广州地铁4、5号线速度传感器的分析与应用

广州地铁4、5号线速度传感器的分析与应用
杨丹枫;殷君
【摘要】The sensor is a kind of non electric quantity (such as velocity, pressure) changes of electronic instruments into the power change, has a broad application in the bad working condition of rail transit industry. In this paper, Guangzhou Metro Line 4 and 5 as an example, it introduces the application of two kinds of sensor imported Hasler speed sensor and the localization of Ningbo Beilun localization speed sensor as the representative, and made analysis on the existing problems of the original import speed sensor, introduces the localization speed sensor repair advantage.%以广州地铁4号、5号线为例，分别介绍了原进口速度传感器与国
产化速度传感器为代表的两类传感器的运用情况，对原进口速度传感器存在的问题进行了分析，阐述了国产化速度传感器的维修优势，其维修优势相对原进口速度传感器有了较大提升。

【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2016(045)003
【总页数】5页(P114-118)
【关键词】轨道车辆;速度传感器;国产化
【作者】杨丹枫;殷君
【作者单位】广州地铁集团有限公司，广东广州510380;广州地铁集团有限公司，广东广州 510380
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
速度传感器是地铁车辆的重要组成部分，地铁车辆的牵引制动系统都需要根据速度传感器检测到的速度大小给予不同的牵引制动力矩。

一旦速度传感器出现故障，会使得牵引制动系统不能正常工作，直接影响地铁车辆的正常运行。

里程计速度传感器检查到的里程数据也用于地铁车辆的运营里程记录[1]。

所以速度传感器在地铁
车辆的安全运营起到十分重要的作用。

广州地铁4、5号线使用的Hasler(哈斯勒)速度传感器为瑞士赛雪龙公司下属哈斯勒出品国际通用型光电速度传感器。

里程计速度传感器内部含两个光敏元件，但目前列车仅采集一路速度信号，牵引速度传感器内含4个光敏元件，其中两个为一组，利用两路信号的相位差判断列车前进方向[2]。

牵引速度传感器为VVVF逆变器提供列车运行方向及速度大小信号，是牵引系统
中极其重要的部件。

它的编码盘与轴颈固联，其与电路均安装在带有法兰盘的防水铝合金外壳内，沿编码盘圆周固定四个光敏元件，这些光敏元件可以提供与速度成正比的频率及转数[3]。

光敏元件可沿编码盘作径向移动，即可以按要求设定传感
器信号之间的相位差。

其工作原理如图1所示。

当发射器发出的光束正好穿过编码盘中的光栅时，接收器（图1中为光电三极管）输出的为一低电平信号。

相反，当光束被编码盘挡住时，接收器输出为一高电平信号。

随着编码盘跟随轴端做圆周运动时，接收器便能产生一个频率与编码盘转速成比例的方波[4]。

整个速度传感器内部包含了四个同样的光敏元件，它们分别产生
一路脉冲，分别定义为A、B、C、D，其中靠近速度传感器出线端左侧的光敏元
件所产生的脉冲代表A相信号，顺时针依次类推为B相、C相和D相。

其中A、
B相和C、D相各为一组脉冲信号，每一组光敏元件共用一条电源线，输出脉冲的
技术要求为A相信号B相超前角度为90°±18°，同理C相信号超前D相的角度也为90°±18°，基准值取A、C相信号，如图2所示。

广州地铁4、5号线电客车的轴端光电速度传感器采用Hasler生产的系列产品，
在日常运营中，此型号速度传感器多次发生故障，影响了列车正常运营，故在车辆架，大修时需要全部更换。

由于4、5号线车辆光电速度传感器总数达到将近500台，且进口件价格昂贵，采购周期过长，为了降低车辆维修成本，方便维修，对轴端光电速度传感器进行了国产化改造，采用了宁波北仑恒铁机电有限公司生产的国产化速度传感器。

我国铁路经过近几十年的飞速发展，目前不少行业已经达到国际先进水平，不少产品已经走出国门，向国际铁路车辆生产巨头供货。

在轨道车辆用光电速度传感器领域，我国已形成多个具有国际先进水平的行业标准，也有多个专业生产厂家，其中宁波市北仑恒铁机电制造有限公司具有多年轨道交通车辆用传感器设计开发经验，且在全国各个铁路局、主机厂合作开发、批量供应过同类产品。

