新型客车轴端接地装置弹簧压力试验台的研究

2010-06-20毛朝晖傅佩喜上海铁路局科学技术研究所

上海铁道增刊 2010年1期

毛朝晖傅佩喜陈娟上海铁路局科学技术研究所

25T等新型客车接地装置主要由4个碳刷柱、4个涡卷弹簧、1跟接地线、1个保护罩、1只端盖及相关防松件、紧固件等零件构成（如图1所示）。其工作原理是：由接地线将车体上的电流通过四个碳刷直接传递至车轴，再通过车轮与钢轨形成接地回路。

图1 客车轴端接地装置

接地装置是25T等新型客车接地系统重要组成部分之一，它的主要作用是防止电流通过客车轴承产生电蚀而危及行车安全。故它的技术状态直接关系到列车用电系统的接地可靠性和运行的安全性。碳刷与车轴端面的接触状态，是该接地系统是否良好的关键，而4个涡卷弹簧的弹簧压力，又是碳刷正常工作的基本保证。对该弹簧的技术要求，铁道部已有明确规定，如何检测就成为生产现场必须解决的问题。为此，我们在路局立项进行了专题研究。

1 技术要求

根据铁道部《客车轴端接地装置检修规程》的规定，接地装置的主要技术要求如下：

（1）旧接地装置弹簧压缩25mm时，每个碳刷的压强不小于50kPa;

（2）旧接地装置更换新弹簧时，碳刷的压强不小于65kPa，且4个碳刷的压强与平均值的偏差不超过10%;

（3）新接地装置弹簧压缩25mm时，碳刷的压强不小于65kPa，且4个碳刷的压强与平均值的偏差不超过10%;

（4）新接地装置的4个碳刷高度差不得大于1.5mm;

（5）旧接地装置的4个碳刷高度差不得大于3.0mm。

2 系统简介

2.1 机械结构

该系统的机械结构主要由二柱丝杠机构、转盘座组成。转盘座用以安装接地装置，可以90/360度旋转。二柱丝杠机构带动压力测力计及位移传感器上下移动。

2.2 系统工作原理

计算机控制驱动垂直方向的步进电机1带动测力计向下移动，当测力计与接地装置的一个碳刷接触时，控制计算机获取此时的位移传感器数值L1。步进电机1继续带动测力计继续向下运动25mm，获取测力计的值P1。步进电机1带动测力计向上运动至测力计与碳刷有一段距离，步进电机2带动接地装置旋转90度。继续下一个碳刷的检测，直至4个碳刷完全检测完毕（系统工作原理详见图2）。

图2 系统工作原理示意图

2.3 控制系统组成

系统由位移传感器数据采集系统、测力计数据采集系统、开关量采集系统、步进电机驱动控制系统、控制计算机组成。

2.3.1 位移传感器数据采集系统

（1）位移传感器天沐NS-WY03用以测量的量程为300mm，精度为0.2%FS,电流为4~20(mA)，由于位移传感器输出的信号是电流信号，因此在送入A/D数据采集卡转换前，需将此信号转换成电压信号。

（2）A/D数据采集卡Advantech PCI-1713板卡，该PCI总线式板卡可直接与工控机联机，同时能与工控机很好地兼容。PCI-1713是12位分辨率、32路模拟量输入、100K采样频率的数据采集和模数转换集成板卡。

PCI-1713提供单端输入和差分输入两种方式。

单端输入时，输入信号均以共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高(高于1V)，信号源到模拟输入硬件的导线较短(低于15feet)，且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。对于差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线。由于共模噪声可以被导线所消除，所以差分输入可以减小噪声误差。

单端输入时,是判断信号与 GND的电压差；差分输入时,是判断两个信号线的电压差。对于差分输入，当信号受干扰时,差分的两线会同时受影响,但电压差变化不大，因此差分输入方式的抗干扰性能较佳。而单端输入的一线变化时，由于GND不变,所以电压差变化较大，因此单端输入的抗干扰性能较差。

差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：

(1)抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

(2)能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。

(3)时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。

本系统中我们采用差分输入方式，其原理如图3所示。

传感器的电流输出范围为4-20mA，经计算5V/20mA,取R1=240Ω，R2=10Ω。为提高转换精确度和降低噪声影响，数据采集卡PCI-1713采用差分的方式采集数据，即采用（V0-V1）的差分算法，这样可以很好的消除共模电压Vcm的影响。

由于传感器信号较弱，容易引入交流干扰，所以在输出端同地之间并联100uF/50V到470uF/50V电容C1，来提高信号的抗干扰能力。

图3 差分信号采集电路图

设位移传感器的长度值为length,其对应的A/D转换后的数字量为AvgBinaryArrayRec。

当length为0mm时，传感器的输出电流4mA，AvgBinaryArrayRec为 4×240×4096/5000;

