張陸軍，梁雙慶，周友佳

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

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車輛國產(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)營有限公司，北京 102208；2. 寧波永貴佳明測控技術(shù)有限公司，浙江寧波 315040）

摘 要：結(jié)合北京地鐵機(jī)場線車輛進(jìn)口軸端速度傳感器應(yīng)用中出現(xiàn)的問題以及相應(yīng)開展的國產(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)，以及國產(chǎn)化軸端速度傳感器的第三方檢測驗(yàn)證和運(yùn)營考核試驗(yàn)情況，證明國產(chǎn)軸端速度傳感器完全可以替代國外產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；速度傳感器；國產(chǎn)化；關(guān)鍵技術(shù)

0　前言

北京地鐵機(jī)場線連接著北京市區(qū)與北京首都國際機(jī)場，全長28.1km，車輛所用 QKZ5 軸端速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)被國外壟斷卻不開放，產(chǎn)品采購時間長，維修成本高、周期長，使車輛維修處于被動地位且嚴(yán)重制約了我國地鐵建設(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軸端，運(yùn)用工況惡劣，承受嚴(yán)重的振動沖擊應(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?；谝陨显颍覀冮_展了國產(chǎn)化軸端速度傳感器的研制工作，并且實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)軸端速度傳感器與既有車輛上的軸端速度傳感器完全互換；同時該國產(chǎn)化產(chǎn)品機(jī)械性能、電氣性能均能滿足實(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專門為滿足軌道交通車輛運(yùn)行需要所設(shè)計(jì)的裝置，它基于光電效應(yīng)機(jī)理，為列車的牽引、制動、監(jiān)測等系統(tǒng)的速度記錄提供穩(wěn)定可靠的信號。

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)光束被編碼盤遮斷，接收晶體管探測到脈沖光束，并產(chǎn)生一個與編碼盤轉(zhuǎn)速相應(yīng)比例的頻率，頻率經(jīng)過信號處理后傳輸給相應(yīng)控制系統(tǒng)。

圖1　速度傳感器工作原理

對于簡單的應(yīng)用，1 路輸出信號和編碼盤上 1 圈碼道足以滿足要求。對于較復(fù)雜和安全要求更為嚴(yán)格的應(yīng)用來說，需要多路輸出信號或在編碼盤上有 2 圈碼道。例如：通過有相位差的 2 路輸出信號可以確定行進(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、線夾、電纜線總成及止動壁等組成（圖 2）。

圖2　速度傳感器主要結(jié)構(gòu)

每個光電模塊可以單獨(dú)供電，也就是說，不同的系統(tǒng)可以使用同一速度傳感器中的幾個光電模塊而互不影響?？梢詮膫鞲衅餍盘栔蝎@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、顯示和記錄。此外，也可用于防滑保護(hù)、列車運(yùn)行自動控制（ATC）系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等其他系統(tǒng)。

2　國產(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)場線車輛進(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，使用遮板開縫方式產(chǎn)生縫光源，光通過遮板縫隙照到光柵盤上，光柵盤轉(zhuǎn)動時，單個接收晶體管接收脈沖式光束，產(chǎn)生的電信號經(jīng)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算放大器處理，得到所需脈沖信號（圖 3）。

通道信號間相位差產(chǎn)生原理：通過沿光柵盤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國產(chǎn)速度傳感器光電模塊工作原理

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

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

2.2獨(dú)特的多窗口測量和信號差分處理技術(shù)

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

圖5　國產(chǎn)速度傳感器模塊工作原理

進(jìn)口速度傳感器信號傳輸采用的是傳統(tǒng)的 1 根信號線 1 根地線的方式；而國產(chǎn)速度傳感器輸出信號采用的是信號差分的方式，如圖 6 所示。信號差分處理方式就是 2 根線都傳輸信號，這 2 個信號振幅相等，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　差分信號原理圖

因此，國產(chǎn)速度傳感器光電模塊采用多窗口測量方式和信號差分處理方式來進(jìn)行信號處理，能有效地提高傳感器脈沖信號輸出的穩(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、軸系部件徑向跳動影響產(chǎn)品穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)缺陷。

