CR200J動車組動力車防滑速度傳感器故障分析及改進

王 正,黎 丹,劉 鋒,蔣廉華

（1.中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001; 2. 重載快捷大功率電力機車全國重點實驗室,湖南 株洲 412001）

0 概論

空氣制動防滑控制系統是運用于軌道交通裝備的一種先進的監測、控制系統。作為空氣制動防滑控制系統重要組成部分之一的防滑速度傳感器,其主要功能是作為防滑控制系統的監測前端為其提供可靠、穩定的電信號，用以分析判斷機車的運行狀態。在車輛運用過程中，復雜的天氣、受力及運動狀態是影響防滑速度傳感器精度或壽命的主要原因。防滑速度傳感器的可靠性對列車的行車安全非常重要[1]。

該文以防滑速度傳感器較為常見的故障為基礎，重點以CR200J動車組動力車頻發故障為例進行展開，基于FTA（故障樹分析）方法梳理并分析信號電纜相關故障的發生原因，最終提出對應優化措施并解決故障，對相關設計、安裝和選型運用均具有一定的指導意義。

1 防滑速度傳感器結構及工作原理

CR200J動車組動力車防滑速度傳感器部分由測速齒輪和速度傳感器組成，其結構如圖1所示。速度傳感器本身是一個速度脈沖信號發生器，這是一種非接觸式的傳感器，速度傳感器探頭端部與齒頂間的安裝間隙為（1.0±0.2）mm。速度傳感器探頭部采用永久式磁電傳感器，主要部件包括鐵芯、線圈組件（包括線圈、骨架及其他輔件）、磁鋼和殼體。傳感器內部的磁鋼通過鐵心聚磁和導磁，將磁鋼產生的永久磁場盡可能地聚集在工作氣隙內，為其提供工作磁場。測速齒輪是安裝于車軸端部的磁場感應部件，并與車輪同步轉動，齒頂齒谷交替通過傳感器，切割磁力線，會產生一個交變磁場，使傳感器輸出線圈上感應出頻率正比于運行速度的電脈沖信號。

圖1 速度傳感器部分組成

2 防滑速度傳感器的故障樹分析

2.1 故障樹分析方法

故障樹分析（FTA）是產品可靠性和安全性分析的主要分析方法之一。故障樹分析是假設底事件相互獨立，以一個不希望的系統故障事件（或災難性的系統危險）作為分析的目標和出發點，然后由上向下地嚴格按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導致頂事件發生的所有原因和原因組合。因此，該方法具有分析方法直觀、應用范圍廣泛和邏輯性強等特點，深入的分析可為優化系統設計、預防設備故障提供理論支持。

2.2 防滑速度傳感器典型故障樹

為了便于直觀分析故障原因，基于防滑速度傳感器結構和工作原理，結合故障案例，建立了防滑速度傳感器典型故障樹。其故障樹如圖2所示。

圖2 防滑速度傳感器故障樹

故障樹底事件序號如表1所示。造成防滑速度傳感器組成發生故障包括以下原因：

表1 防滑速度傳感器故障樹底事件

（1）除了氣候環境、運行條件等外界因素，電纜與連接器接頭處的壓接質量與連接器穩定性密切相關。如連接器插針變形、脫線和虛接等故障現象。而密封問題則容易導致連接器內進水或氧化，直接導致傳感器短路燒損。

（2）在車輛運用過程中，復雜的受力及運動情況是導致外防護層或內部電纜的損傷開裂的主要原因，嚴重影響著傳感器電纜疲勞壽命[2]。

（3）防滑速度傳感器探頭頂部與測速齒輪齒頂間的間隙一般為（1.0±0.2）mm，具體調整方法是增減墊片來調整間隙距離。如果安裝間隙過小，極可能導致齒頂部與傳感器前端產生擦碰，從而損壞傳感器或者測速齒輪；安裝間隙過大，則會造成電磁信號太弱或不穩定，導致脈沖信號丟失，影響防滑主機判斷，造成故障。

（4）接地碳刷與安裝在車軸端部的接觸盤存在相對摩擦，脫落形成所帶磁性的粉末物質極可能被探頭吸附影響信號采集。此外，由于裝配不良等原因造成齒輪松動或者不規則轉動，造成的傳感器探頭與齒輪間的擦碰，導致齒輪產生缺陷，會產生故障的脈沖信號。

