動(dòng)車組牽引電機(jī)速度傳感器典型故障研究及方案實(shí)施

廉永峰 張培軍 呂志成

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安710000）

列車在運(yùn)行中，需通過(guò)速度傳感器獲取列車的運(yùn)行速度，該速度數(shù)據(jù)可用于列車的牽引控制和制動(dòng)控制，同時(shí)監(jiān)控列車的運(yùn)行狀態(tài)，確保列車的行車安全。某型動(dòng)車組牽引電機(jī)在線運(yùn)行時(shí)，報(bào)牽引電機(jī)速度傳感器故障，由于速度傳感器在線運(yùn)行故障原因復(fù)雜，可由速度傳感器自身故障、信號(hào)傳輸中的連接故障、信號(hào)采集故障、線路干擾等引發(fā)，造成地面試驗(yàn)故障再現(xiàn)困難。速度傳感器自身故障又存在可再現(xiàn)故障和不可再現(xiàn)故障，由于不可再現(xiàn)故障又與故障時(shí)刻的環(huán)境溫度、列車速度、振動(dòng)狀況、電磁環(huán)境相關(guān)，這給速度傳感器故障原因分析、措施制定、降低在線障數(shù)量帶來(lái)困難，本文主要針對(duì)速度傳感器不可再現(xiàn)故障進(jìn)行研究。

1 背景介紹

在牽引電機(jī)速度傳感器故障分析中，針對(duì)縮針現(xiàn)象、傳感器端面劃傷磕碰、連接器內(nèi)電纜扭斷現(xiàn)象、波形異常等現(xiàn)象，故障直觀、現(xiàn)象明顯，可實(shí)現(xiàn)故障再現(xiàn)，制定應(yīng)對(duì)措施。針對(duì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障再現(xiàn)情況的速度傳感器故障，尤其是線路運(yùn)行中存在波形時(shí)有時(shí)無(wú)的典型故障，無(wú)法制定有效措施，為進(jìn)一步降低速度傳感器在線故障增加了難度。為此，需要研究、制定一種方案，實(shí)現(xiàn)速度傳感器高級(jí)修時(shí)波形時(shí)有時(shí)無(wú)故障件的篩選，從而降低潛在的在線故障風(fēng)險(xiǎn)。

2 速度傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理介紹

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

牽引電機(jī)速度傳感器電器結(jié)構(gòu)主要由探頭組件、信號(hào)處理板、輸出電纜組成，詳見(jiàn)圖1。

圖1 速度傳感器電器結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理介紹

該探頭組件為磁阻器件，磁阻器件由4 個(gè)同型號(hào)磁敏電阻兩兩串聯(lián)組成，共6 個(gè)接觸點(diǎn)（見(jiàn)圖2）；磁敏電阻由直流供電，信號(hào)端A、B 上產(chǎn)生直流電壓；當(dāng)磁場(chǎng)密度發(fā)生周期變化時(shí)，磁敏電阻自身阻值產(chǎn)生周期性改變，信號(hào)端A、B 端會(huì)有周期性正弦流信號(hào)輸出，

正弦信號(hào)通過(guò)處理電路，最終獲取滿足檢測(cè)要求的方波信號(hào)，原理框圖見(jiàn)圖3。

圖2 磁阻器件結(jié)構(gòu)

圖3 原理框圖

3 速度傳感器波形時(shí)有時(shí)無(wú)故障原因確定

動(dòng)車組在線運(yùn)行過(guò)程中，報(bào)牽引電機(jī)速度傳感器故障，地面一般性能檢測(cè)無(wú)法再現(xiàn)故障；通過(guò)在線跟車檢測(cè)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)行工況時(shí)故障撲捉、通過(guò)地面再現(xiàn)方案試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)及故障部位確定、通過(guò)故障部位拆解實(shí)現(xiàn)故障原因確定；最終確定這種波形時(shí)有時(shí)無(wú)現(xiàn)象為焊點(diǎn)脫焊導(dǎo)致接觸不良所引發(fā)。

3.1 在線跟車檢測(cè)

通過(guò)在線跟車檢測(cè)發(fā)現(xiàn)一起波形時(shí)有時(shí)無(wú)故障，故障發(fā)生時(shí)刻車速為300km/h；當(dāng)車速降低時(shí)，波形恢復(fù)；通過(guò)示波器在線檢測(cè)實(shí)現(xiàn)故障捕捉，見(jiàn)圖4。

