新型客車軸端接地裝置彈簧壓力試驗臺的研究

毛朝暉 傅佩喜 陳 娟 上海鐵路局科學技術研究所

25T等新型客車接地裝置主要由4個碳刷柱、4個渦卷彈簧、1跟接地線、1個保護罩、1只端蓋及相關防松件、緊固件等零件構成（如圖1所示）。其工作原理是：由接地線將車體上的電流通過四個碳刷直接傳遞至車軸，再通過車輪與鋼軌形成接地回路。

圖1 客車軸端接地裝置

接地裝置是25T等新型客車接地系統(tǒng)重要組成部分之一，它的主要作用是防止電流通過客車軸承產生電蝕而危及行車安全。故它的技術狀態(tài)直接關系到列車用電系統(tǒng)的接地可靠性和運行的安全性。碳刷與車軸端面的接觸狀態(tài)，是該接地系統(tǒng)是否良好的關鍵，而4個渦卷彈簧的彈簧壓力，又是碳刷正常工作的基本保證。對該彈簧的技術要求，鐵道部已有明確規(guī)定，如何檢測就成為生產現場必須解決的問題。為此，我們在路局立項進行了專題研究。

1 技術要求

根據鐵道部《客車軸端接地裝置檢修規(guī)程》的規(guī)定，接地裝置的主要技術要求如下：

（1）舊接地裝置彈簧壓縮25mm時，每個碳刷的壓強不小于50kPa;

（2）舊接地裝置更換新彈簧時，碳刷的壓強不小于65kPa，且4個碳刷的壓強與平均值的偏差不超過10%;

（3）新接地裝置彈簧壓縮25mm時，碳刷的壓強不小于65kPa，且4個碳刷的壓強與平均值的偏差不超過10%;

（4）新接地裝置的4個碳刷高度差不得大于1.5mm;

（5）舊接地裝置的4個碳刷高度差不得大于3.0mm。

2 系統(tǒng)簡介

2.1 機械結構

該系統(tǒng)的機械結構主要由二柱絲杠機構、轉盤座組成。轉盤座用以安裝接地裝置，可以90/360度旋轉。二柱絲杠機構帶動壓力測力計及位移傳感器上下移動。

2.2 系統(tǒng)工作原理

計算機控制驅動垂直方向的步進電機1帶動測力計向下移動，當測力計與接地裝置的一個碳刷接觸時，控制計算機獲取此時的位移傳感器數值L1。步進電機1繼續(xù)帶動測力計繼續(xù)向下運動25mm，獲取測力計的值P1。步進電機1帶動測力計向上運動至測力計與碳刷有一段距離，步進電機2帶動接地裝置旋轉90度。繼續(xù)下一個碳刷的檢測，直至4個碳刷完全檢測完畢（系統(tǒng)工作原理詳見圖2）。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意圖

2.3 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由位移傳感器數據采集系統(tǒng)、測力計數據采集系統(tǒng)、開關量采集系統(tǒng)、步進電機驅動控制系統(tǒng)、控制計算機組成。

2.3.1 位移傳感器數據采集系統(tǒng)

（1）位移傳感器天沐NS-WY03用以測量的量程為300mm，精度為0.2%FS,電流為4~20(mA)，由于位移傳感器輸出的信號是電流信號，因此在送入A/D數據采集卡轉換前，需將此信號轉換成電壓信號。

（2）A/D數據采集卡Advantech PCI-1713板卡，該PCI總線式板卡可直接與工控機聯機，同時能與工控機很好地兼容。PCI-1713是12位分辨率、32路模擬量輸入、100K采樣頻率的數據采集和模數轉換集成板卡。

PCI-1713提供單端輸入和差分輸入兩種方式。

單端輸入時，輸入信號均以共同的地線為基準。這種輸入方法主要應用于輸入信號電壓較高(高于1V)，信號源到模擬輸入硬件的導線較短(低于15feet)，且所有的輸入信號共用一個基準地線。如果信號達不到這些標準，此時應該用差分輸入。對于差分輸入，每一個輸入信號都有自有的基準地線。由于共模噪聲可以被導線所消除，所以差分輸入可以減小噪聲誤差。

單端輸入時,是判斷信號與 GND的電壓差；差分輸入時,是判斷兩個信號線的電壓差。對于差分輸入，當信號受干擾時,差分的兩線會同時受影響,但電壓差變化不大，因此差分輸入方式的抗干擾性能較佳。而單端輸入的一線變化時，由于GND不變,所以電壓差變化較大，因此單端輸入的抗干擾性能較差。

差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現在以下三個方面：

(1)抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

(2)能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

(3)時序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號技術。

本系統(tǒng)中我們采用差分輸入方式，其原理如圖3所示。

傳感器的電流輸出范圍為4-20mA，經計算5V/20mA,取R1=240Ω，R2=10Ω。為提高轉換精確度和降低噪聲影響，數據采集卡PCI-1713采用差分的方式采集數據，即采用（V0-V1）的差分算法，這樣可以很好的消除共模電壓Vcm的影響。

由于傳感器信號較弱，容易引入交流干擾，所以在輸出端同地之間并聯100uF/50V到470uF/50V電容C1，來提高信號的抗干擾能力。

圖3 差分信號采集電路圖

設位移傳感器的長度值為length,其對應的A/D轉換后的數字量為AvgBinaryArrayRec。

當length為0mm時，傳感器的輸出電流4mA，AvgBinaryArrayRec為 4×240×4096/5000;

