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速度传感器

引言

 

传感器按照被测量的量来分,常见的传感器有:温度传感器、湿度传感器、电量传感器、力传感器、速度传感器、转矩传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器等等。

按照工作原理来分,常见的传感器有:电学传感器、光学传感器、磁学传感器、光电式传感器、电荷传感器、半导体传感、电化学传感等等。本文介绍的是速度传感器。

轴端速度传感器安装在机车轴箱盖上,通过检测车轴转速,为机车电子控制系统、监控系统提供机车速度信号,进而实现预防牵引电机空转(对已有的牵引电机电流差动检测进行补充)、机车轮对轮缘润滑等自动控制。轴端速度传感器所提供的速度信号对于机车正常、安全运行有着至关重要的作用,一旦其出现故障,轻则导致机车功率输出大幅降低、窜车,重则导致牵引电机环火烧损、控制电路故障,乃至机破。

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  TQG15型光电式轴端速度传感器

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                              电力机车上的DJS 2型光电式轴端速度传感器

中国铁路现有机车轴端速度传感器主要采用磁电式与光电式两类,磁电式较光电式轴端速度传感器更早应用于机车速度检测,包括各型干线内燃、电力机车,新进引进的动车组、轻轨列车,以及60年代设计的韶峰工况电力机车等。光电式速度轴端传感器在铁路机车上出现是近10年开始的,在国内某几家铁路单位(主要是株洲时代)的推动下,光电式轴端速度传感器已对磁电式轴端速度传感器形成完全替代的趋势。

磁电式轴端速度传感器

    磁电式轴端速度传感器采用电磁感应原理,在磁路上设置线圈、当被测铁质齿轮的每个齿顶扫过传感器端头时,设置在磁路上的线圈感应出电势,输出正弦波,通过检查正弦波的频率达到检测转速的目的。

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                上图所示:1-铁质齿轮;2-磁电式速度传感器;3-输出正弦波形;4-气隙


假设齿轮数为Z,转速为nr/min,每分钟通过传感器端面的齿数为nZ,对于传感器端面的磁通量而言有  次变化,则传感器感应电动势变化频率 ,由此可以得到齿轮转速 ,结合机车轮对直径参数最终可得知实际车速。

磁电式轴端速度传感器现阶段存在于国铁线路机车上主要是由于各种历史原因导致,现仅以湖北襄樊电机厂生产的韶峰工况电力机车磁电式轴端速度传感器技术改造项目作为实例。


韶峰工况电力机车属于上世纪六十年代设计产品,采用直流1500V电网受电作为动力源,主要应用于国内各大露天矿山,四川省内主要用于攀枝花露天矿矿务运输,标准时速30公里/小时,最高时速60公里/小时。原设计机车车速测速是通过同轴测速电机输出电压转换获得,由于所得数据误差较大,且测速电机易损坏等不利条件影响。2000年后与西南交大合作逐步进行了相关技术改造项目,其中包括取消测速电机改为磁电式轴端速度传感器测速,并同时配合相应后端数据处理显示及报警记录终端,有利提高了攀矿机务运用中的安全保障能力。

 

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上图为大修并完成相关技术改造项目的攀枝花矿业集团公司韶峰工况电力机车368号

 

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上图为安装在韶峰工况电力机车368号上的磁电式轴端速度传感器(与西南交大合作生产)

韶峰工况电力机车所配置的磁电式轴端速度传感器主要技术参数:

测速范围18-5000rpm

耐压介电强度5000V/50HZ/1Min(铁路标准)

绝缘强度10MΩ(500V检测,铁路标准)