2.3信號間的相位差免調(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，2 路信號間相位差依靠通過調(diào)整 2 個光電模塊的機(jī)械位置來調(diào)節(jié)，相位差精度不能保證，人工調(diào)整相位差勞動強(qiáng)度大、效率低，并且在列車應(yīng)用工況下，光電模塊機(jī)械位置肯定會隨時間發(fā)生改變，導(dǎo)致相位差超差，從而引起傳感器失效。

國產(chǎn)軸端速度傳感器實(shí)現(xiàn)了單個模塊 2 路輸出，2 路信號間的相位差僅取決于模塊相對于旋轉(zhuǎn)軸中心線的安裝半徑，該尺寸通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件加工得到保證，并且通過光電模塊底部的 2 個小圓形凸臺與外殼內(nèi)部相應(yīng)的定位孔配合來實(shí)現(xiàn)，因此，信號間的相位差不用調(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，在使用過程中，常常受到列車加速、減速等因素的振動、沖擊作用。如果產(chǎn)品自身抗振動沖擊能力差，在使用過程中就會產(chǎn)生故障而影響列車性能。模塊發(fā)生故障主要有 2 種情況：一種是在某個頻率點(diǎn)發(fā)生共振，使其振動幅度越來越大，直至超過模塊的極限加速度而破壞；另一種是振動沖擊沒超過其極限，但長期振動使模塊疲勞損壞。為保證產(chǎn)品可靠性，必須進(jìn)行防振動沖擊設(shè)計(jì)。

IEC61373-2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中對軸用產(chǎn)品有明確的沖擊、振動要求。而在實(shí)際使用過程中，進(jìn)口軸端速度傳感器有元器件焊點(diǎn)和模塊外殼開裂失效的現(xiàn)象。針對這類現(xiàn)象，國產(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結(jié)構(gòu)，模塊裝配后，兩定位凸臺完全嵌入鋁質(zhì)外殼的定位孔中，即使傳感器暴露在惡劣的振動沖擊工況下，光電模塊在外殼中的位置也不會發(fā)生改變，能有效地保證傳感器信號的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5合理的布線設(shè)計(jì)

電纜芯線是信號傳遞的載體。芯線護(hù)套材質(zhì)多為聚氯乙烯等，使用過程中，它極易因摩擦、過度彎折而損壞，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，光電模塊引出芯線連接段在外殼內(nèi)腔是很容易損壞的。國產(chǎn)傳感器針對這個問題采取了以下 2 個措施。

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

（2）設(shè)計(jì)固定線夾。由于芯線和外殼間相對移動會產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而磨損芯線護(hù)套。因此設(shè)計(jì)線夾，使芯線固定在外殼內(nèi)腔，可以有效地減小其相對移動，提高產(chǎn)品可靠性，延長產(chǎn)品壽命。

3　國產(chǎn)速度傳感器的第三方驗(yàn)證

產(chǎn)品試制完成后，委托具有中國合格評定國家認(rèn)可委員會（CNAS）實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)的檢測機(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)方法見表 1。

表1　試驗(yàn)項(xiàng)目

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

4　國產(chǎn)速度傳感器實(shí)際運(yùn)營試驗(yàn)考核

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

（1）研制完成的 10 套機(jī)場線車輛軸端速度傳感器，機(jī)械接口和電氣接口與原裝速度傳感器完全一致。

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

（3）國產(chǎn)化產(chǎn)品進(jìn)行了裝車運(yùn)營試驗(yàn)考核，截止目前已運(yùn)營 30 萬 km，產(chǎn)品裝車性能正常。

5　結(jié)束語

本項(xiàng)目的實(shí)施具有鮮明的經(jīng)濟(jì)和社會效益，突破了國外公司對我國形成的技術(shù)壁壘，可降低產(chǎn)品采購成本，縮短檢修周期，減少維修成本。國產(chǎn)化將大大利于民族企業(yè)的扶植培養(yǎng)，并利于建設(shè)良好的市場競爭秩序，維護(hù)穩(wěn)定的價格及市場結(jié)構(gòu)。北京地鐵一直以來注重實(shí)施地鐵設(shè)備的國產(chǎn)化，國產(chǎn)化的車輛軸端速度傳感器將繼續(xù)應(yīng)用于北京地鐵線路并向國內(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)場線列車

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

中圖分類號：U260.4

作者簡介：張陸軍（1962—），男，高級工程師

收稿日期2015-11-09