3.2 地面故障再現(xiàn)

在地面試驗(yàn)過(guò)程中，我們將故障速度傳感器安裝在牽引電機(jī)上，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)波形無(wú)異常、無(wú)丟失；通過(guò)高溫、低溫、振動(dòng)等多種手段，實(shí)現(xiàn)地面故障再現(xiàn)；通過(guò)傳感器拆解及磁敏器件輸出波形（見(jiàn)圖3 測(cè)點(diǎn)1）和傳感器輸出波形（見(jiàn)圖3 測(cè)點(diǎn)2）對(duì)比，最終確定故障原因?yàn)樘筋^故障引起速度傳感器波形時(shí)有時(shí)無(wú)，最終引起速度傳感器在線故障。地面故障現(xiàn)象捕捉見(jiàn)圖5。

圖4 300km/h 波形丟失

圖5 地面故障現(xiàn)象捕捉

3.3 探頭拆解

通過(guò)探頭拆解分析判定速度傳感器探頭焊接處由于脫焊造成接觸不良，最終引起速度傳感器故障，造成在線故障的發(fā)生。焊點(diǎn)脫焊見(jiàn)圖6。

4 方案制定

為解決由于探頭脫焊問(wèn)題引起的在線時(shí)有時(shí)無(wú)故障，需通過(guò)原因分析制定一種具有可操作性、具有高效性、具有高識(shí)別性的篩選方案。

圖6 焊點(diǎn)脫焊

4.1 方案制定背景

（1）返廠故障件在波形檢測(cè)中存在隨著轉(zhuǎn)速升高，速度傳感器相位差、占空比會(huì)逐漸增大。

（2）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，增大故障件速度傳感器的安裝間隙，速度傳感器相位差、占空比會(huì)逐漸增大。

（3）通過(guò)一起同類故障檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，減小輸出信號(hào)負(fù)載電阻時(shí)易出現(xiàn)波形丟失現(xiàn)象。

4.2 方案制定

根據(jù)速度傳感器在檢測(cè)中存在的異常特點(diǎn)，制定了不同轉(zhuǎn)速、不同間隙、不同負(fù)載電阻的驗(yàn)證方案。

選取對(duì)象：選取近期發(fā)生的一起故障件對(duì)故障件。

轉(zhuǎn) 速 要 求 ：1500r/min、4140r/min、6120r/min、8000r/min、10000r/min；

間隙要求：0.7mm、1.0mm、1.3mm；

負(fù)載電阻：1kΩ、500Ω。

4.3 測(cè)試結(jié)果

按上述要求進(jìn)行波形檢測(cè)，檢測(cè)件為近期發(fā)生的一起在線故障件，最終實(shí)現(xiàn)了故障件故障再現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

4.4 方案確定

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果最終制定如下測(cè)試方案：測(cè)試間隙1.3mm；測(cè)試轉(zhuǎn)速：10000r/min 負(fù)載電阻：500Ω；測(cè)試時(shí)間：1min；測(cè)試要求：不允許存在波形丟失。

表1 故障件檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2 故障件檢測(cè)圖片

5 實(shí)施效果

5.1 社會(huì)效益

2019 年實(shí)施篩選方案后，在線故障降幅明顯，取得巨大社會(huì)效益。2019 年實(shí)施前后在線故障統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 實(shí)施前后故障對(duì)比

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

依據(jù)上述實(shí)施效果，可實(shí)現(xiàn)速度傳感器預(yù)防性更換代替高級(jí)修強(qiáng)制更換，實(shí)現(xiàn)速度傳感器壽命價(jià)值的最大利用；使用壽命的延長(zhǎng)可降低速度傳感器在電機(jī)壽命周期內(nèi)更換次數(shù)，大幅降低整個(gè)牽引電機(jī)的檢修成本。

5.3 實(shí)施進(jìn)展

自2019 年，共篩選速度傳感器5400 件，異常故障件100件，篩選比例為0.19%，篩選率處在合理水平。

6 推廣應(yīng)用

該篩選方案通過(guò)測(cè)試條件安裝間隙、轉(zhuǎn)速、負(fù)載電阻的改變，實(shí)現(xiàn)了該類速度傳感器焊點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題確定，解決了現(xiàn)有檢測(cè)手段無(wú)法定性、定位檢測(cè)的目的；該實(shí)施方案可用于相似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或領(lǐng)域的潛在焊接故障檢測(cè)，具有推廣及借鑒意義。