高速動車組車載水箱傳感器故障檢測與診斷技術研究

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(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000)

1 引言

近些年隨著中國鐵路的大發展，動車組對設備可靠性以及舒適度的要求也越來越高。水箱的可靠運行是旅客攝水量的保證，其中水箱水位是水箱的重要控制參數，目前動車組上水位傳感器的故障頻發，嚴重影響了旅客的正常飲水，因此開展車載水箱水位傳感器的故障研究是十分必要的。

水箱傳感器由干簧管和外部控制磁鐵組成，通過改變它們距離來改變傳感器的導通情況，國內外學者對水箱水位傳感器進行了相關的研究，馬媛[1]實現了基于STC單片機的高可靠性水位傳感器設計，其中分別對傳感器機械結構、硬件電路和軟件等進行原理說明，以實現通過單片機對水箱控制系統進行在線監測及診斷；蘇紅[2]提出了一種通過構建RBF網絡估值器的故障診斷方法來實現水箱診斷系統的自動化和系統化。針對車載水箱傳感器，由于我國地域跨度大，環境復雜多變，車載水箱傳感器[3]工作溫度場變化差異顯著。因此，溫度可能是導致車載水箱傳感器故障的原因。有必要針對中國鐵路運營范圍內大部分地區的極限溫度進行取值，并根據相應的溫度進行實驗。

本文針對溫度對車載水箱傳感器[4]的影響進行了研究：實驗室內搭建了極限溫度場測試平臺并研究了溫度對干簧管的影響，搭建了磁鐵居里溫度測試平臺研究了外部強磁環境對外部控制磁鐵工作狀態的影響，根據實驗結果總結提出了針對動車組水箱的故障檢測與診斷技術，實現高速動車組車載水位傳感器的準確快捷地在線檢測。

2 實驗測試

2.1 干簧管性能測試

為了測試該傳感器的實際性能，搭建實驗平臺對其性能進行測試。實驗平臺如圖1所示，圍繞傳感器所在的信號輸出端口，包括為其提供不同的溫度場(低溫試驗箱和真空高溫干燥箱)。實驗根據所設定的溫度范圍從-70°～160°，選取相同條件下的車載水箱傳感器置于不同溫度場中10min，之后保持在相同的溫度下測量其性能。

圖1 極限溫度場測試平臺

2.2 外部控制磁鐵的性能測試

本實驗采用如圖2所示的RL交流電橋，在電橋中輸入電源由信號發生器提供，在實驗中應適當選擇較高的輸，出頻率，為信號發生器的角頻率。其中Z1和Z2為純電阻，Z3和Z4為電感(包括電感的線性電阻r1和r2，FD-FMCT-A型鐵磁材料居里溫度測試實驗儀中還接入了一個可調電阻R3)，其復阻抗為：

Z1=R1

Z2=R2

Z3=r1+jωL1

Z4=r2+jωL2

(1)

當電橋平衡時有

R1(r2+jωL2)=R2(r1+jωL1)

(2)

實部與虛部分別相等，得：

(3)

圖2 RL交流電橋

3 實驗結果分析及診斷方案提出

3.1 實驗結果分析

3.1.1 干簧管極限工作溫度測試

表1所示干簧管[5]在極限工作情況下的溫度場測試，通過表1可知車載水箱傳感器的核心就是干簧管，在正常工作下穩定度較高。在正常溫度場波動范圍內，干簧管性能幾乎沒有受到影響。除非是極端情況下，溫度到達-70°或者是160°，這樣極限溫度下才可能會對干簧管的性能產生影響和改變。

表1 極限工作情況下的溫度場測試

3.1.2 磁鐵居里溫度測試

選擇合適的電子元件相匹配，在未放入鐵氧體時，可直接使電橋平衡，但當其中一個電感放入鐵氧體后，電感大小發生了變化，引起電橋不平衡。在溫度變化的過程中，我們實時記錄下電橋電壓和溫度對應的實驗數據，表2所示為輸出電壓和加熱溫度的關系。表2表明電橋電壓差隨著溫度升高而降低，變化率也在明顯變化。

表2 外部控制磁鐵樣品交流電橋輸出電壓與加熱溫度關系

圖3所示隨著溫度的上升到某一個值時，鐵氧體的鐵磁性轉變為順磁性，CD兩點間的電位差發生突變并趨于零，電橋又趨向于平衡，這個突變的點對應的溫度130°就是居里溫度。當內外水箱的溫度或者是環境溫度到達于此，磁鐵的性能將會受到嚴重的影響和干擾，會直接影響車載水箱傳感器液面的準確判斷和供給水源，從而造成水資源的浪費甚至是嚴重事故的發生。

圖3 控制磁鐵的居里溫度實驗測試結果

3.2 在線診斷方案

基于上述試驗結果分析，本文提出了如下的車載水箱傳感器診斷方案，主要包括靜止狀態的檢測與動態狀態的檢測，靜止狀態主要用于判斷不方便拆卸和安裝好的傳感器，而動態狀態檢測用于未安裝的傳感器。

靜止狀態的檢測：先將萬用表置于輸入擋，兩個表筆分別接于水箱傳感器的兩個引出線，測量的阻值應為無窮大。

動態狀態的檢測：用水位傳感器的可旋轉的部分(外部控制磁鐵)靠近信號感知部分，此時萬用表的指針應該向右擺至零，說明水位傳感器已經導通，然后將水位傳感器的可旋轉的部分移動遠離信號感應部分，萬用表指針應向左回擺至無窮大。測試時，如果外部控制磁鐵靠近信號感應部分四方，萬用表指針沒有開始擺動或者擺動不到零位，說明其內部干簧管不能很好吸合，表明該干簧管間隙過大或者已經發生位移，如果外部控制磁鐵遠離信號感應部分，干簧管不能很快斷開，說明該干簧管的簧片彈性已經減弱，這樣的水位傳感器已經不能夠再次穩定的工作。

4 結論

本文通過對溫度場中車載水箱傳感器各個部分進行性能測試，從-60°～155°是干簧管的工作范圍。同樣對控制磁鐵進行居里溫度測試發現，135°是磁鐵工作的溫度極限。對于不同安裝狀態的傳感器，使用萬用表可以快速準確判斷其工作狀態。鑒于以上結果，我們可以分析判斷正常工作情況下，干簧管性能更加穩定，外部控制磁鐵的性能決定了傳感器的工作狀態。