环境温度适应-25℃~+70℃

抗振系数40Hz,双振幅2.3mm

抗冲击系数30g/s2

齿数60

    由上表可见,磁电式速度传感器在极低转速环境中测速效果并不好(波形畸变严重),一般而言磁电式速度传感器应用在转速高于10Hz的环境中。

用于攀枝花矿山的韶峰工况电力机车在实际使用中对速度信号采集的精度要求不高,对于数据处理要求简单,且并不需要其配合类似国铁线路机车上的各种监控系统。韶峰工况电力机车实际应用环境较国铁线路机车更为恶劣,极容易影响光电式轴端速度传感器运行效果,例如:常见的光栅污染问题。其相应成本限制使之无法如国铁线路机车那样进行各方面技术改造以解决其古老设计中所遗留下的各种问题,以适应国铁线路机车通常配置的各型较先进的电气设备。同时,其整体需求数量小(整个攀枝花矿业集团下属韶峰工况电力机车总数不超过150台,且不同于国铁线路机车多轴位安装速度传感器,一台份仅安装一部速度传感器。工况类机车由于设计最高时速低,难于远距离送修或进行技术改造,攀枝花矿业集团在省内仅能通过南车成都机车车辆有限公司进行大修业务及技术改造),对技术改造成本较为敏感,经过多方论证最终采用了磁电式轴端速度传感器这一成熟产品。


在多年实际应用中,安装在韶峰工况电力机车上的磁电式轴端速度传感器出现过各种各样的问题。


1.安装过程中气隙过大或过小。由于韶峰工况电力机车的台车差异,其铁质齿轮是根据实际需要单独加工生产的。其气隙较大使安装过程较为便捷,但如果突破上限将导致输出信号峰值电压过小,导致信号检测困难,甚至无法检测到信号;气隙过小乃至超过齿间距将导致信号峰值电压过大,甚至出现持续高电平,使后端信号处理出错或进入过载保护状态。


    此类问题经常发生,安装前须通过试验台进行相应测试,匹配齿轮与磁电式轴端速度传感器气隙大小,并按照此参数进行安装。整车厂试过程中(由于其供电的特殊性,厂试由其他机车牵引完成),须通过其牵引机车回传的速度信号判断安装在韶峰工况电力机车上的磁电式轴端速度传感器速度信号是否正确。

韶峰工况电力机车整车设计的减震与抗冲击能力远逊于国铁线路现有机车,而其实际使用中颠簸频率、幅度、冲击强度远高于国铁线路现有机车。轴端速度传感器齿轮与车轴连接方轴材料历经实测多次修改,以避免方轴形变影响齿轮旋转面变化,进而导致的信号畸变。

 

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上图所示:1-正常输出的正弦波型;2-畸变后的正弦波型。


2.磁钢材料的选择。磁钢是为了向磁路提供磁动势,其效果直接决定磁电式轴端速度传感器整体运行稳定性与寿命。磁钢退磁问题将导致磁电式轴端速度传感器输出电压降低,严重的将导致信号断续,造成后端处理系统误报。国内各型磁电式轴端速度传感器其材质选择经过多次调整,已能较好解决退磁问题。但某些特殊地区或路段,由于地磁干扰等因素,长期运行于这类线路上的机车磁电式轴端速度传感器依然会受到很大影响。


    攀枝花矿业集团所挖掘的钒钛铁矿对于磁电式传感器中的永磁体有一定影响,长期运行其中必然导致退磁情况加剧。同时,韶峰工况电力机车本身电气设计古老,运行中会释放较国铁线路机车更为强烈的电磁干扰(其采用有级电阻调速控制,且运行中极易出现受电弓脱网、刮网现象)。对于其所采用的磁电式轴端速度传感器而言,磁性材料优先选择Nd-Fe-B材料。一方面可极大减少使用环境对其形成的退磁作用,另一方面有效减少了传感器整体体积,有助于其整体密封设计。


3.无信号传输。这类问题因素复杂。韶峰工况电力机车运行环境具有强烈粉尘污染,其运行线路基本为临时线路(露天矿挖掘到哪里线路就铺设到哪里,挖掘完成后线路拆除)重载负荷后颠簸频繁,工作环境温度较高(一方面是由于韶峰工况机车自身设计导致,例如:采用轴瓦而非国铁线路机车常用的轴承,轴温较高;另一方面由于攀枝花地处海拔较高,日照强烈),初期设计中多有考虑不周全之处。


根据现场观察,初期设计中传感器端盖接合处采用同国铁线路机车一样的橡胶密封圈,后发现其老化速度远快于设计要求,导致端盖密封失效,轴箱内污染严重,磁电式轴端速度传感器信号频繁异常。采用石棉密封垫后,基本不再出现端盖密封失效问题。


