基于结构与原理的某地铁B型车电机传感器检测方案研究

熊洪勇,祝鹏飞

昆明中车轨道交通装备有限公司,云南 昆明 650000

0 引言

近年来,我国轨道交通行业快速发展,传感器在地铁列车上的应用越来越广泛。传感器属于地铁列车的关键部件,传感器工作的稳定性,以及传输信号的准确性和及时性是确保列车安全运行不可或缺的要素。例如列车牵引电机速度传感器故障,将导致车辆冲击,故障车无牵引力等危险情况发生[1]。而牵引电机温度传感器故障会导致列车牵引电机高温工作,造成电机故障,甚至引起火灾。因此,只有牵引电机的速度传感器和温度传感器正常工作,地铁列车才能安全运行。

按照我国交通运输部的要求,某地铁6号线一期工程电客列车在运行60万km后需要进行车辆架修[2]。由于牵引电机上的温度传感器和速度传感器属于关键部件,它们的功能稳定性对确保列车安全运行非常重要,所以车辆架修过程必须对牵引电机上的温度传感器和速度传感器进行必要的维修,以消除前期运营过程中出现的缺陷,保证后续列车运营安全可靠。本文在充分研究这2个传感器结构和原理的基础上,结合传感器在经过60万km运营后的实际损耗情况,针对性地设计了一套简便易操作、可行性强的传感器检测方案。经过现场实际验证,该方案能够有效提高传感器的维修效率和维修质量,为某地铁6号线的安全运营提供保障,并给其他地铁B型车牵引电机传感器的架大修方式提供有效借鉴。

1 温度传感器检测方案设计

1.1 温度传感器的结构及工作原理

某地铁6号线上使用的温度传感器是NCTR13C-P型温度传感器,该温度传感器由探头体、软管接头、高温屏蔽电缆、耐高温软管、插头、插座、管接头等构成,具体结构组成见图1。此传感器采用整体电缆直接出线方式,将传感器安装在牵引电机定子端上。传感器通过电缆芯线与牵引箱相连,再与车辆控制单元相接。屏蔽线接点位接地,以实现良好的信号屏蔽效果。

图1 NCTR13C-P型温度传感器及其系列产品外形图

这是一种以铂(Pt)制成的电阻式温度传感器,在实际工作中,用于测量铁芯温度的温度传感器将测量的Pt100电阻变化值先转换成可处理的电信号。然后此电信号再通过车辆控制单元的程序逻辑处理,最后换算成实际的温度值。而这种铂电阻温度传感器工作过程的关键在于金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变,且铂电阻的电阻值与所对应的温度之间具有良好的线性关系,同时电阻温度系数大且稳定[3]。其电阻和温度变化的关系式可表示为:

R=Ro(1+αT)

(1)

式中:α=0.003 92,Ro为100 Ω(在0 ℃的电阻值),T为摄氏温度,因此用铂(Pt)做成的电阻式温度传感器,又称Pt100,其在各个温度下(检测传感器的室内温度)的分度值见表1～2。

表1 用于检测车间室内温度环境下架修参考的Pt100热电阻分度表(0 ℃以下)

表2 用于检测车间室内温度环境下架修参考的Pt100热电阻分度表(0 ℃以上)

1.2 温度传感器检测方案

在充分分析完上述传感器结构和原理的基础上,结合架修技术规程标准与某地铁6号线车辆实际情况,我们设计了一套温度传感器检测方案。

1.2.1 检测标准及关键点技术分析

该方案明确了地铁B型车电机传感器的检测技术标准。结合维修手册及架大修规程,某地铁6号线的传感器在车辆运行60万km后开始架修,部件表面污渍较多,且可能存在磨损。由于Pt100 温度传感器在 0 ℃时电阻值为 100 Ω,电阻变化率仅为0.385 1 Ω/℃,其电阻值小而且灵敏度高,加上铂本身具有耐酸碱、不会变质、线性特性好的特点,温度传感器检测当误差范围为标准值的±0.1 ℃时,温度传感器可以继续使用。因此,某地铁6号线架修检测传感器时,首先进行目视检查并清洁相关部件,再保证其绝缘性能,随后在当时的室温下测量对应的电阻值再对照表1即可判断温度传感器的性能,传感器电阻误差值为±0.3 Ω时,无需更换,最后在探头处涂抹适量导热硅脂,以提升后期实时温度检测的效果。其中,温度传感器的Pt100电阻值测量最为关键,其标准属于关键技术参数标准。

1.2.2 检测工艺流程及关键测量要素分析

依据上述温度传感器检测技术标准,同时为使现场检测更加经济简便,可参照表3 地铁B型车电机温度传感器检测项点要求(每列车)和表4地铁B型车电机温度传感器检测资源需求表开展作业。在具体作业时,只需要2个作业人员按照表4中的工装工具和物料,在规定的作业时间内完成表3中的检测项点,1 d内就可批量完成1列车传感器检测工作。

表3 地铁B型车电机传感器检测项点要求(每列车)

表4 地铁B型车电机传感器检测资源需求

1.3 温度传感器测量结果及判断

现场依据上述方案,在8 h内完成了首列车16车温度传感器检测。其中对首列车16个电机温度传感器的关键技术参数Pt100电阻值测量,输入分析报表中,自动读取结果。如表5所示。

