机车轴端光电转速传感器故障分析

机车轴端光电转速传感器故障 2006年第4明 2D06年7月I(】日 机车电传础 ELEC11RICDRIVEFORLOC0MOTIVES 42006 Julyl02006 摘要:针对机车轴端光电转速俦感器故障现象.分析传感器故障产生的原因.提出 传感器改 进时应注意问和解决措施. 关键1司:饥车;光电转速传感器;机车速度监控装置:故障分析;改进 中图分类号:U2662文献标识码:A文章编号:1o0o.128X(200~ 卫作者简舟:声长杜(1963一), 男,工程师.从事轨道交通 车辆用建虐待虐嚣妁研究 与开发工作 FailureAnalysisonPhotoelectricRotating-speedSensor atAxleEndofLocomotive LUChang-gen,LIHang-feng,ZHOUYou-jia (NingboBmnch.ZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstitute.Ningbo,Zh@ang31502 1,China) Abstract:ThemBSOIL~forthesei3sorfailuresareanalyzedbasedoRthefailureOCCUITeB CeSofthephotoelectricrotating—speedsensorat axleendoflocomotive.Itisputforwardtheproblemsandsolutionsf0rtheimprovementofsen sordesign Keywords:locomotive;photoelectricrotating— speedSells,or;locomotivespeedmonitor;failureanalysis;improvement 0引言 机车轴端光电转速传感器(以下简称传感器)安 装在机车轴端,为机车电子柜特性控制,防空转,防滑 行等保护装置提供速度信号,同时也为机车速度监控 装置提供速度信号.或为轮缘加油器提供速度信号 由于使用环境恶劣,同时也受路况,车况的影响,因此 传感器在使用过程中.偶尔会发生一些质量问题. 本文对多年来传感器的故障现象进行归纳,着重 对传感器的故障原因进行系统分析,提出改进设计时 应该注意的问题和采取的措施. 1传感器的故障现象 机车上的传感器很多,传感器故蹲给机车造成的 危害也不相同,其中为监控装置,防空转装置提供速 度信号的传感器出现故障时给机车造成的危害较大. 对防空转装置而青传感器出现丢(或无)脉冲故障, 会引起机车假空转.因为机车测量到的咏冲数要少于 实际产生的脉冲数,系统控制扳指示灯闪烁.系统判 断机车空转.引起撒砂,电流严重波动,减载牵引速 收稿日职:2006一O4—24 度上不来等现象.此时须手动切除防空转装置.否则 会引起机破. 经过连续几年对返回故障件的跟踪测试分析,结合 对有关机努段走访时了解到的传感器使用情况,与售后 服务人员交流认为,传感器故障存在题如表1所示j 表1恃雅器故障现象与原因分析 故障现象原目仆析 输出信号脉冲数占空比超差 磷少(掉脉冲j 输出信号断续接触不良 传感器正常 轴承损坏 无精出信号电墁缓断 联轴器断裂 光栅片光缝堵塞 护窑皑管断裂.f起兜睦堵塞 电缆线断.机车运行时电缆线 时断时连 连接器接触不良 高电平值未选到客户特殊要求 轴承本身}II『脂不洁 颡紧力大.运转时加剐磨损; 安装不当.造成轴承损伤, 搦伤点磨损严重 所加润滑油脂不洁 内罔霹固蜷母加r1艺不合理 电缆线芯线完仝断裂 热处理[艺不当 十亨轴根部过渡嘲角小.易应 力集中 研究开发 机车电传动 2原因分析 2.1输出信号脉冲数减少 传感器占空比超差,最主要的原因是粉尘等固体 污染物部分堵塞光电模块的光缝或油污堵塞光缝,引 起数码盒信号转换时脉冲丢失,此现象信号波形如图 1所示. 图1间隔光缝堵塞和半边光缝堵塞波形 光栅片光缝堵塞的原因:一是油污堵塞光缝;二 是胶管破裂(断)引起密封失效,外来的污染物,铝表 面脱落的氧化物堵塞光缝. ?光栅片光缝堵塞 光栅片光缝局部堵塞,引起传感器输出信号脉冲 数减少,见图l. 堵塞光缝的油污来源是: a.定位,安装及固定光栅片零件时,表面处理均为 黑色,发黑的零件均浸油防锈,安装时表面处理不干 净的话,残余的油受离心力的作用慢慢移向光栅的光 缝处,从而堵塞光缝. b.