3 故障分析

3.1 故障現象及分析

圖3是已經發生故障的防滑速度傳感器信號電纜，逐層剝離外護層、絕緣層，可見內部芯線發生斷裂，報故障主要原因在于探頭端信號電纜發生折損形成斷路，引起防滑主機報故障。

圖3 防滑速度傳感器損傷電纜

列車在線路上運行時轉向架與車體相對運動頻繁，在過彎時車體與轉向架會出現較大程度的相對位移，因此防滑速度傳感器電纜會長期承受拉伸、壓縮、扭轉等應力作用[3]。

通過簡化電纜運動軌跡，對其固定點附近電纜彎曲受力狀態進行分析，如圖4所示，在固定點附近電纜隨著兩端固定點間距離的變化所受到彎曲應力也不同，并且在端子壓接處由于結構特點對應力更加敏感易損。在理想情況下，車輛正常直線行駛時，對于定長合適的電纜其探頭側固定點附近可以近似保持拉壓應力平衡狀態；當車體固定點運動到最近點時，電纜處于壓縮狀態，受力情況較平衡狀態加劇，電纜內側和外側分別受到更大拉應力與壓應力作用；當車體固定點運動到最遠點時電纜處于拉伸狀態，電纜內側則受到壓應力，外側受到拉應力作用。

圖4 電纜彎曲應力分析

因此，防滑速度傳感器探頭端根部電纜斷裂的主要原因有以下幾點：

（1）速度傳感器引出布線不夠平順且未固定，電纜定長不夠合理等因素致使在車輛運行過程中電纜彎曲半徑的變化范圍過大或使電纜處于緊繃狀態，從而導致根部電纜承受更大的彎曲應力，增加斷裂風險。

（2）防滑速度傳感器探頭端部與信號電纜結合強度不足，絕緣層開裂傾向很大，卡箍式外護套對此處的保護作用非常有限。

（3）信號電纜選型時對線材柔韌度和使用環境之間的關系缺少考慮，較軟的電纜可以釋放一定的應力，而較硬的電纜在使用時可以抑制變形或彎曲半徑的變化。

3.2 優化建議及措施

防滑速度傳感器信號電纜損壞部位多集中在探頭安裝座根部附近這一范圍內，可以針對安裝結構及走線進行相應改進：

（1）在速度傳感器安裝螺釘處增加固定支架（圖5），將尼龍護管根部相對固定并合理導向至車體安裝固定點，使電纜運動點和集中受力點遠離較為脆弱的根部。

圖5 固定支架及安裝

（2）直接在防滑速度傳感器探頭端根部外加一段約20 cm金屬護管（圖6），增加抗扭強度。該金屬管內部為不銹鋼波紋管，外部為不銹鋼編織網，可彎曲定型為各種方向角度，便于引出電纜定型導向至車體固定點，避免根部因劇烈擺動所造成的根部損傷。

圖6 金屬硬管及安裝

（3）在轉向架構架上通過焊接的方式增加2個固定點（圖7），車體地板下方傳感器電纜布線路徑也相應調整，這樣可以使電纜的運動點和集中受力點轉移到探頭遠端的線夾處，杜絕根部應力集中的問題，改善根部的受力狀態。外部裸露電纜的減少，也有利于降低車輛在運行時電纜受到的風阻對根部產生的拉扯。

圖7 構架上增加固定點

前期采用方案1進行小批量裝車優化驗證，經過考核優化后的傳感器根部尼龍護管沒有受損痕跡，內部線纜根部的絕緣層無明顯損傷；對于加裝固定支架時絕緣層有局部斷裂的速度傳感器，在后續考核中斷裂處沒有明顯加劇，防滑速度傳感器運行正常。在整個考核階段內未發生支架斷裂或脫落問題。

后期對新造車輛采用方案3進行改造并優化了線纜路徑，杜絕其他可能存在的風險。該方案已通過了相對惡劣環境的考驗，未出現電纜異常開裂問題，提高了速度信號采集的穩定性。

工程實踐表明上述兩種優化方法優化效果明顯，且具有較強的通用性，其他車型設計可借鑒參考并開展應用。

4 結語

該文基于防滑速度傳感器結構及故障案例建立了防滑速度傳感器典型故障樹，針對傳感器根部電纜開裂這一高頻故障，從運動狀態等方面進行分析，并以此進行優化改進，從而降低故障率，延長電纜壽命，提高了空氣制動防滑控制系統可靠性。