車(chē)輛國(guó)產(chǎn)化軸端速度傳感器的研發(fā)與應(yīng)用

張陸軍，梁雙慶，周友佳

（1. 北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 102208；2. 寧波永貴佳明測(cè)控技術(shù)有限公司，浙江寧波 315040）

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車(chē)輛國(guó)產(chǎn)化軸端速度傳感器的研發(fā)與應(yīng)用

張陸軍1，梁雙慶1，周友佳2

（1. 北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 102208；2. 寧波永貴佳明測(cè)控技術(shù)有限公司，浙江寧波 315040）

摘 要：結(jié)合北京地鐵機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛進(jìn)口軸端速度傳感器應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題以及相應(yīng)開(kāi)展的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品研制工作，介紹了軸端速度傳感器主要原理和結(jié)構(gòu)，國(guó)產(chǎn)化軸端速度傳感器在研發(fā)與應(yīng)用中的主要關(guān)鍵技術(shù)，以及國(guó)產(chǎn)化軸端速度傳感器的第三方檢測(cè)驗(yàn)證和運(yùn)營(yíng)考核試驗(yàn)情況，證明國(guó)產(chǎn)軸端速度傳感器完全可以替代國(guó)外產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛；速度傳感器；國(guó)產(chǎn)化；關(guān)鍵技術(shù)

0　前言

北京地鐵機(jī)場(chǎng)線(xiàn)連接著北京市區(qū)與北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)，全長(zhǎng)28.1km，車(chē)輛所用 QKZ5 軸端速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外壟斷卻不開(kāi)放，產(chǎn)品采購(gòu)時(shí)間長(zhǎng)，維修成本高、周期長(zhǎng)，使車(chē)輛維修處于被動(dòng)地位且嚴(yán)重制約了我國(guó)地鐵建設(shè)和地鐵裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。由于該傳感器直接安裝在輪對(duì)軸端，運(yùn)用工況惡劣，承受?chē)?yán)重的振動(dòng)沖擊應(yīng)力，進(jìn)口產(chǎn)品故障頻發(fā)，存在占空比變化、相位差變化、缺相等失效現(xiàn)象。基于以上原因，我們開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)化軸端速度傳感器的研制工作，并且實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)軸端速度傳感器與既有車(chē)輛上的軸端速度傳感器完全互換；同時(shí)該國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品機(jī)械性能、電氣性能均能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。

1　軸端速度傳感器主要原理和結(jié)構(gòu)

1.1主要原理

軸端速度傳感器是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足軌道交通車(chē)輛運(yùn)行需要所設(shè)計(jì)的裝置，它基于光電效應(yīng)機(jī)理，為列車(chē)的牽引、制動(dòng)、監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)的速度記錄提供穩(wěn)定可靠的信號(hào)。

軸端速度傳感器工作原理如圖1所示：發(fā)射二極管發(fā)出的連續(xù)光束被編碼盤(pán)遮斷，接收晶體管探測(cè)到脈沖光束，并產(chǎn)生一個(gè)與編碼盤(pán)轉(zhuǎn)速相應(yīng)比例的頻率，頻率經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后傳輸給相應(yīng)控制系統(tǒng)。

圖1　速度傳感器工作原理

對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用，1 路輸出信號(hào)和編碼盤(pán)上 1 圈碼道足以滿(mǎn)足要求。對(duì)于較復(fù)雜和安全要求更為嚴(yán)格的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要多路輸出信號(hào)或在編碼盤(pán)上有 2 圈碼道。例如：通過(guò)有相位差的 2 路輸出信號(hào)可以確定行進(jìn)方向。

1.2主要結(jié)構(gòu)與組成部分

軸端速度傳感器主要由外殼、后蓋、軸系部件、光柵片、光電模塊、線(xiàn)夾、電纜線(xiàn)總成及止動(dòng)壁等組成（圖 2）。

圖2　速度傳感器主要結(jié)構(gòu)

