车辆国产化轴端速度传感器的研发与应用

张陆军，梁双庆，周友佳

（1. 北京地铁运营有限公司，北京 102208；2. 宁波永贵佳明测控技术有限公司，浙江宁波 315040）



车辆国产化轴端速度传感器的研发与应用

张陆军1，梁双庆1，周友佳2

（1. 北京地铁运营有限公司，北京 102208；2. 宁波永贵佳明测控技术有限公司，浙江宁波 315040）

摘 要：结合北京地铁机场线车辆进口轴端速度传感器应用中出现的问题以及相应开展的国产化产品研制工作，介绍了轴端速度传感器主要原理和结构，国产化轴端速度传感器在研发与应用中的主要关键技术，以及国产化轴端速度传感器的第三方检测验证和运营考核试验情况，证明国产轴端速度传感器完全可以替代国外产品。

关键词：地铁车辆；速度传感器；国产化；关键技术

0　前言

北京地铁机场线连接着北京市区与北京首都国际机场，全长28.1km，车辆所用 QKZ5 轴端速度传感器的关键技术被国外垄断却不开放，产品采购时间长，维修成本高、周期长，使车辆维修处于被动地位且严重制约了我国地铁建设和地铁装备产业发展。由于该传感器直接安装在轮对轴端，运用工况恶劣，承受严重的振动冲击应力，进口产品故障频发，存在占空比变化、相位差变化、缺相等失效现象。基于以上原因，我们开展了国产化轴端速度传感器的研制工作，并且实现了国产轴端速度传感器与既有车辆上的轴端速度传感器完全互换；同时该国产化产品机械性能、电气性能均能满足实际应用要求。

1　轴端速度传感器主要原理和结构

1.1主要原理

轴端速度传感器是一个专门为满足轨道交通车辆运行需要所设计的装置，它基于光电效应机理，为列车的牵引、制动、监测等系统的速度记录提供稳定可靠的信号。

轴端速度传感器工作原理如图1所示：发射二极管发出的连续光束被编码盘遮断，接收晶体管探测到脉冲光束，并产生一个与编码盘转速相应比例的频率，频率经过信号处理后传输给相应控制系统。

图1　速度传感器工作原理

对于简单的应用，1 路输出信号和编码盘上 1 圈码道足以满足要求。对于较复杂和安全要求更为严格的应用来说，需要多路输出信号或在编码盘上有 2 圈码道。例如：通过有相位差的 2 路输出信号可以确定行进方向。

1.2主要结构与组成部分

轴端速度传感器主要由外壳、后盖、轴系部件、光栅片、光电模块、线夹、电缆线总成及止动壁等组成（图 2）。

图2　速度传感器主要结构

每个光电模块可以单独供电，也就是说，不同的系统可以使用同一速度传感器中的几个光电模块而互不影响。可以从传感器信号中获得转速、转向、行驶距离、速度和加速度等数据。典型的应用是速度的检测、显示和记录。此外，也可用于防滑保护、列车运行自动控制（ATC）系统、安全系统等其他系统。

2　国产速度传感器关键技术的研发

根据北京地铁机场线车辆进口速度传感器使用状况和早期主要故障现象，在研究进口产品的基础上，对产品进行各种优化设计和改进，提高产品抗振动冲击性能和工作稳定性。设计中采用了以下关键技术。

2.1光电模块技术

2.1.1进口速度传感器光电模块原理

进口速度传感器光电模块采用 LED 作为发光源，使用遮板开缝方式产生缝光源，光通过遮板缝隙照到光栅盘上，光栅盘转动时，单个接收晶体管接收脉冲式光束，产生的电信号经适当的运算放大器处理，得到所需脉冲信号（图 3）。

通道信号间相位差产生原理：通过沿光栅盘圆周方向安装光电模块，调节光电模块之间的夹角 A 完成所需相位差的调节（图 4）。

图3　进口速度传感器模块工作原理

图4　进口速度传感器相位差产生原理

2.1.2国产速度传感器光电模块工作原理

国产速度传感器采用 LED 作为发光源，通过凸镜转化成稳定的面光源照到光栅盘上，采用多个光电二极管将所接收的脉冲光束转换为电信号，采用差分信号处理技术，极大地提高了传感器脉冲信号输出的稳定性（图 5）。

通道信号间相位差产生原理：采用 2 组多个光电二极管形成 2 路输出信号，其相位差通过芯片位置布局确定，输出相位稳定、准确。

2.2独特的多窗口测量和信号差分处理技术

进口速度传感器光电模块采用单窗口测量和单阈值比较信号处理技术，输出信号易受光源强弱、轴系部件径向跳动、电磁干扰等外部因素影响而变得不稳定。国产速度传感器光电模块采用多窗口测量方式，就是将测量窗口虚拟地划分为多个小窗口，利用多个光电二极管接收脉冲光束，以此来改善对信号特别是弱目标信号的检测性能。

图5　国产速度传感器模块工作原理

进口速度传感器信号传输采用的是传统的 1 根信号线 1 根地线的方式；而国产速度传感器输出信号采用的是信号差分的方式，如图 6 所示。信号差分处理方式就是 2 根线都传输信号，这 2 个信号振幅相等，相位相反。这种方式抗干扰能力强，能有效抑制电磁干扰。