如果机车车况不好,润滑油会渗到轴端方孔套 处,润滑油沿着传感器方轴经过大密封圈和小密封圈, 慢慢渗透到光栅片的光缝处,堵塞光缝. ?电缆护套胶管断裂 风吹日晒雨淋,天寒地冻,高温高湿等环境因素, 加速护套胶管老化;机车启动,运行,制动时产生的振 动冲击,使得护套胶管断裂.雨水与粉尘等杂物会在 断裂处进入传感器内部堵塞光栅片和模块上的光缝. 2.2输出信号断续 1)接触不良 测试接触不良的故障件,可以从示波器上看到, 输出信号的脉冲波形时有时无,或全无,对这类故障 件解剖分析发现:一是线断,芯线整齐断裂,芯线绝缘 完好,但环境振动引起芯线时断时连;另一是连接器 接触不良,故障件解剖分析发现,内部连接良好,更换 连接器后故障现象消失. 2)传感器正常但高电平门槛值较高 根据铁标((Tsrr2760.1996机车轴端光电转速传感 器》'在电源为15(1-4-15%)v时,3kQ负载的情况下输 出脉冲高电平值大于9V,低电平值小于2V;在地面速 度传感器试验台检测,传感器完全符合铁标要求,传 感器性能正常. 但有些用户反映,传感器在使用过程中会出现输 出信号断续现象.经过仔细分析发现,有些用户对脉 冲高电平有更高的要求,设定的门槛值较高.由于工 作电源的波动,传感器输出高电平值低于用户设定的 门槛值,引起输出信号脉冲数过少,有时甚至检测不 到输出信号. 3)轴承损坏 轴承损坏,引起传感器转轴晃动,导致传感器的 转轴旋转时光栅片的光缝偏离正常工作位置,信号波 形占空比变化大,或信号断断续续. ?轴承本身油脂不洁 轴承生产厂家需对轴承进行防锈处理,而防锈油 缸中的防锈油多年不换,防锈油中的杂质会污染轴承. 因此,轴承组装前应进行清洗.如不清洗,轴承本身带 来的不洁油脂,会加速轴承磨损. ?轴向预紧力过大 紧固内圈的紧固螺母使轴承间产生预紧力,力的 传递过程:内圈紧固螺母锁紧力一轴承A内圈一钢珠 一轴承A外圈一碟形弹簧A一弹簧挡块一碟形弹簧B 一钢珠一轴承B内圈(见图2).当轴承A内圈碰到内圈 垫套时,无论施加多大的力,都不能推动轴承内圈,此 图2内圈紧固螺母示意图 1——内圈紧固螺母;2——轴承A;3——碟形弹簧A; 4——弹簧挡块;5——碟形弹簧B;6——内圈垫套;7—— 轴承B 时预紧力最大.然而,对于轴承安 装工艺欠合理,安装中存在预紧过 后再回松现象,对轴承已造成损伤, 传感器工作时,在损伤点附近加速 磨损,见图3.内圈垫套尺寸控制不 严,超出设计范围,会导致内圈紧 固螺母锁紧时,轴向预紧力超标. 轴承的滚道上因塑性变形而留下 凹坑,引起轴承早期失效,见图3. 图3内圈钢珠压 痕及磨损失效图 第4期卢长根,厉航锋,周友佳:机车轴端光电转速传感器故障分析 ?润滑油脂不洁 组装时,须对轴承加润滑油脂,如所加润滑油脂 不洁,轴承高速运动时极易造成磨损. ?内圈紧固螺母加工工艺不合理 , 内圈紧固螺母加工工艺线路安排不合理.会造成 内圈紧固螺母垂直度不好,锁紧时会引起轴承单边受 力磨损. 2.3无输出信号 1)电缆线断 这种断线现象是完全断开,使得传感器无输出信 号.. 2)联轴器断裂 因路况较差,弯道多及轴端方孔套磨损等原因 联轴器转动时受力不连续,不稳定,而且间断性冲击, 使得联轴器十字轴根部疲劳断裂,引起传感器损坏. 另外,加工工艺不合理,十字轴根部过渡圆角小 等,致使十字轴(见图4)根部应力集中,易疲劳损坏. 十字轴等零件热处理不当,使得十字轴强度降低, 遇到较强外力,易被扭断损坏. ?图4转轴局部断裂图 l——凄圈;2——.单叉轴;3——垫片;4——铜套;5—— 圆板;6——十字轴;7——双叉 3设计改进 3.1电路设计改进 1)电路流程框图 分析光电模块电路,发现原电路上没有防护措施, 设计简单,无稳压电路环节,输出采用电阻分压,带负 载能力相对较低.针对原传感器只适用于工作电源为 DC15V的场合,增加了电源稳压模块,使传感器适用 于DC1230V的工作场合;采用高速运放,提高带负载 能力;提高输出信号的高电平幅值;使用抗干扰器件, 优化电路结构,解决产品的电磁兼容性问题,提高传感 器的抗干扰能力.电路流程框图见图5. DCI2—30V输入 图5电路流程框图 2)光电模块探头改进 光电模块组装前,首先要测试光电模块探头占空 比,选用符合设计要求的探头进行组装.