當length為300mm時，傳感器的輸出電流20mA，Avg－BinaryArrayRec為20×240×4096/5000。根據線性關系有：Length=(AvgBinaryArrayRec-4×240×4096/5000)×300/(20×240×4096/5000-4×240×4096/5000)

2.3.2 開關量采集系統(tǒng)

系統(tǒng)設計兩個開關量，一個是測力計與碳刷柱接觸時，向主機發(fā)出信號；另一個是接地裝置旋轉90度時向主機發(fā)出信號。

我們使用了一塊PCI-1751，用以獲取兩個開關量的值以及為步進電機驅動器提供脈沖、方向、脫機信號。

PCI-1751是一塊基于PCI總線的48位數字量I/O卡，還提供一個計數器和2個16位的定時器。該采集系統(tǒng)的原理如圖4所示：

圖4 開關量采集系統(tǒng)電原理圖

當測力計與碳刷柱離開時，k1打開，光電耦合TLP521-4A的1通道斷開，PCI-1751的1號腳為高電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態(tài)；

當測力計與碳刷柱離開時，k1閉合，光電耦合TLP521-4A的1通道打開，PCI-1751的1號腳為低電平電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態(tài)；當接地裝置旋轉小于90°時，k2打開，光電耦合TLP521-4A的2通道斷開，PCI-1751的2號腳為高電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態(tài)；

當接地裝置旋轉90°時，k2閉合，光電耦合TLP521-4A的2通道打開，PCI-1751的2號腳為低電平電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態(tài)；

2.3.3 步進電機驅動控制系統(tǒng)

步進電機驅動器SH-30806。我們采用森創(chuàng)三相混合式步進電機細分驅動器SH-30806,供電電源為24V-70VDC,容量0.2kVA;正弦波細分恒流驅動；最大輸出電流6A/相；最大3000步/轉的十六種細分模式可選；輸入信號光電隔離。

驅動器的輸入信號：驅動器端口內置光耦，光耦導通一次被驅動器解釋為一個有效脈沖。對于共陽極而言，低電平有效（共陰極為高電平有效），此時驅動器將按照相應的時序驅動電機運行一步。單脈沖模式時此信號端作為脈沖輸入信號，雙脈沖模式時此信號作為正轉脈沖輸入信號。為了確保脈沖信號的可靠相應，光耦每次導通的持續(xù)時間不應少于10μs。本信號的相應頻率200kHz,過高的頻率可能得不到正確的相應。本系統(tǒng)采用單脈沖模式。

方向信號輸入：單脈沖模式下該信號作為控制電機的轉向信號，該端內部光耦的通、斷被解釋為控制電機運行的兩個方向。控制電機轉向時，應確保方向信號領先脈沖信號至少10μs建立，從而避免驅動器對脈沖的錯誤響應。雙脈沖模式下，該信號作為反轉的脈沖輸入信號，光耦導通一次被驅動器解釋為一個有效脈沖。為了確保脈沖信號的可靠相應，光耦每次導通的持續(xù)時間不應少于10μs

脫機信號輸入：內部光耦處于導通狀態(tài)時電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。光耦關斷后電機電流恢復到脫機前的大小方向。當不需用此功能時，脫機信號端可懸空。

該電路的電機控制原理如圖5所示：

圖5 電機控制原理圖

控制計算機控制PCI-1751的28腳發(fā)出脈沖信號，經過TLP627光耦產生24V的脈沖信號，為電機驅動器提供脈沖信號。

控制計算機控制PCI-1751的10腳的高低電平，通過TLP627光耦給電機驅動器提供方向信號，從而控制步進電機1的正向和方向運轉。

控制計算機控制PCI-1751的11腳的高低電平，通過TLP627光耦給電機驅動器提供脫機信號，從而控制步進電機1的運轉和停止（步進電機2的控制信號原理同步進電機1）。

2.3.4 測力計數據采集系統(tǒng)

測力計選用海寶HF-50，精度達到3‰F.S。用RS232串口與工控機連接。HF-50可以實時向工控機發(fā)送數據。工控機使用MSComm控件接收數據。Microsoft Communications Control（簡稱MSComm）是Microsoft公司提供的簡化windows下串行通信編程的ActiveX控件。MScomm控件通過串行口傳輸和接收數據。MScomm控件提供了兩種處理通信問題的方法：一是事件驅動方法，一種查詢法。

（1）事件驅動方式：事件驅動方式是處理串行口交互作用的一種非常有效方法。在許多情況下，在事件發(fā)生時需要得到通知，例如，在串口接收緩沖區(qū)中有字符，或者Carrier Detect（CD）或Request To Send(RTS)線上一個字符到達或一個變化發(fā)生時。OnComm事件還可以檢查和處理通信錯誤。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數中加入自己的處理代碼。這種方法的有點是程序相應及時，可靠性高。

（2）查詢方式：查詢方式的實質還是事件驅動，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個關鍵功能之后，可以通過檢查CommEvent屬性的值來查詢事件和錯誤。如果應用程序較小，并且是自保持的，那么這種方法可能是更可取的。例如，如果寫一個簡單的電話撥號程序，則沒有必要對每接收一個字符都產生事件，因為唯一等待接收的字符是調制解調器的“確定”相應。本系統(tǒng)中我們采用事件驅動方式。

3 結束語

軸端接地裝置試驗臺控制系統(tǒng)經過一年的試用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)涉及了位移傳感器、測力計、步進電機的應用。對有位移傳感器、測力計、步進電機的產品的設計研制具有一定的指導作用。