图6　差分信号原理图

因此，国产速度传感器光电模块采用多窗口测量方式和信号差分处理方式来进行信号处理，能有效地提高传感器脉冲信号输出的稳定性和电磁兼容性能，彻底杜绝了进口产品受光源强弱、轴系部件径向跳动影响产品稳定性等设计缺陷。

2.3信号间的相位差免调试设计

进口轴端速度传感器所设计的模块只能输出1路信号，2 路信号间相位差依靠通过调整 2 个光电模块的机械位置来调节，相位差精度不能保证，人工调整相位差劳动强度大、效率低，并且在列车应用工况下，光电模块机械位置肯定会随时间发生改变，导致相位差超差，从而引起传感器失效。

国产轴端速度传感器实现了单个模块 2 路输出，2 路信号间的相位差仅取决于模块相对于旋转轴中心线的安装半径，该尺寸通过结构设计和零件加工得到保证，并且通过光电模块底部的 2 个小圆形凸台与外壳内部相应的定位孔配合来实现，因此，信号间的相位差不用调试，方便产品后续维护。

2.4坚固的耐振抗冲击设计

光电模块是传感器产品的重要组成部分，在使用过程中，常常受到列车加速、减速等因素的振动、冲击作用。如果产品自身抗振动冲击能力差，在使用过程中就会产生故障而影响列车性能。模块发生故障主要有 2 种情况：一种是在某个频率点发生共振，使其振动幅度越来越大，直至超过模块的极限加速度而破坏；另一种是振动冲击没超过其极限，但长期振动使模块疲劳损坏。为保证产品可靠性，必须进行防振动冲击设计。

IEC61373-2010《铁路应用 铁道车辆设备冲击和振动试验标准》中对轴用产品有明确的冲击、振动要求。而在实际使用过程中，进口轴端速度传感器有元器件焊点和模块外壳开裂失效的现象。针对这类现象，国产化产品做了以下改进。

2.4.1光电模块自身加固设计

光电模块采用独特灌封工艺，使模块外壳和印刷电路板（PCB）形成一个整体，有效提高其抗弯、抗扭强度，从而减少元器件焊点和模块外壳开裂失效现象的频率。

2.4.2光电模块安装加固

图7　光电模块安装示意图

光电模块安装采用上下夹持的结构设计，如图 7 所示。隔振系统的设计常用于实现产品抗振动冲击性能的提高，因此，在后盖与模块间设计了橡胶材质上层夹持件，使模块能完全嵌入夹持件中，以提高其抗冲击性能；而模块下表面采用定位凸台结构，模块装配后，两定位凸台完全嵌入铝质外壳的定位孔中，即使传感器暴露在恶劣的振动冲击工况下，光电模块在外壳中的位置也不会发生改变，能有效地保证传感器信号的稳定性和可靠性。

2.5合理的布线设计

电缆芯线是信号传递的载体。芯线护套材质多为聚氯乙烯等，使用过程中，它极易因摩擦、过度弯折而损坏，从而影响产品功能及稳定性。外壳材质较硬，由于加工原因使得其粗糙度也较大，所以，光电模块引出芯线连接段在外壳内腔是很容易损坏的。国产传感器针对这个问题采取了以下 2 个措施。

（1）严格控制外壳内腔芯线长度。放置芯线的内腔环道宽度约 2cm，芯线实际长度不能超过其环道外径 5cm。这种方式可以有效地减小芯线与外壳的接触面积，以此控制芯线护套破损的机率。

（2）设计固定线夹。由于芯线和外壳间相对移动会产生摩擦，进而磨损芯线护套。因此设计线夹，使芯线固定在外壳内腔，可以有效地减小其相对移动，提高产品可靠性，延长产品寿命。

3　国产速度传感器的第三方验证

产品试制完成后，委托具有中国合格评定国家认可委员会（CNAS）实验室资质的检测机构进行第三方型式试验。第三方验证试验样品数量为 2 套。试验项目与试验方法见表 1。

表1　试验项目

通过第三方验证试验数据结果表明，国产速度传感器完全可以替代国外产品。

4　国产速度传感器实际运营试验考核

研制出适合北京地铁机场线车辆的国产化速度传感器 10 套样机，于 2013 年10月进行了装车试验考核（图8、图9），在确保其装车试验正常情况下，进行车辆载客运营考核试验，运营考核试验实现了以下目标。

（1）研制完成的 10 套机场线车辆轴端速度传感器，机械接口和电气接口与原装速度传感器完全一致。

（2）传感器装车试验运行 10 万 km后，实施开盖解体工作，并抽样检查 2 台轴端速度传感器，进行全面检测，各项指标均合格。

（3）国产化产品进行了装车运营试验考核，截止目前已运营 30 万 km，产品装车性能正常。

5　结束语

本项目的实施具有鲜明的经济和社会效益，突破了国外公司对我国形成的技术壁垒，可降低产品采购成本，缩短检修周期，减少维修成本。国产化将大大利于民族企业的扶植培养，并利于建设良好的市场竞争秩序，维护稳定的价格及市场结构。北京地铁一直以来注重实施地铁设备的国产化，国产化的车辆轴端速度传感器将继续应用于北京地铁线路并向国内其他地铁公司推广，具有广阔的应用前景。

图8　北京地铁机场线列车

图9　转速计

参考文献

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责任编辑 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

中图分类号：U260.4

作者简介：张陆军（1962—），男，高级工程师

收稿日期2015-11-09