±15 %

 电力电流(脉冲/栅极)<50ma

  输出脉冲宽度( UBC )高电平≥10、低电平≤2 (负载电阻rl =3k欧姆)

 转速测量范围0~1000 r/min

 每旋转1圈脉冲数200、80

 每1个脉冲相位差为Л/2±30 %

 3路脉冲相位差Л/3±30 %

 输出方波波形占空比50 %±20 %

 绝缘诱电强度500 v ( 50hz、60 s )

 绝缘电阻2 mω( 25℃) (使用500 v兆欧表检测)

3.2新型非接触式光电速度传感器的应用

 接触式光电速度传感器存在机械故障率高、光源污染严重等问题,铁路相关科学研究部门反复研究和大量实验发明了非接触式传动机构,为铁路的高速、重负荷发展提供了必要的基础产品。

 为了慎重起见,非接触光电速度传感器( f-tqg 15型等)的传感端子将光电传输转速信号。传动部采用了大胆改造的车轮和传感器之间非接触的磁传递机构,实现了转矩和转速的传递。取代自由轴传动机构,采用大小的磁耦合器的磁传动机构,解决万向联杆、支承轴承、轴等机械零件大多损坏、光源脏污剧烈等问题,同时结构简单、可靠的性能。 最近开发的非接触式列车轴端光电速度传感器的最高转速达到3000转/分钟以上,可以满足车的横向运动量±15 mm的要求。

3.2.1非接触光电速度传感器的基本原理

  非接触光电式速度传感器的基本原理是,用2个以上的光源(发光二极管)通过车轮与轴箱间的磁传递机构使光栅盘断续,使光断路器的光电二极管进行接通断开动作,通过智能IC使2个脉冲成为4个脉冲。

 非接触光电速度传感器由大端磁性封装和传感器大部分构成,传感器由支承机构、旋转轴、光电转换电路系统三个部分构成。。 磁传递机构主要是磁耦合方式,如图所示,由新的永久磁铁材料(钕铁錋)以4、6、8、12、……的极对数构成磁耦合(图4-1)。

4.png

 


 图4-1磁耦合原理图 

 1 -轴2 -小磁铁组装体3 -大磁铁组装体4 -轴箱前盖5 -传感器


 大端套筒安装在再轮对上,小端磁力轴与传感器轴连结,当车轮旋转时,传感器轴通过磁性的转矩同步旋转。。

 主要技术条件:轴与传感器的差异度≤6 mm,轴自由移动量* 30 mm。 该传递方式通过使轴和传感器处于非接触状态,轴大惯性力矩被传递到传感器,传感器的旋转部分的负荷极小,机械故障几乎为零,其可靠性大幅度提高。

3.2. 2非接触光电速度传感器的主要技术条件和参数[3]

3.2.2.  1适用于机车的运行条件

 1使用环境条件:工作温度:-40~+ 70℃

 空气相对湿度:≤90 % ( 25℃)。

 (2)耐震试验条件:振动频率20~100 Hz

 振动加速度: 30°垂直纵27°旋转横17°609 ( 609 =9). 8 m/s2)

 1冲击实验条件:冲击加速度峰值( g ) 100α,半正弦t =6ms,18次

 (1)安装条件:通过安装在机车的车辆轴箱上,可以承受风、沙、雨、雪的侵入。。

 (1)主要安装尺寸:轴与传感器的不同心度≤6 mm; 车轴横向自由移动量≤30 mm; 轴箱安装面与轴方孔板间距离为65~75 mm。

3.2.2.2主要性能参数

 电源电压( UDC ) 15 v±15 %

 电力消耗电流(每路的脉冲) ﹤50 mA

 输出脉冲宽度( UDC )高电平≥10、低电平≤2 (负载电阻rl =3k欧姆)

 转速测量范围0~3000 r/min

 每旋转1圈脉冲数200、80

 2个脉冲相位差为Л/2±30 %

 4路脉冲相互间的相位差Л/2±30 %

 输出方波波形占空比0. 3~0.7

 绝缘诱电强度1500 v ( 50hz、60 s )

 绝缘电阻2 mω( 25℃) (使用500 v兆欧表检测)

3. 3接触式和非接触式的光电速度传感器的性能比较

3.3.1接触式光电速度传感器有问题

  现在应用的接触式光电转换传感器,万向节传动机构、光电转换电路系统基本相同,这些也是光电转换传感器的核心部分,在这些可靠性、技术上决定了传感器性能的优劣。根据现在的运用效果,接触式光电式旋转速度传感器一般存在以下4个问题点。

3.3.1.1机械故障较多

 这种光电式旋转速度传感器采用在车轮的方孔板上插入自由接头的输出弹性角榫而连接旋转的自由接头轴传动机构。车轮惯性量大(车轮自重为2.065~2.846吨车轮承受静负荷23±1吨。  弹簧下质量q = 4. 61~6. 12吨),轮对高速旋转,通过曲线、搭接线、导轨狭缝等时,轮对横向移动(最大移动量30 mm ),产生径向振动、纵向冲击时,万向联杆、支承轴承、轴等机械部件容易损坏,特别是在线路条件差时,机械故障率大。 通常,弹性角的微小检查和插入部的润滑脂的追加也会加强,提高机械的故障率。 总之,采用这种自由接头传动机构会导致传感器的机械故障和损坏(传感器难以承受轮对的冲击惯性)。

3.3.1.2光源污染激烈

  这种光电传感器是一个光源,通过伴随车轮旋转的光栅盘而成为断续光,通过传递机构与车轮的轴箱内直接连通,相互产生污染的是¢0.2 mm的光电二极管容易被污染。 因此,实现全密封状态在结构上是困难的。