每個(gè)光電模塊可以單獨(dú)供電，也就是說(shuō)，不同的系統(tǒng)可以使用同一速度傳感器中的幾個(gè)光電模塊而互不影響。可以從傳感器信號(hào)中獲得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、行駛距離、速度和加速度等數(shù)據(jù)。典型的應(yīng)用是速度的檢測(cè)、顯示和記錄。此外，也可用于防滑保護(hù)、列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制（ATC）系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等其他系統(tǒng)。

2　國(guó)產(chǎn)速度傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

根據(jù)北京地鐵機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛進(jìn)口速度傳感器使用狀況和早期主要故障現(xiàn)象，在研究進(jìn)口產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提高產(chǎn)品抗振動(dòng)沖擊性能和工作穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中采用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1光電模塊技術(shù)

2.1.1進(jìn)口速度傳感器光電模塊原理

進(jìn)口速度傳感器光電模塊采用 LED 作為發(fā)光源，使用遮板開(kāi)縫方式產(chǎn)生縫光源，光通過(guò)遮板縫隙照到光柵盤(pán)上，光柵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，單個(gè)接收晶體管接收脈沖式光束，產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算放大器處理，得到所需脈沖信號(hào)（圖 3）。

通道信號(hào)間相位差產(chǎn)生原理：通過(guò)沿光柵盤(pán)圓周方向安裝光電模塊，調(diào)節(jié)光電模塊之間的夾角 A 完成所需相位差的調(diào)節(jié)（圖 4）。

圖3　進(jìn)口速度傳感器模塊工作原理

圖4　進(jìn)口速度傳感器相位差產(chǎn)生原理

2.1.2國(guó)產(chǎn)速度傳感器光電模塊工作原理

國(guó)產(chǎn)速度傳感器采用 LED 作為發(fā)光源，通過(guò)凸鏡轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的面光源照到光柵盤(pán)上，采用多個(gè)光電二極管將所接收的脈沖光束轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，采用差分信號(hào)處理技術(shù)，極大地提高了傳感器脈沖信號(hào)輸出的穩(wěn)定性（圖 5）。

通道信號(hào)間相位差產(chǎn)生原理：采用 2 組多個(gè)光電二極管形成 2 路輸出信號(hào)，其相位差通過(guò)芯片位置布局確定，輸出相位穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

2.2獨(dú)特的多窗口測(cè)量和信號(hào)差分處理技術(shù)

進(jìn)口速度傳感器光電模塊采用單窗口測(cè)量和單閾值比較信號(hào)處理技術(shù)，輸出信號(hào)易受光源強(qiáng)弱、軸系部件徑向跳動(dòng)、電磁干擾等外部因素影響而變得不穩(wěn)定。國(guó)產(chǎn)速度傳感器光電模塊采用多窗口測(cè)量方式，就是將測(cè)量窗口虛擬地劃分為多個(gè)小窗口，利用多個(gè)光電二極管接收脈沖光束，以此來(lái)改善對(duì)信號(hào)特別是弱目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)性能。

圖5　國(guó)產(chǎn)速度傳感器模塊工作原理

進(jìn)口速度傳感器信號(hào)傳輸采用的是傳統(tǒng)的 1 根信號(hào)線(xiàn) 1 根地線(xiàn)的方式；而國(guó)產(chǎn)速度傳感器輸出信號(hào)采用的是信號(hào)差分的方式，如圖 6 所示。信號(hào)差分處理方式就是 2 根線(xiàn)都傳輸信號(hào)，這 2 個(gè)信號(hào)振幅相等，相位相反。這種方式抗干擾能力強(qiáng)，能有效抑制電磁干擾。

圖6　差分信號(hào)原理圖

因此，國(guó)產(chǎn)速度傳感器光電模塊采用多窗口測(cè)量方式和信號(hào)差分處理方式來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，能有效地提高傳感器脈沖信號(hào)輸出的穩(wěn)定性和電磁兼容性能，徹底杜絕了進(jìn)口產(chǎn)品受光源強(qiáng)弱、軸系部件徑向跳動(dòng)影響產(chǎn)品穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)缺陷。

2.3信號(hào)間的相位差免調(diào)試設(shè)計(jì)