当length为300mm时，传感器的输出电流20mA，Avg－BinaryArrayRec为20×240×4096/5000。根据线性关系有：Length=(AvgBinaryArrayRec-4×240×4096/5000)×300/(20×240×4096/5000-4×240×4096/5000)

2.3.2 开关量采集系统

系统设计两个开关量，一个是测力计与碳刷柱接触时，向主机发出信号；另一个是接地装置旋转90度时向主机发出信号。

我们使用了一块PCI-1751，用以获取两个开关量的值以及为步进电机驱动器提供脉冲、方向、脱机信号。

PCI-1751是一块基于PCI总线的48位数字量I/O卡，还提供一个计数器和2个16位的定时器。该采集系统的原理如图4所示：

图4 开关量采集系统电原理图

当测力计与碳刷柱离开时，k1打开，光电耦合TLP521-4A的1通道断开，PCI-1751的1号脚为高电平，工控机用PCI的驱动程序获取该状态；

当测力计与碳刷柱离开时，k1闭合，光电耦合TLP521-4A的1通道打开，PCI-1751的1号脚为低电平电平，工控机用PCI的驱动程序获取该状态；当接地装置旋转小于90°时，k2打开，光电耦合TLP521-4A的2通道断开，PCI-1751的2号脚为高电平，工控机用PCI的驱动程序获取该状态；

当接地装置旋转90°时，k2闭合，光电耦合TLP521-4A的2通道打开，PCI-1751的2号脚为低电平电平，工控机用PCI的驱动程序获取该状态；

2.3.3 步进电机驱动控制系统

步进电机驱动器SH-30806。我们采用森创三相混合式步进电机细分驱动器SH-30806,供电电源为24V-70VDC,容量0.2kVA;正弦波细分恒流驱动；最大输出电流6A/相；最大3000步/转的十六种细分模式可选；输入信号光电隔离。

驱动器的输入信号：驱动器端口内置光耦，光耦导通一次被驱动器解释为一个有效脉冲。对于共阳极而言，低电平有效（共阴极为高电平有效），此时驱动器将按照相应的时序驱动电机运行一步。单脉冲模式时此信号端作为脉冲输入信号，双脉冲模式时此信号作为正转脉冲输入信号。为了确保脉冲信号的可靠相应，光耦每次导通的持续时间不应少于10μs。本信号的相应频率200kHz,过高的频率可能得不到正确的相应。本系统采用单脉冲模式。

方向信号输入：单脉冲模式下该信号作为控制电机的转向信号，该端内部光耦的通、断被解释为控制电机运行的两个方向。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少10μs建立，从而避免驱动器对脉冲的错误响应。双脉冲模式下，该信号作为反转的脉冲输入信号，光耦导通一次被驱动器解释为一个有效脉冲。为了确保脉冲信号的可靠相应，光耦每次导通的持续时间不应少于10μs

脱机信号输入：内部光耦处于导通状态时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。光耦关断后电机电流恢复到脱机前的大小方向。当不需用此功能时，脱机信号端可悬空。

该电路的电机控制原理如图5所示：

图5 电机控制原理图

控制计算机控制PCI-1751的28脚发出脉冲信号，经过TLP627光耦产生24V的脉冲信号，为电机驱动器提供脉冲信号。

控制计算机控制PCI-1751的10脚的高低电平，通过TLP627光耦给电机驱动器提供方向信号，从而控制步进电机1的正向和方向运转。

控制计算机控制PCI-1751的11脚的高低电平，通过TLP627光耦给电机驱动器提供脱机信号，从而控制步进电机1的运转和停止（步进电机2的控制信号原理同步进电机1）。

2.3.4 测力计数据采集系统

测力计选用海宝HF-50，精度达到3‰F.S。用RS232串口与工控机连接。HF-50可以实时向工控机发送数据。工控机使用MSComm控件接收数据。Microsoft Communications Control（简称MSComm）是Microsoft公司提供的简化windows下串行通信编程的ActiveX控件。MScomm控件通过串行口传输和接收数据。MScomm控件提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动方法，一种查询法。

（1）事件驱动方式：事件驱动方式是处理串行口交互作用的一种非常有效方法。在许多情况下，在事件发生时需要得到通知，例如，在串口接收缓冲区中有字符，或者Carrier Detect（CD）或Request To Send(RTS)线上一个字符到达或一个变化发生时。OnComm事件还可以检查和处理通信错误。在编程过程中，就可以在OnComm事件处理函数中加入自己的处理代码。这种方法的有点是程序相应及时，可靠性高。

（2）查询方式：查询方式的实质还是事件驱动，但在有些情况下，这种方式显得更为便捷。在程序的每个关键功能之后，可以通过检查CommEvent属性的值来查询事件和错误。如果应用程序较小，并且是自保持的，那么这种方法可能是更可取的。例如，如果写一个简单的电话拨号程序，则没有必要对每接收一个字符都产生事件，因为唯一等待接收的字符是调制解调器的“确定”相应。本系统中我们采用事件驱动方式。