牵引电机速度传感器失效分析

Vol.24,No.3,2017牵引电机速度传感器失效分析钟艳，陈真容(中车株洲电机有限公司，湖南株洲412000)摘要：速度传感器是机车、动车及整个轨道交通安全控制系统中不可或缺的部件，速度传感器的性能指标直接影响车辆运行监控装置的工作，是整个轨道交通系统速度监控系统的关键。然而由于其工作环境的复杂及恶劣，速度传感器已成为轨道交通控制系统中的薄弱环节。以动车组牵引电机所配用的磁阻式速度传感器为研究对象，对其进行失效分析。关键词：速度传感器；故障分析；牵引电机doi：10.3969/j.issn.1006-8554.2017.03.021技术研发TECHNOLOGYANDMARKET速度传感器结构及原理1.1速度传感器结构速度传感器由外壳、电路板、感应探头、电缆等组成，如图1所示，其中核心部件为电路板和感应探头。1.电缆2.外壳3.电路板4.感应探头图1速度传感器结构1.2速度传感器工作原理当齿轮旋转至图2(a)位置，通过磁阻元件的磁通最大，磁阻元件电阻最大，输出高电平；当齿轮旋转到至图2(b)位置，通过磁阻元件的磁通最小，磁阻元件电阻最小，输出低电平。齿轮连续旋转时磁阻元件的输出电压信号如图2(c)，此信号经后续电路整形后得到如图2(d)。2速度传感器失效及分析速度传感器是机车、动车及整个轨道交通安全控制系统中不可或缺的部件，速度传感器的性能指标直接影响车辆运行监控装置的工作，是整个轨道交通系统速度监控系统的关键。然而由于其工作环境复杂、恶劣，速度传感器已成为轨道交通控制系统中的薄弱环节，因而对速度传感器的常见故障进行分析并提出相应预防措施显得十分重要。2.1失效模式根据速度传感器的结构和工作原理，针对速度传感器失效的模式，建立失效故障树[2]。图3速度传感器失效故障树2.2故障分析2.2.1磁阻元件损坏速度传感器磁阻元件损坏主要是磁阻元件的固定角与器件的封装体断裂导致磁阻元件与探头正中心的相对位置发生变化，产生的主要原因:磁阻元件等器件封装材质本身较脆，运行过程中恶劣的环境以及检修时拆卸安装等条件的影响下，使速度传感器内磁阻元件等器件固定脚材质形变，经过一段时间的使用固定角与器件的封装体发生断裂。2.2.2连接器接触不良在动车运行过程中，有信号时断时续的现象发生，这有可能是速度传感器与车体的连接部分连接器接触不良引起的。因为在一定气候环境和振动条件作用下，长期而往速度传感器在运行中连接器插针松动而存在接触不良。2.2.3速度传感器及测速齿轮安装位置偏差测速齿轮齿顶与速度传感器探头间隙有严格要求，间隙过大或过小都会影响信号的接收和输出。同时测速齿轮齿顶的中心位置要正对速度传感器探头的中心[]，这样可使磁场最大限度地通过磁阻元件的表面，使触发精度提高。2.2.4两信号通道占空比差异较大占空比是指高电平在一个波形周期之内所占的时间比率。有报故障速度传感器在进行实验时发现高低电平以及相位差(下转第4页）46技术研发TECHNOLOGYANDMARKET2.3、4,由于螺栓对称分布，螺栓1至螺栓4的承载状况相同，因此e近似取〇)a)yV=120kgx3xlOm/s2=3600Nb)^4(螺栓个数）通过螺栓群轴向拉力计算公式可计算出^=900N。即在垂向3g冲击下，单个螺栓的轴向拉力％为900N。3.2螺栓受拉承载力允许值为提高强度螺栓连接在承受拉力作用时，能使被连接扳间保持一定的压紧力，规范规定在杆轴方向承受拉力的高强度螺栓摩型连接中，单个高强度螺栓受拉承载力设计（允许）值为:^=0.8P。=0.8x50x1000=40=990N，即在轴向上螺栓强度满足设计要求。4受剪连接承载力4.1极限工况下最大静摩擦力摩擦型连接的承载力取决于构件接触面的摩擦力，而此摩擦力的大小与螺栓所受预拉力和摩擦面的抗滑移系数以及连接的传力摩擦面数有关。