進(jìn)口軸端速度傳感器所設(shè)計(jì)的模塊只能輸出1路信號(hào)，2 路信號(hào)間相位差依靠通過(guò)調(diào)整 2 個(gè)光電模塊的機(jī)械位置來(lái)調(diào)節(jié)，相位差精度不能保證，人工調(diào)整相位差勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，并且在列車(chē)應(yīng)用工況下，光電模塊機(jī)械位置肯定會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變，導(dǎo)致相位差超差，從而引起傳感器失效。

國(guó)產(chǎn)軸端速度傳感器實(shí)現(xiàn)了單個(gè)模塊 2 路輸出，2 路信號(hào)間的相位差僅取決于模塊相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸中心線(xiàn)的安裝半徑，該尺寸通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件加工得到保證，并且通過(guò)光電模塊底部的 2 個(gè)小圓形凸臺(tái)與外殼內(nèi)部相應(yīng)的定位孔配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，信號(hào)間的相位差不用調(diào)試，方便產(chǎn)品后續(xù)維護(hù)。

2.4堅(jiān)固的耐振抗沖擊設(shè)計(jì)

光電模塊是傳感器產(chǎn)品的重要組成部分，在使用過(guò)程中，常常受到列車(chē)加速、減速等因素的振動(dòng)、沖擊作用。如果產(chǎn)品自身抗振動(dòng)沖擊能力差，在使用過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生故障而影響列車(chē)性能。模塊發(fā)生故障主要有 2 種情況：一種是在某個(gè)頻率點(diǎn)發(fā)生共振，使其振動(dòng)幅度越來(lái)越大，直至超過(guò)模塊的極限加速度而破壞；另一種是振動(dòng)沖擊沒(méi)超過(guò)其極限，但長(zhǎng)期振動(dòng)使模塊疲勞損壞。為保證產(chǎn)品可靠性，必須進(jìn)行防振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)。

IEC61373-2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車(chē)輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)軸用產(chǎn)品有明確的沖擊、振動(dòng)要求。而在實(shí)際使用過(guò)程中，進(jìn)口軸端速度傳感器有元器件焊點(diǎn)和模塊外殼開(kāi)裂失效的現(xiàn)象。針對(duì)這類(lèi)現(xiàn)象，國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品做了以下改進(jìn)。

2.4.1光電模塊自身加固設(shè)計(jì)

光電模塊采用獨(dú)特灌封工藝，使模塊外殼和印刷電路板（PCB）形成一個(gè)整體，有效提高其抗彎、抗扭強(qiáng)度，從而減少元器件焊點(diǎn)和模塊外殼開(kāi)裂失效現(xiàn)象的頻率。

2.4.2光電模塊安裝加固

圖7　光電模塊安裝示意圖

光電模塊安裝采用上下夾持的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖 7 所示。隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品抗振動(dòng)沖擊性能的提高，因此，在后蓋與模塊間設(shè)計(jì)了橡膠材質(zhì)上層夾持件，使模塊能完全嵌入夾持件中，以提高其抗沖擊性能；而模塊下表面采用定位凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，模塊裝配后，兩定位凸臺(tái)完全嵌入鋁質(zhì)外殼的定位孔中，即使傳感器暴露在惡劣的振動(dòng)沖擊工況下，光電模塊在外殼中的位置也不會(huì)發(fā)生改變，能有效地保證傳感器信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5合理的布線(xiàn)設(shè)計(jì)

電纜芯線(xiàn)是信號(hào)傳遞的載體。芯線(xiàn)護(hù)套材質(zhì)多為聚氯乙烯等，使用過(guò)程中，它極易因摩擦、過(guò)度彎折而損壞，從而影響產(chǎn)品功能及穩(wěn)定性。外殼材質(zhì)較硬，由于加工原因使得其粗糙度也較大，所以，光電模塊引出芯線(xiàn)連接段在外殼內(nèi)腔是很容易損壞的。國(guó)產(chǎn)傳感器針對(duì)這個(gè)問(wèn)題采取了以下 2 個(gè)措施。

