动车组电子沙位显示装置故障分析及改进措施

2023-11-10马永靖郑魏婧张笑凡高靖添

铁道机车车辆 2023年5期

马永靖，郑魏婧，张笑凡，李松，王磊，马兵，高靖添

（中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062）

动车组一般都设置有撒沙系统，在出现滑行、空转工况时向轨道撒沙用于改善轮轨黏着状态。为确保撒沙系统正常工作，需在日常检修维护时检查沙箱中的沙位，沙子不足时需及时补充。为便于检修维护时查看沙箱中的沙位，实现智能沙位显示指导检修维护工作，某型动车组配置了电子沙位显示装置，用于实时检测和显示沙箱中的沙位。如显示沙位低于规定限度时，需打开沙箱盖加沙，平时检查沙位时无需再打开沙箱盖查看，大大简化了沙位检查的工作量。

电子沙位显示装置装车运用后，在冬季发生了多起电子沙位显示装置不能正确检测实际沙位的故障。文中结合电子沙位显示装置结构原理，系统分析了电子沙位显示装置故障的原因，并提出了有效的改进措施。

1 技术要求

1.1 技术参数

综合动车组运营工况，电子沙位显示装置应满足以下技术参数：

（1）适用环境温度：-40~+70 ℃。

（2）输入工作电压：DC 77 V~143 V。

（3）工作介质：压缩空气和沙子。

（4）压缩空气质量：符合ISO 8573-1-2010 中［3：3：3］级要求［1］。

（5）沙子：符合TB/T 3254-2019《机车车辆撒沙装置》中附录A.2，成份为石英沙［2］。

（6）防护等级：IP65。

1.2 功能要求

电子沙位显示装置可实时识别撒沙系统沙箱中沙位状态，并将沙位信息通过绿色、黄色和红色3 个沙位状态指示灯及对应沙位标识显示出来，具体定义如下：

（1）沙位>90%：绿色指示灯点亮，黄色和红色指示灯熄灭。

（2）50%<沙位<90%：黄色指示灯点亮、绿色和红色指示灯熄灭。

（3）沙位<50%：红色指示灯点亮、黄色和绿色指示灯熄灭。

（4）沙位显示故障：供电正常的情况下，如3 个指示灯均未点亮，说明电子沙位显示装置故障。

（5）电子沙位显示装置输出沙位信息及故障信息给列车控制系统，在司机显示屏上进行显示。

2 组成原理

电子沙位显示装置主要沙位传感器S1、沙位传感器S2 和沙位显示电气盒等组成，如图1所示。

图1 电子沙位显示装置组成示意图

沙位传感器S1 和沙位传感器S2 安装在沙箱上，沙位传感器S1 用于检测输出沙箱内90%沙位信号。沙位传感器S2 用于检测输出沙箱内50%沙位信号。继电器K1、继电器K2 和绿色指示灯（沙位>90%）、黄色指示灯（沙位90%~50%）、红色指示灯（沙位50%~0%）集成在沙位显示电气盒内。

电子沙位显示装置电气原理如图2 所示，继电器K1、继电器K2 分别用于接收沙位传感器S1 和沙位传感器S2 输出的90%和50%沙位信号，并通过电路控制3 个指示灯对应点亮显示沙位。具体说明如下：

图2 电子沙位显示装置电气原理图

（1）当沙箱内沙位低于50% 时，沙位传感器S1 和沙位传感器S2 都检测不到沙位信号，继电器K1 常闭触电（03~11）无动作、继电器K2 常闭触电（03~11）无动作，沙位低于50%红色指示灯点亮。同时继电器K1 常开触点（08~12）无动作、继电器K2 常开触点（08~12）无动作，无沙位信号输出给列车控制系统，认为沙位低于50%。

（2）当沙箱内沙位大于50%且小于90%时，沙位传感器S1 检测不到沙位信号，沙位传感器S2 能够检测到沙位信号，继电器K1 常闭触点（02~10）无动作、继电器K2 常闭触点（03~11）断开，继电器K2 常开触点（06~10）动作闭合，控制沙位90%~50% 黄色指示灯点亮。同时继电器K1 常开触点（08~12）无动作、继电器K2 常开触点（08~12）动作闭合，控制输出50%沙位信号给列车控制系统，认为沙位在90%~50%之间。