表5 地铁B型车电机温度传感器Pt100电阻值汇总表

由表5可知,首列车16个电机温度传感器经过架修期后其Pt100电阻值全部在技术标准范围内,结合其余检测项点也无异常结果,判断温度传感器仍然满足使用条件,无须更换。

2 速度传感器检测方案设计

2.1 速度传感器结构及原理

用于某地铁6号线上的速度传感器是TQG19D6/D7型速度传感器,此速度传感器由O型圈、定位销、探头体、管接头、波纹软管、屏蔽电缆、电连接器插头等组成。牵引电机速度传感器在具体装配时,将定位销对准安装处对应的孔,间隙为0.8 mm,速度传感器探头安装及原理示意如图2所示。

图2 速度传感器探头安装及原理示意

速度传感器的探头体为1个霍尔元件,霍尔型速度传感器在周期磁场的影响下,驱动传感器内部的永磁体形成磁场,该部分产生周期性电压信号,通过分析周期性电压可以计算出列车的运行速度[4]。在探头的安装面对应的是牵引电机轴端的测速齿盘。在测速齿盘旋转时,根据法拉第电磁感应定律,当齿轮的齿对着探头时,探头的磁通变大,当齿轮的齿槽对着探头时,探头的磁通变小。当齿轮旋转时,探头的磁通周期变化,在探头磁通增大时输出正脉冲,在探头磁通减小时输出负脉冲,经整形放大器输出方波脉冲信号。车辆运行时,电机转动并带动测速齿盘转动,然后电机速度传感器将测速齿盘位置变化导致的磁场信号变化转换成对应的方波脉冲信号,通过电连接器插头经牵引箱传输至车辆控制单元。最后,车辆控制单元根据程序逻辑将测量出的单位时间内转动的齿轮数换算成电机转速。

在具体到计算牵引电机转速时,具体关系可以用以下公式来表示。

(2)

式中:n表示牵引电机在实际运行时的物理转速,单位为r/s;T为每次的统计时间,单位为s;M为每次统计的时间内测得到的方波脉冲数;C为牵引电机测速齿盘上的齿轮数。

结合上述公式及速度传感器检测获得的数据,地铁列车实际运行速度时对应的牵引电机转速及车辆控制单元的后台数据,可以对牵引电机的实际转速及列车速度进行分析,并推断出列车牵引及列车控制系统存在的潜在缺陷。

2.2 速度传感器检测方案

2.2.1 检测技术要点

对上述速度传感器的结构和原理进行充分分析后,结合架大修技术规程标准以及对某地铁6号线车辆的实际情况,设计了一套成功应用于现场的电机速度传感器检测方案。该方案明确了电机速度传感器的检测技术标准。速度传感器包含主要信道和辅助信道,二者相位差为90°,利用这一特性可确定车辆行进方向,通过相位角大小可判断电机正反转。方波输出需有效地被车辆控制单元检测,须保证脉冲信号高低电平有足够电压差,且单位时间内脉冲数能够被有效统计(见图3)。

图3 速度传感器的方波信号示意

方波信号采集非瞬时,需要考虑采样时间,确保方波高电平在整个周期占比适中,判断占空比以确保公式(2)中的M(每次统计的时间内方波脉冲数)准确。因此,架修期间对速度传感器进行检测时,除了目视检查、部件清洁及绝缘性能外,还要着重注意相位差、脉冲幅值及占空比3个关键参数。在某地铁6号线实际架修过程中,结合维修手册,架大修技术规程与产品设计资料,确定下面3个关键技术参数的具体标准如下:相位差为90°±45°;脉冲幅值高电平VH大于等于9.6 V,脉冲幅值低电平VL小于等于1.5 V;占空比为50%±25%。这样充分保证了速度传感器识别出车辆行进方向、采集信号计算列车速度的准确性。

2.2.2 检测工艺流程及关键测量要素

依据上述传感器检测技术标准,同时为使现场检测更加经济简便,可参照表6地铁B型车电机速度传感器检测项点要求(每列车)和表7地铁B型车电机速度传感器检测资源需求开展作业。在具体作业时,只需要2个作业人员按照表7中的工装设备和物料,搭建起图4中的专用检测系统,在规定的作业时间内完成表6中的检测项点,2 d内就可批量完成1列车速度传感器的检测工作。

表6 地铁B型车电机速度传感器检测项点要求(每列车)

表7 地铁B型车电机速度传感器检测资源需求

图4 某地铁6号线速度传感器专用检测系统简要示例

2.3 速度传感器试验结果及判断

现场依据上述方案,对首列车16个电机速度传感器进行检测。其中1个电机速度传感器的方波脉冲实际检测如图5所示,相位差89°,脉冲幅值高电平VH为11.68 V,脉冲幅值低电平VL为0.01 V,占空比为51%。对现场首列车16个电机速度传感器的关键参数数值进行分类汇总,如表8所示。

表8 地铁B型车电机速度传感器关键参数值值汇总表

图5 某地铁6号线的方波脉冲实际检测图

由表8可见,首列车16个电机速度传感器经过架修期后其关键参数值均在技术标准范围内,结合其余检测项点也无异常,因此判断速度传感器可以继续使用,不需要更换。

3 结束语

上述检测方案经过1个项目6列车,时间长达半年的实践证明,可以对地铁的电机传感器进行有效快捷的检测,且成本较低,检测效果较好。在后续地铁B型车的传感器架大修中,可以借鉴此方案的思路,在充分研究分析完传感器的结构与原理后,确定检测的关键参数技术标准,使用简单的工器具来批量检测。