所以该速度传感器在广州地铁4，5号线的实际应用基本已经可以替代进口的Hasler速度传感器。

2.1 Hasler速度传感器技术参数
Hasler速度传感器安装在内侧轴颈转向架上的速度传感器，从外侧安装在轴上。

速度传感器主要由轴颈进行机械支撑，因此需要更坚固的轴承。

扭矩支架使传感器在车轮上的位置固定不变，防止传感器随车轮一起转动。

其实物外观如图3所示。

内部构造如图4所示：2.2 Hasler速度传感器故障分析
原进口的速度传感器在广州地铁4、5号线的日常运营中出现了故障频发的问题，经常导致车辆不能正确接收到速度信号，对车辆的日常正线运营均造成了不同程度的影响。

通过对原进口速度传感器的故障问题进行分析，发现导致速度传感器报出故障的原因为内部的光敏元件产生位移错位，根据上面速度传感器的原理介绍可以得出，如果光敏元件发生错位，其输出信号的占空比与频率均会产生较大的偏差，
即不能正常输出速度信号。

如果里程计速度传感器故障主要表现为里程计测速不准确，指针晃动、指针不动等，故障现象明确，在列车TMS界面、信号HMI屏等均有速度显示，所以该速度传
感器故障对正线行车不会构成太大影响。

牵引速度传感器出现故障时则对车辆影响较大，主要表现在以下几个方面。

（1）速度传感器故障
VVVF检测到速度传感器4路信号任意一路丢失时报出该故障。

该故障为1级故障（TMS故障记录共分0-3级，3级为严重故障，0级为轻微故障但需要观察），
不会在TMS界面跳出，不在故障记录中记录，仅在列车故障履历及VVVF数据记录。

故障会导致VVVF LB跳开，封锁列车牵引，当一次牵引、制动结束后，若信
号正常该故障自行恢复。

（2）后进速度故障
VVVF检测到一组光敏元件的相位角差丢失或超出标准范围时报出该故障。

该故障原为0级故障，可以在TMS界面跳出，不在故障记录中记录，仅在列车故障履历及VVVF数据记录。

故障会导致VVVF LB跳开，封锁列车牵引，当一次牵引、制动结束后，若信号正常该故障自行恢复。

（3）VVVF检出过频率
此故障是通过牵引速度传感器检测的，电机频率与车速对应，检测出车速就可以计算得出电机频率，当电机频率超过45 Hz时（对应车速约为90 km/h），就会报
出OFD1故障，当电机频率超过47 Hz时（对应车速约为94 km/h），就会报出OFD2故障。

发生OFD1故障后，VVVF不会触发任何保护，只是TMS显示屏的故障记录里面有OFD1故障；发生OFD2故障后，VVVF会控制LB断开，IGBT
门极关断来进行保护，当牵引或制动命令结束，列车速度将为正常，保护自然恢复，不需人工复位。

同时OFD2故障并送出信号给列车的超速保护继电器OVR，造成
列车紧制。

（4）测速不准确
日常运营中曾出现速度传感器存在突然测速不准确、速度忽大忽小现象，这与上述检出过频率OFD是类似的，但无故障指示及故障记录。

这里主要有两类表现：
①车速度变大，在60 km/h左右时突然检测达到95 km/h造成超速就是过频率；
②传感器信号突然丢失，导致列车无法接收到速度信号，导致列车造成明显冲击，与PGD造成的牵引封锁类似，但冲击力更大。

（5）速度传感器电缆破裂
发现多个Hasler速度传感器的电缆破裂，存在很大的安全隐患。

通过故障统计分析，造成4号线、5号线速度传感器故障频发的原因初步认为有以下两点。

（1）正线轨道与列车轮对匹配差，列车震动过大，导致轴端速度传感器内部结构尤其是精细的光敏元件损坏，这与5号线目前普遍存在的轮对磨耗大、转向架频
繁异响、轴端接地装置松动等情况吻合。

所以速度传感器故障可能与列车轮对异常有关。

（2）可能是列车设计存在缺陷，或者速度传感器自身的光敏元件也存在设计缺陷，导致故障频发。

由于是Hasler速度传感器的替代产品，所以宁波北仑速度传感器国产件主要性能
参数要求和牵引电机速度传感器Hasler进口件主要性能参数完全相同。

同时，要
求牵引电机速度传感器国产件的机械安装接口和电气接口和MITSUBISHI ELECTRIC公司提供的速度传感器外形图要求一致，以保证国产件与进口件能够完全互换。