（3）当沙箱内沙位大于90% 时，沙位传感器S1 和沙位传感器S2 都检测到沙位信号，继电器K1常开触点（05~09）动作闭合、继电器K1 常闭触点（02~10、03~11）动作断开、继电器K2 常开触点（05~09）动作闭合，控制沙位>90%绿灯指示灯点亮。同时继电器K1 常开触点（08~12）动作闭合、继电器K2 常开触点（08~12）动作闭合，控制输出50%、90%沙位信号给列车控制系统，认为沙位大于90%。

3 沙位传感器工作原理

3.1 沙位传感器检测原理

沙位传感器为电容式接近传感器，工作原理如图3 所示。电容式接近传感器的感应面由2 个同轴的金属电极构成，这2 个电极构成一个电容串接到RC 振荡器中。

图3 沙位传感器电路原理

电容的电容量C为式（1），当式（1）中右侧参数改变任何一个都可以使电容值C发生变化。

式中：ε为极板间介质的介电系数；ε0为真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；εr为极板间介质的相对介电常数，不同物质该值不同；S为极板间相互覆盖面积，m2；d为极板间距离，m。

当被检测物接近电容的感应面金属电极时，极板间介质的相对介电常数发生变化，电容值C发生变化，沙位传感器电路工作输出开关量信号。

3.2 检测距离与环境温度适应特性

（1）电容式接近传感器的检测距离与被检测材料的介电常数有关，介电常数越小，需要设定的检测距离越小。

（2）检测距离设定值与温度适应范围密切相关，检测距离设定值与温度范围成反比，检测距离设定值越小适应温度范围越大。

（3）针对不同介电常数的材料以及温度适应范围要求，可通过改变电容式接近传感器内部电路电阻值的方法设定对应的检测距离。

4 故障分析及改进措施

4.1 故障情况

电子沙位显示装置显示沙位低于50%，实际检查沙箱沙位高于50%。更换沙位传感（如图4 所示）后故障消除。

图4 沙位传感器

4.2 原因分析

沙位传感器检测距离与环境温度适应特性如图5 所示。沙子的成份为石英沙，介电常数为4.5，当石英沙作为被检测物时，沙位传感器有效的检测距离为0~5 mm。当检测距离设定值在1~2 mm时，能适应的温度范围最大，即在-40~+70 ℃范围内都可以检测；检测距离设定值增大时，可适应的温度范围逐步减小，当检测距离设定值为5 mm时，仅能在-4~+6 ℃的温度范围内正确检测，当温度超出-4~+6 ℃时就会失效。

图5 检测距离设定值与温度适应范围

经调查沙位传感器出厂检测距离设定值是按照标准测试铁设定的，检测距离设定值为8 mm，该设定值并不适用于石英沙。电子沙位显示装置供应商按照石英沙有效检测距离0~5 mm，采用目视测量的方法重新手动对检测距离设定值进行了调整，调整误差较大，存在部分检测距离设定值接近或大于5 mm 的问题。同时未充分考虑沙位传感器检测距离设定值与温度适应范围的特性。

在室温下（约18 ℃）对更换下来的沙位传感器对石英沙检测均失效，将沙位传感器检测距离重新设定为2 mm 后，功能恢复正常。

综上，部分沙位传感器实际检测距离设定值偏大（接近5 mm），不满足动车组适应温度范围要求，当环境温度较高或较低，超过沙位传感器设定检测距离适用温度范围时，沙位传感器出现了失效故障。

4.3 改进措施

（1）检测距离设定方法优化

根据电子沙位显示装置适用环境温度范围-40~+70 ℃的要求及沙位传感器检测距离与环境温度适应特性，将沙位传感器检测距离设定值由0~5 mm 更改为1~2 mm。使用动车组实际使用的石英沙，采用专用工装（如图6 所示）在恒温23 ℃的环境精确设定检测距离，确保检测距离在1~2 mm 之间。检测距离设定后对调节孔进行密封处理，如图7、图8 所示，保证检测距离设定值能长期稳定无变动。