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
d o i：10. 3969/j.is s n.1006 -8554. 2017. 03.021
"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）
2. 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) y V= 120 k g x3 xlO m/s2 =3 600 N
b) ^4(螺栓个数）
通过螺栓群轴向拉力计算公式可计算出^ =900 N。
即在垂向3 g冲击下，单个螺栓的轴向拉力％为900 N。
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。
= 0.8 x50 x1 000 =40 =990 N，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3 g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= m x3 g/4 = 900 N
即在纵向3 g冲击下，每个螺栓连接面处承受的摩擦力
N v=900 N。
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N V= = 0.9 x〜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 N V= 15.46 k N>N v= 900 N。
综上述分析可知，Nr+ N v<1，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M12 x55 (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).。