（1）嚴(yán)格控制外殼內(nèi)腔芯線(xiàn)長(zhǎng)度。放置芯線(xiàn)的內(nèi)腔環(huán)道寬度約 2cm，芯線(xiàn)實(shí)際長(zhǎng)度不能超過(guò)其環(huán)道外徑 5cm。這種方式可以有效地減小芯線(xiàn)與外殼的接觸面積，以此控制芯線(xiàn)護(hù)套破損的機(jī)率。

（2）設(shè)計(jì)固定線(xiàn)夾。由于芯線(xiàn)和外殼間相對(duì)移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而磨損芯線(xiàn)護(hù)套。因此設(shè)計(jì)線(xiàn)夾，使芯線(xiàn)固定在外殼內(nèi)腔，可以有效地減小其相對(duì)移動(dòng)，提高產(chǎn)品可靠性，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

3　國(guó)產(chǎn)速度傳感器的第三方驗(yàn)證

產(chǎn)品試制完成后，委托具有中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行第三方型式試驗(yàn)。第三方驗(yàn)證試驗(yàn)樣品數(shù)量為 2 套。試驗(yàn)項(xiàng)目與試驗(yàn)方法見(jiàn)表 1。

表1　試驗(yàn)項(xiàng)目

通過(guò)第三方驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)速度傳感器完全可以替代國(guó)外產(chǎn)品。

4　國(guó)產(chǎn)速度傳感器實(shí)際運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)考核

研制出適合北京地鐵機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛的國(guó)產(chǎn)化速度傳感器 10 套樣機(jī)，于 2013 年10月進(jìn)行了裝車(chē)試驗(yàn)考核（圖8、圖9），在確保其裝車(chē)試驗(yàn)正常情況下，進(jìn)行車(chē)輛載客運(yùn)營(yíng)考核試驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)考核試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)。

（1）研制完成的 10 套機(jī)場(chǎng)線(xiàn)車(chē)輛軸端速度傳感器，機(jī)械接口和電氣接口與原裝速度傳感器完全一致。

（2）傳感器裝車(chē)試驗(yàn)運(yùn)行 10 萬(wàn) km后，實(shí)施開(kāi)蓋解體工作，并抽樣檢查 2 臺(tái)軸端速度傳感器，進(jìn)行全面檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均合格。

（3）國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品進(jìn)行了裝車(chē)運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)考核，截止目前已運(yùn)營(yíng) 30 萬(wàn) km，產(chǎn)品裝車(chē)性能正常。

5　結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目的實(shí)施具有鮮明的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，突破了國(guó)外公司對(duì)我國(guó)形成的技術(shù)壁壘，可降低產(chǎn)品采購(gòu)成本，縮短檢修周期，減少維修成本。國(guó)產(chǎn)化將大大利于民族企業(yè)的扶植培養(yǎng)，并利于建設(shè)良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)秩序，維護(hù)穩(wěn)定的價(jià)格及市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。北京地鐵一直以來(lái)注重實(shí)施地鐵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，國(guó)產(chǎn)化的車(chē)輛軸端速度傳感器將繼續(xù)應(yīng)用于北京地鐵線(xiàn)路并向國(guó)內(nèi)其他地鐵公司推廣，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8　北京地鐵機(jī)場(chǎng)線(xiàn)列車(chē)

圖9　轉(zhuǎn)速計(jì)

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責(zé)任編輯 冒一平

Development and Application of Domestic Axle End Speed Sensor in Vehicle

Zhang Lujun, Liang Shuangqing, Zhou Youjia

Abstract:Taking into consideration of the airport line of Beijing metro vehicles imported axle end speed sensor application problems and the corresponding development work of domestic product, the introduces the principle and structure of axle end speed sensor, the key technologies of the localized axle end speed sensor in the development and application, and third-party testing and operational assessment test of the localized axle end speed sensor and it verifies that domestic axle end speed sensor can replace foreign products.

Keywords:metro vehicle, speed sensor, localization, key technology

中圖分類(lèi)號(hào)：U260.4

作者簡(jiǎn)介：張陸軍（1962—），男，高級(jí)工程師

收稿日期2015-11-09