初期设计中所采用的国铁线路机车用航空插头及接插件未充分考虑攀枝花矿山线路的恶劣,频繁颠簸中多次出现连接处脱落,导致轴端速度传感器失效。现采用的紧固式航空插头虽解决了脱落问题,但其线路连接与保护功能有较大局限性,且安装较为困难。今后将在条件许可的情况下,可考虑采用更加优秀的航空插头连接方式,彻底解决安装困难问题。


攀枝花矿业集团配属的韶峰工况电力机车采用南车成都公司与西南交大合作生产的磁电式轴端速度传感器已有近10年历史,其设计理念基本参考国铁线路机车同类产品,但为了适应用户众多个性化需求,进行了大量改进,现阶段使用情况基本良好。

光电式轴端速度传感器

光电式轴端速度传感器通过一个或多个光源(通常为发光二极管)发出的光线,通过与车轴相连的光栅盘变为断续光,使接收端的光断续器中的光敏二极管通断运行,经电路的放大整形后,输出方波脉冲序列。

 

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上图所示:1-光栅;2-光电式传感器;3-输出的方波脉冲。

根据每秒方波脉冲数n,结合光栅盘与车轮尺寸比例换算出车速,整个计算过程可通过后端数据处理系统预设各车型标准轮对尺寸直接选择匹配。

国铁线路机车出于安全及冗余考虑,其车速速度传感器配置数量一般为3-5部,各铁路局根自实际情况均有各自的相关规范,C0-C0结构转向架的机车一般会包括第2、5位轮对位置(此类结构的机车防空转差动检测及电阻、再生制动过流等检测位置也为第2、5位轮对上的牵引电机,其分属两个不同转向架)。


国铁线路机车所配备的车速速度传感器不论磁电式还是光电式,除直接向机车操纵台速度表提供信号外,还将信号输入随车监控系统中并反馈到铁路信号网络,保证铁路调度系统能准确掌握行车速度信息。同时,监控系统还将根据不同轴位信号的差异判断机车运行中是否出现空转征兆,对于其他某些电路控制系统而言,也会通过速度传感器信号进行动作,例如:机车轮缘润滑装置会根据速度传感器发送来的信号判断是否进行自动喷脂;防空转装置会在轮对空转发生征兆时进行自动散沙以增大轮对附着力并适度降低机车输出功率。


由于铁路机车运行环境恶劣,随着六次提速后运力负担加重,检修周期大幅缩短,各铁路局现有检修能力运用饱和,加之早期光电式轴端速度传感器某些部分设计不合理,使其故障较难排查


早期配置的光电式轴端速度传感器在密封处理上存在这样或那样的缺陷。随着密封圈老化,很容易导致外部污染物进入轴箱内。某些地区属于重污染工业区域,例如:贵州六盘水段,粉尘污染强烈,对早期安装的光电式轴端速度传感器造成了极大影响。


早期配置的光电式轴端速度传感器光栅盘与机车车轴刚性连接(相当于车轴与轴箱之间的旋转刚性连接体),安装工艺要求较高,在长期震动环境中易出现方轴断裂,且对传感器部分完全传递了车轴冲击力,易造成传感器移位或损坏。


在对这类问题的处理上,第一类方案采取改善方轴材质、加工方式等办法,由于其无法彻底解决冲击力刚性传递问题,虽解决了部分问题,但整体效果并不理想。

第二类方案依然采用直接传动连接方式,将刚性连接改为软性连接,例如:引进德国DEUTA公司技术国产化产品DF16型光电式轴端速度传感器。此方案虽可以大幅度减少车轴冲击力传递,但依然无法做到传感器端完全密封,同时软性连接存在使用寿命限制。

第三类方案采取非接触式传动机构连接方式,通过磁力传动机构避免车轴冲击力传递,基本解决了机械传动机构的故障问题。同时,非接触式传动机构连接方式的设计方式可让光电式传感器部分完全密封,有效避免了外部污染物入侵问题。

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上图为磁力偶合传动机构结构图

1-车轴;2-小磁铁组件;3-大磁铁组件;4-轴箱端盖;5-光电式传感器。

磁力偶合传动机构通过将大端磁套安装在轮对轴端方孔座端面上,小端磁力轴与传感器轴联接,当车轮旋转时,在磁扭力的作用下,驱动传感器轴同步旋转。

霍尔传感


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