在日常维修中可以互相替换使用。

其参数如下。

（1）使用环境条件
工作温度（℃）：-40～+70；
空气相对湿度（%）≤90（25℃）
（2）适用机车车辆轴箱的运行条件
耐振试验条件为：20～100（Hz）；
振动加速度（G）：垂向30，纵向27，横向17。

（3）主要性能参数
电压（VDC）：15±15%；
功耗电流（每路脉冲）（mA）：＜50；
输出脉冲幅值（VDC）：高电平≥9，低电平≤2；
转速测量范围（r/min）：0～1 500。

外形图如图5所示。

宁波北仑光电速度传感器主要由支承机构、转轴及万向联轴传动机构、光电转换电路系统三部分组成。

同时为了改善原进口件存在的设计缺陷，宁波北仑的国产化速度传感器在以下方面做了一定改进。

（1）光栅盘固定在转轴轴伸端，转轴由轴承及其弹簧补偿结构支承在底座上，轴承润滑采用锂基润滑脂。

（2）靠光栅盘及轴伸端，转动部分均采用密封垫圈进行密封处理，可防止轴承油污传感器内部及机车轴箱油进入传感器内部；转轴为万向联轴节的单叉节，万向轴共设有八个轴承，保证转动的灵活性。

（3）万向连轴节输出端机械接口为弹性方榫，其方形横断面尺寸可伸缩：
18×18～20× 20。

光敏探头安置在光栅盘两侧，并安装在底座上。

（4）电缆引出线固定在底座上并用耐油橡胶管防护，护管与底座采用冲压箍紧帽密封，电器接口采用了密封结构好、接触插针大而可靠的JL5型机车电连接器；电缆线引出长度为1.3～1.5 m。

通过上述分析，国产化的速度传感器在设计时注重光电模块抗振动性能，采用灌胶方式加强元件抗振能力；同时使用新型线缆和布线方式，改善电缆性能；光电模块安装时为直接固定，无需通过调整光电模块位置来调整速度传感器的各相相位差；光电模块为同心两路信号（一个模块两路输出，每个传感器内只有两个模块），信号稳定性较高[5]。

国产化的速度传感器在进行了如下的试验。

（1）型式试验：厂方参照Hasler速度传感器的用户手册5.0300.25EN的有关要求编制《型式试验大纲》，样品出厂后要进行相关型式试验，检测结果要符合本部分第1部分确定的各种技术指标和参数，以及其他经双方认可的文件。

（2）装车考核试验：产品型式试验符合要求后，开始进行装车考核试验，装车数量为2个，考核时间为6个月或60×103km。

要求达到以下要求：
1）整个装车试验阶段，传感器不能出现机械损伤和性能下降；
2）装车6个月后对传感器性能进行复测，应符合上述的各种技术指标和参数。

经过上面的试验，国产化的宁波北仑速度传感器符合地铁列车的使用要求，可以大范围使用，为地铁列车速度传感器的使用提供了一个新的采购渠道，并且具有与进口件的相比拟的性能，同时其可维护性与地铁车辆运营工况的贴合性都有了极大的提升。

2013年大范围装车应用后，速度传感器故障统计如图7所示。

从图7可以看出，在2011年、2012年牵引速度传感器故障大范围发生，经过国产化改造之后，速度传感器在可靠性与易用性都有了很大的提升，其故障率在2013年得到了很大的改进。

针对原进口速度传感器供货周期长，价格昂贵，技术被外国所垄断的问题。

积极开展速度传感器的国产化工作，通过与宁波北仑恒铁公司的合作，成功实现了速度传感器的国产化。

破除了外国速度传感器的技术壁垒，使得速度传感器的采购及其现
场应用有了更为坚实的基础，其维修优势相对原进口速度传感器有了很大提升。

虽然现在速度传感器故障频发的问题尚未完全解除，不过已经使得其故障率处于可控制的范围。

同时通过对故障速度传感器的拆解，研究，已经基本掌握了故障速度传感器的修复方法，使其能够重新投入使用。

【相关文献】
［1］刘越，宁斌.列车测速测距方式［J］.铁道通信信号，1997（12）：1-3.
［2］Hasler®optical pulse generator说明书［Z］.Hasler公司，2006.
［3］牛永荃，冷芳.传感器及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2007.
［4］张洋，周达天，刘宏杰，等.基于多传感器融合的列车测速定位方法［J］.都市快轨交通，2011（8）：30-32.
［5］刘为华.便携式地铁车辆速度检测装置研究［J］.科技资讯，2012（10）：73-74.。