因此，在纵向3g加速度冲击下单个摩擦型连接高强度螺栓的受剪承载力值为：Nv=mx3g/4=900N即在纵向3g冲击下，每个螺栓连接面处承受的摩擦力Nv=900N。4.2螺栓连接受剪承载力允许值摩擦型连接高强度螺栓承受剪力和拉力联合作用时，螺栓的承载力设计值NV==0.9x〜x(及-1.25N)O.9为螺栓受力非均匀系数，一般计算取0.9;^为传力摩擦面数，本工况下，=1;M为抗滑移（摩擦）系数，取0.35;P。为螺栓预紧力；N为单个螺栓的轴向拉力；带入上式得NV=15.46kNNv=900N。综上述分析可知，Nr+Nv1，即在垂向、纵向3/加速度冲击下，螺栓强度满足设计要求。5有限元计算校核高强度螺栓的滚丝工艺是在热处理完成后进行的，使得螺(上接第4页）都适合要求，只有两信号通道占空比差异较大，而新的速度传感器信号通道占空比差异很小及相等。原因可能是速度传感器内部元件封装上的问题，经过一段时间的运用，参数发生变化，造成两信号通道占空比差异大。2.2.5两通道间的相位差超标磁阻模块沿探头圆周方向及径向的安装位置发生微小的变化都将引发两通道之间相位差的变化，当出现相位超标时要仔细检查速度传感器探头外观上是否有磕碰痕迹，因为速度传感器磁阻元件离探头表面距离很近，探头表面发生变形后将使磁阻元件收、发位置发生变化而使得信号不准确。2.2.6丢脉冲运用一段时间后出现丢脉冲现象，一是速度传感器本身内部元件的材质问题，主要是磁阻元件接收电路的材料敏感度降低，造成电路转换过程中丢脉冲。另外测速齿轮有缺齿或者残Vol.24,No.3,2017纹处得以强化，且疲劳试验的结果表明早期疲劳断裂发生在螺栓杆部与头部的过渡圆弧处，故可忽略螺纹的影响，为了更好地模拟螺栓实际工作情况，在螺栓上装配了螺母，并忽略螺纹的影响，将螺栓和螺母视为一个整体来建立几何模型。载荷和约束:螺栓面进行约束限制位移，将预紧力和摩擦力施加在螺母贴紧面上，考虑垂向、横向、纵向±3/加速度，计算结果见图3，在极限工况下螺栓应力小于螺栓屈服强度值：图3螺栓有限元计算应力云图6结语分析可知，武汉6号线车辆底架的高速断路器箱体采用4个M12x55(10.9)螺栓悬挂固定，满足设计要求。在动载荷的作用下，螺纹连接的失效通常是由其自身的松动和疲劳破坏所引起，在一般情况下，螺纹连接抗振松的寿命比其材料和结构的疲劳寿命短得多，远在疲劳破坏之前，就已经出现了因松动而造成螺纹连接的松脱失效，因此在螺栓选型时，除了通过计算确保强度满足设计要求外，还需要考虑螺栓紧固件的防松以及表面防腐蚀。参考文献：[1]陈学前，杜强，冯加权.动载荷下螺栓连接的优化设计[J].力学与实践，2〇05(6).[2]张贵祥，石永久，王元清.铝合金构件螺栓连接承压性能分析与设计方法[J].桂林工学院学报，2006,26(4).[3]候兆欣.承压型高强度螺栓连接的性能研究[J].工业建筑，1992,22(9)：4-27.齿的现象同样会导致速度传感器输出信号技脉冲现象的发生。2.3故障案例CRH380A某列动车组三级修后在检修基地调车进行调试时，系统报14车4位牵引电机速度传感器断线故障。将故障速度传感器送专业厂家进行了专业检测，检测报告确认此速度传感器已失效，根据专业厂家的检测结论，速度传感器故障直接原因是速度传感器的感应探头受磕碰而造成内部磁阻元件损坏。要避免此类故障需在检修过程中对速度传感器(尤其注意关键部位一探头）加以防护;另确定其里程寿命，及时换掉内部元件出现老化的速度传感器以减少此类故障的发生。参考文献：[1]林绍华.霍尔传感器原理及在车速传感器中的应用[J].轻型汽车技术，2003(12).48