HXN5型机车曲轴箱压力传感器改进

董传顺?张曙坚?冷洁枫?许文激

摘 要：针对HXN5型机车柴油机曲轴箱压力传感器性能不足的原因进行了分析，并根据传感器生产和应用现状制定了改进措施，解决了困扰机车运用中一直存在的惯性质量问题。

关键词：HXN5机车；曲轴箱压力传感器

1 问题的提出

曲轴箱压力传感器是HXN5型机车测控系统的重要传感器之一，对柴油机的碾瓦等故障提前预警。但从2009年开始，经常发生柴油机曲轴箱超压误报警故障，此问题经过多次处理，始终未能得到有效控制，严重影响了机车的正常使用。经过两年多的攻关，2013年4月份确定故障原因为国产化传感器性能与HXN5机车微机的控制软件不相匹配。

对此，宁波传感器技术有限公司与戚墅堰公司组织人员进行攻关分析，确定为以下四点原因，经过半年的整改，现问题已经基本解决。

2 原因分析

根据机车控制原理以及传感器使用的现状，有4个方面的问题可能对柴油机曲轴箱压力超压误报警产生影响：传感器气孔的大小问题、压力敏感元件的灵敏程度、传感器的电磁兼容能力、传感器内部电路。

2.1 传感器进气气孔的大小问题

曲轴箱压力传感器在进行国产化时，采用了较小的进气孔。在故障原因分析之初，发现较小的进气孔对于速动气流来说，冲击压力比较大。改进后采用与进口传感器相同大小的进气孔，经过试验验证，进气孔的大小对压力信号有一定影响，但影响比较小，不是故障的主要原因。

2.2 压力敏感元件的灵敏程度

目前国内轨道交通领域常用压力传感器采用扩散硅压力敏感元件或陶瓷敏感元件，原有国产化的曲轴箱压力传感器采用的是40PC系列的扩散硅压力敏感元件，其缺点是介质兼容性差，温漂大，反应过快无防护缓冲功能，因此无法满足HXN5机车曲轴箱压力测量环境的要求。

2.3传感器的EMC能力

由于传感器在机车上的运用电磁环境比较恶劣，电磁干扰比较复制和强烈，故戚墅堰公司和宁波公司技术人员考虑到超压问题可能是由于电磁干扰引起的。宁波公司设计师改进了传感器的电路设计增加了EMC防护电路，增强了传感器的电磁兼容能力，经试验验证，效果不理想，曲线波动情况与原传感器相差不大，故排除电磁干扰造成该问题的可能性。

2.4 传感器内部电路

曲轴箱压力传感器作为微压速动传感器，其压力信号经过压敏元件转换为电信号后，经模拟信号处理后，传给机车微机系统。其改善电路设计原理替换原有的电路；现有方案采用ZMD31010智能信号调理技术进行信号采集处理，较之前的电路可以更好的对传感器的偏移量、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿，同时该处理芯片可以进行数字单点校准：快速、准确。内部有一个16位的RISC微控制器运行校准公式，校准系数存放于EEPROM中。大大提高了传感器的精确度和可靠性。具体功能见下图：

3 最终整改措施

3.1 升级传感器内部电路

升级传感器内部电路后，通过装车现场试验，首次改进后的波形较未升级前的国产传感器的波形明显平稳，但波形幅值仍然较大，如图所示。

从上图可以看出，改进后的传感器波形与进口传感器的波形波动性基本相符合，但幅值仍然较大。

3.2 更换压力敏感元件

在初步升级内部电路后，波形仍不甚理想，在此基础上，更换压力敏感元件，用NPI-19A代替40PC，NPI-19A压力敏感芯体其采用充油不锈钢隔离膜技术。当压力作用在不锈钢波纹膜片正表面时，膜片感受到的压力通过真空环境下充满的硅油无失真地传递至硅压阻力敏感片。硅压阻力敏芯片受力，电阻率发生变化，电桥失衡，当恒压供电时，就产生了正比于所承受压力的差分电压信号。不锈钢隔离膜充油压力敏感元件采用MEMS工艺制作，具有一致性高，输出信号大，抗过载能力强等优点，大幅提高了传感器的稳定性和可靠性。整个压力敏感元件具有非常好的抗腐蚀，抗磨损、抗过载、抗冲击和振动的性能。其外形见右图：

3.3 效果验证

传感器升级改进后，2013年3月，对试制的新样品进行型式试验，如基本性能、振动试验、射频辐射场电磁场抗扰度试验。以及与原有传感器和进口传感器的性能对比试验。

2013年6月对改进后的国产化传感器进行装车运用考核，截止2014年2月未发生超压误报现象，运用结果表明，改进后的国产传感器性能已达到HXN5机车的运用环境要求。

4 结论

由于HXN5型机车柴油机曲轴箱压力传感器是内燃机车的重要元件参与机车的运行控制，其故障会造成停机，引起机破。在其改进升级分析原因及验证过程中，出现过许多波折，走了许多弯路，经过历时近一年的攻关，现在该问题已经基本解决，现有两个传感器已经装车考核半年多，效果良好，未发生过超压误报现象。也初步验证了我们的改进有效的解决了传感器与HXN5机车微机的控制软件不相匹配的问题。

作者简介

董传顺（1983—），男，山东省德州市人，助理工程师。