原先的探头 合格率比较低,改进设计后,更换了光电模块探头的 电子元件,探头的合格率得到提高. 3)电路功能试验 电路经过设计改进后,性能得到提升.对比试验 表明: ?传感器工作电源电压范围拓宽.由15(1?15%) V提升到12—30V,见图6;在3kn负载情况下,输出信 号高电平值随输入电压提高而提高,可以满足客户在 3kn负载情况下不同电源电压对输出信号高电平值的 要求. 之 趟 脚 幂l; c= ? ? ?: . 24262830 图63ki]负载下电压变化时的输出特性曲线 ?传感器带负载能力得到提高.见图7负载特性曲 线,当负载在0.6kn情况下,输出信号高电平值就可以 满足铁标要求,提高了传感器带负荷能力,当负载大 于1kn后,输出信号高电平值就很稳定. 之 掌 聪 脚 \ I \ ,l\ I| f 1 I l 54321.71.41.1o.9n603nl 负载大小/ki] 图7负载特性曲线 注:曲线由上而下分别代表电源为DC30V,DC24V, DC15V和DC12V ":2n9,0 机车电传动 ?传感器抗干扰能力得到很大提高,见表2. 表2功能对比试验结果 原电路改进后电路 3.2结构设计改进 1)传感器密封环节改进 从上面的故障现象和原因分析可以看出,因密封 原因使传感器失效的比率很高,因此,解决密封问题 是提高传感器质量的关键. 图8传感器密封环节图 l——小密封圈;2——大密封圈;3——转轴;4——器座; 5——O型圈;6——护套胶管 传感器有4处密封,转轴采用大,小密封圈的动密 封2处;外罩与器座处采用0型圈的静密封1处;电缆 护套胶管密封1处,见图8.设计时应注意大,小密封圈 的安装方式,设计合理的沟槽尺寸,并选用优质密封 圈,以延长密封圈的使用寿命;按设计要求定制大密 封圈及抗拉强度高,耐环境污染,性能好的胶管. 2)零件加工工艺调整 固定光栅片零件的表面处理方法,由原来的表面 发黑调整为化学电镀,减少因表面发黑带来的油污污 染因素. 内圈紧固螺母外径采用磨削工艺,减少小密封圈 磨损的可能性;同时调整加工工序,保证零件端面与 轴线的垂直度,减少轴承单边磨损. 增加十字轴根部的过渡圆角,并增加表面热处理, 提高零件强度. 对电缆厂家提出工艺要求,在芯线成形阶段,防 止硬件碰撞芯线. 3)设定合理的工艺参数 传感器组装时,需要在轴承上施加预紧力,预紧 力大小通过控制转轴的扭矩大小来实现.如图2,先在 轴承内圈施加轴向预紧力,再慢慢锁紧外圈紧固螺母 来调整预紧力,用扭矩测试仪检测扭矩,如扭矩值在 0.10,0.15N?m范围内,则判定轴向预紧力达到设计要 求. 4结语 传感器设计改进以后,大量试验证明,改进后的 传感器性能大为改观,现已批量装车,无不良反应. 参考文献: [1]李陆新.机车轴端光电式转速传感器的改进设计[J].机车 电传动,2003(1). [2]赵叔东.韶山8型电力机车[M].北京:中国铁道出版社, l998. (上接第22页)虑了司机室内部色彩的协调性,采 用无毒,使用安全玻璃材料等. 4结束语 应用工效学的原理对机车司机室进行化设 计,充分考虑了人的生理和心理特性,提高了司机室 设备布置和设计的科学性和合理性,为司乘人员创造 了一个舒适,安全,可靠的工作环境,有效地减轻了 司机的生理和心理负荷,降低了误操作率,大大提高 了人一机系统的工作效率.司机室规范化设计后的机 车,经过近4年的运行验证,得到了各路局和司乘人 员的广泛好评,为铁路的跨越式发展作出了积极的贡 献. 参考文献: [1]GBl0000—88,中国成年人人体尺寸[sl [2]TB/T296l—l999,机车司机室座椅[sl [3]UIC65l一94,机车,有轨电车,动车组,驱动拖车的司机室[sl [4]GB/T3450—94,铁路机车司机室噪声允许值[sl [5]黄英.人机工程学在工程机械司机室布置与设计中的应 用[Jl机械设计与制造,2000(6). [6]陈国芳我国机车司机室的规范化[J].电力机车与城轨车 辆,2003(3l [7]GB/T6769—2000,机车司机室布置规则[sl [8]TB/T2868—1998,机车,动车司机室布置规则[sl [9]朱序璋.人机工程学[M].西安:西安电子科技大学出版 社.2001. [10]中华人民共和国铁道部运输局.机车,动车组司机室设计 规范(暂行)[zl北京:中华人民共和国铁道部机务局.2002.