3.3.1.3输出波形失真大

 光电转换电路系统在光断路器中的光电二极管进行接通断开动作,在电路的放大整形后,输出与转速成正比的方波脉冲序列。由于光栅、旋转轴的加工精度导致方波脉冲发生变形,因此在放大器整形电路中通过电位器和可变电阻进行调整,但难以保证其精度。。

3.3.1.4功能扩展性差

 一个是,在自由联动机构中难以满足列车高速化要求,这样的构成本身容易导致机械故障,转速为1000 r/min时列车速度198 (或235 ) km/h [内燃机车(或电气机车) ],列车速度为300 km/h左右时传感器转速1300 (或1500 )。 现在的光电式传感器难以要求高转速(现在的光电式传感器中最高转速1000 r/min )。

  第二,速度信号是列车安全运行、性能控制中采用的最广泛的信号之一,必须输出多脉冲信号,由于原来的构造和电路限制最多输出4条脉冲信号,如果扩展困难。

3.3.2非接触光电速度传感器的主要优点

3.3.2.1机械故障发生的可能性为零

 通过采用非接触式传动机构,不会受到来自车轮大惯性力矩的冲击,旋转轴的负荷小,发生机械故障的可能性为零,能够免维护,能够消除自由轴传动机构造成的机械故障率频繁的弊端。

3.3.2.2采用全部密封结构

 通过非接触式执行元件,传感器部被完全封闭,轴箱内的污染源和外部污染源不能进入传感器内部,消除光源污染引起的问题。

3.3.2.3应用范围广

 通过采用非接触式传递机构,旋转轴负荷小,能够大幅度提高传感器转速。非接触型智能旋转传感器的最高转速为3000 r/min以上(内燃机车的牵引为594 km/h,电力机车的牵引为705 km/h )。满足铁路的高速、重负荷的成长需求。

四、实用中的光电速度传感器的问题和改善方案

4. 1光速传感器的实用上的典型问题

  2006年5月2日,ss8006机车在广深线上负责t 287次,牵引了8辆、460吨、18.9长度。列车运行到平湖站k 134 + 200 m时列车运行监视记录装置发生故障,画面显示画面的数据全部为零,16:36分钟停车,司机重置列车运行监视记录装置,切断电池开关和列车运行监视记录装置的电源开关等应急措施。16:45分钟开车,开车后14分钟到深圳车站。换乘后,列车运行监视记录装置全部显示正常,司机报告说广州东机调查室能够正常发车,t 76次运行时间17:15分钟,运行时间延迟5分钟。列车运行到布吉-平湖间时,列车运行监视记录装置也发生了同样的故障,17:22分钟后停车,司机用上述方法处理无效,显示器显示画面仍为零,而且再启动后设备自动排气发生。司机按照规定关闭后,以20 k m/h以下的速度在平湖站内停车前维持运行,再次处理也没有解决问题,17:40分钟求救。18:48分钟,19:05分钟,开车到广州东站延迟了1小时58分钟。

4. 2原因分析

  机车返回仓库后开启车电源进行检查,故障现象与司机说明一致,微型计算机正常显示,监视装置的显示画面的显示画面数据全部为零,初步判断,监视装置自动保护。各连接器的检查、接线无异常、确认电源接通确认故障残留后,拔下所有光电速度传感器连接器进行检查,确认没有水的浸入痕迹,但再次接通后监视器显示恢复正常,监视器数据上显示“速度通道故障”。因此,依次重新安装光电传感器插头,安装第2轴光电速度传感器后再次再现故障,更换为新光电速度传感器后故障消失,其他试验正常,因此确认故障是由第2轴光电速度传感器产生的。

4. 3问题点

 拆下该机车第2轴光电速度传感器进行试验台试验,发现传感器内速度通道ii的电源负f ( o )和电源正g ( + 15 v )间的短路,传感器的15 v电源从列车运行监视记录装置主体直接供给,与传感器内部电源负f ( o )和。  经过进一步验证,安装在ss 8006机车上的速度传感器由湖南省湘铁道机车电气机械有限公司生产,该型传感器的电源短路、过电压、过流、耐冲击保护功能不足。根据该机车2006年上半年的运用状况分析,该型号的速度传感器质量不稳定,因故障在2006年1月8日更换了第二轴的速度传感器,2月7日更换了第一轴的速度传感器,其他机车的同型速度传感器也类似。

4. 4改善方案

 针对光电速度传感器存在的电源短路、过电压、过电流、耐冲击保护功能不足,我们提出了两个改进方案:一个是对原来的光电速度传感器进行技术改造,追加了相应的保护功能,但现场实施困难,需要加大资金和人员投入。。  第二,在光电速度传感器和列车运行监视记录装置主体之间安装具有电源短路、过电压、过电流、耐冲击保护功能的端子箱,通过将光电速度传感器和列车运行监视记录装置主体之间隔离,由于光电速度传感器的故障,列车运行监视记录装置主体正常动作。


参考文献

[1] 赵叔东主编.韶山8型电力机车.北京:中国铁道出版社,1999年。

[2] 湖南湘依铁路机车电器有限公司编写的《TQG15系列机车轴端光电转速传感器安装使用说明书》。

[3] 株洲天利铁路机车车辆配件有限公司编写的《F-TQG15型非接触式列车轴端光电速度传感器使用说明书》。


最新评论
请先登录才能进行回复登录

CULTURE MEDIA

Copyright  2014-2025,All rights reserved

网站导航

腾讯qq

新浪微博

腾讯微信

资讯分享

联系我们

四川省成都市高新西区校园路822号

028-87686694

2435226521@qq.com

周一到周五10:00—18:00

霍尔传感器淘宝店二维码

二维码

扫码进入淘宝购买