一種動(dòng)車(chē)組速度傳感器失效模式研究

賴天倫

摘 要：本文對(duì)動(dòng)車(chē)組牽引速度傳感器進(jìn)行失效分析，確定傳感器低電源電壓時(shí)浪涌沖擊的影響易出現(xiàn)丟失脈沖現(xiàn)象，并通過(guò)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：速度傳感器;脈沖丟失;失效

為保證車(chē)輛安全運(yùn)行，動(dòng)車(chē)組設(shè)置了大量的傳感器。某型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)非傳動(dòng)端設(shè)置有兩個(gè)速度傳感器，分別為牽引變流器及制動(dòng)控制裝置提供速度信號(hào)。

本文針對(duì)動(dòng)車(chē)組牽引速度傳感器輸出信號(hào)脈沖異常丟失進(jìn)行研究，以提高速度傳感器的可靠性。

1.速度傳感器原理及失效分析

1.1傳感器原理分析

某型速度傳感器電路由電源處理電路、信號(hào)處理電路、霍爾集成芯片組成，等效電路如圖1所示。電源處理電路由瞬間抑制二極管 、防反接二極管、儲(chǔ)能電容、濾波電容和分壓電阻組成。信號(hào)處理電路采用運(yùn)放芯片構(gòu)成遲滯比較器，運(yùn)放芯片自身集成推挽輸出電路，并在輸出端口增加浪涌保護(hù)和短路保護(hù)電路，提高其抗干擾能力?；魻柤尚酒袘?yīng)測(cè)試齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，并輸出調(diào)理后的方波信號(hào)?；魻柛袘?yīng)芯片封裝在探頭內(nèi)部。

速度傳感器設(shè)計(jì)工作電壓范圍為8V～36V。霍爾感應(yīng)芯片的工作電壓范圍為4V～30V，為保證霍爾感應(yīng)芯片在傳感器工作電壓范圍內(nèi)正常工作，采用分壓電阻R11、R12分壓。當(dāng)霍爾感應(yīng)芯片供電低于3.95V時(shí)，出現(xiàn)欠壓鎖死狀態(tài)，如圖1。

1.2速度傳感器失效模式分析

速度傳感器故障失效模式主要有探頭損傷、電源中斷、引腳焊接松脫、擊穿短路、感應(yīng)元件或連接導(dǎo)線虛焊/脫焊;電路板保護(hù)器件短路或斷路、元器件供電中斷、電器回路絕緣擊穿、元器件虛焊/脫焊、電源不穩(wěn)定、保護(hù)上位機(jī)供電電壓低、元器件損傷、電磁干擾;電纜及組件電纜斷線、電纜芯線絕緣破損、信號(hào)傳輸鏈中的連接端子或焊盤(pán)松動(dòng)、脫落。

針對(duì)上述故障失效模式均可通過(guò)以下試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：基本性能測(cè)試、絕緣耐壓試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、快速溫變?cè)囼?yàn)、溫度+振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌抗擾度試驗(yàn)。

1.3過(guò)分相時(shí)刻輸出脈沖丟失原因分析

動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中多次記錄滑行。通過(guò)車(chē)載記錄數(shù)據(jù)分析，滑行現(xiàn)象均出現(xiàn)在過(guò)分相時(shí)刻，如圖2所示。故障時(shí)刻處于B3、B4級(jí)位。制動(dòng)控制裝置記錄信息，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)的前一個(gè)和后一個(gè)記錄周期（40ms）速度均正常，滑行時(shí)單軸速度比正常速度約低3km/h。

通過(guò)車(chē)載數(shù)據(jù)分析表明，故障時(shí)刻滿足車(chē)輛滑行判據(jù)：制動(dòng)級(jí)位在1級(jí)～6級(jí)時(shí)，減速度大于10km/h/s且速度差大于3km/h。故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)通過(guò)在傳感器線-地施加浪涌電壓，同時(shí)逐步降低傳感器供電電壓方式進(jìn)行。在傳感器線-地施加2kV浪涌電壓，電源電壓降至6.5V時(shí)，傳感器偶發(fā)性出現(xiàn)輸出信號(hào)丟失脈沖的現(xiàn)象，且脈沖丟失呈持續(xù)低電平狀態(tài)，如圖2所示。

注：藍(lán)色為傳感器輸出信號(hào)，綠色為霍爾感應(yīng)芯片電壓信號(hào)，粉色為浪涌電壓信號(hào)。

綜合故障時(shí)傳感器輸出信號(hào)波形特征及速度傳感器失效模式，分析為浪涌電壓施加瞬間，霍爾感應(yīng)芯片供電低于3.95V，欠壓鎖死，傳感器輸出信號(hào)表現(xiàn)為脈沖丟失。

2.傳感器改進(jìn)方式

2.1電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化速度傳感器電路，取消霍爾感應(yīng)芯片前端分壓電阻R11、R12。優(yōu)化后傳感器等效電路如圖3所示。

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后速度傳感器供電范圍可達(dá)6V～30V，霍爾感應(yīng)芯片兩端的電壓為5.5V～29.5V。

優(yōu)化后速度傳感器進(jìn)行性能及浪涌抗擾度、高低溫等試驗(yàn)，傳感器各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到初始技術(shù)要求。開(kāi)展浪涌及低電源電壓復(fù)合試驗(yàn)，傳感器線-地施加2kV浪涌電壓，電源電壓逐步降至6V時(shí)，傳感器輸出信號(hào)無(wú)丟失脈沖的現(xiàn)象，如圖4所示。

3.結(jié)論

（1）動(dòng)車(chē)組在過(guò)分相時(shí)，傳感器在低電源供電時(shí)受浪涌沖擊的影響，導(dǎo)致霍爾感應(yīng)芯片供電不足失效，出現(xiàn)丟失脈沖現(xiàn)象，導(dǎo)致車(chē)輛誤報(bào)滑行。

（2）取消霍爾感應(yīng)器件前端分壓電阻，可有效提高傳感器芯片的適應(yīng)能力，提高產(chǎn)品可靠性。

（3）通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，改進(jìn)速度傳感器與改進(jìn)前的產(chǎn)品相比，可靠性得到提高，改進(jìn)方法可行、有效，提高了動(dòng)車(chē)組的可用性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董昱，史佳.基于LKJ數(shù)據(jù)分析的機(jī)車(chē)速度傳感器智能故障診斷[J].鐵道學(xué)報(bào)， 2015， 11： 70―74.

[2] 張明川.CRH2型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)速度傳感器故障的分析[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)， 2018， 3：141-141.

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 ?山東 ?青島 ?266000）