CN100437037C - 磁传动列车光电速度监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

磁传动列车光电速度监测方法及装置，采用非接触式传动机构，利用磁传动原理，使得列车监测数据采集传感器与数据传递轴通过磁力实现非接触式传动，传感器数据采集是通过磁力非接触式传动采集到的。其具体方式是在列车监测数据发生装置与传感器数据采集装置之间设置一磁力传动机构，使得列车监测数据通过磁力传动机构传递到传感器数据采集装置，传感器数据采集装置为光栅脉冲机构，采用两个以上光源(发光二极管)经车轴与轴箱间的磁力传动机构使光栅盘变为断续光，致使光断续器中的光敏二极管通断运行，经智能集成芯片(IC)将两路脉冲变换为四路(或多路)脉冲，再经CAN总线输出。

Description

磁传动列车光电速度监测方法及装置

技术领域

本发明属于一种列车运行监控数据的采集方法，尤其是指一种列车速度监测数据的采集方法；本发明还涉及一种上述方法的装置。主要用于直接向列车运行监控装置提供准确的信号。可以用于从轴上进行采集各种列车速度、定位等信号。

背景技术

列车速度传感器是列车安全运行控制装置的重要部件。主要用于直接向列车运行监控装置提供准确的速度信号，以防止列车以高于道岔允许的最高速度通过岔区；以防止列车以高于运行区段线路允许的最高速度运行；以防止高于机车、车辆构造允许的最高速度运行；以防止在特殊条件下高于规定的速度运行它，如：调车作业、列车倒溜及在自动闭塞区间，当关闭地面信号时等情况下；当列车速度超过上述规定的允许值时，发出报警提示及常用制动或紧急制动指令，因此速度传感器也是列车安全运行装备的重要部件之一。

多年来，铁路相关科研部门及企业对列车速度传感器做了大量的研究和改进工作。目前采用的有四种类型的光电速度传感器(其它磁电速度传感器、永磁式速度传感器由于其可靠性、准确性等原因已被淘汰，此后不再叙述)，可以互换使用。最新型的有两种，即TQG9型和TQG15型光电速度传感器。这几种速度传感器在原理、结构上基本相同，现就以TQG9型机车速度传感器为例，阐述目前列车速度传感器的基本技术概况。

TQG9型机车速度传感器的基本原理是用一个光源(发光二极管)经由随车轮一起转动的光栅盘变为均匀的断续光，致使光断续器中的光敏二极管通断运行，经电路的放大整形后，输出与转速成比例的方波脉冲序列。其外形如图1所示。TQG9型机车速度传感器由支撑结构、转轴及万向联轴机构和光电转换电路系统三部分组成。光栅盘固定在转轴轴伸端部，转轴由轴承(2×46204)支撑在底座上，轴承润滑采用锂基(牌号4)润滑脂。靠光栅轴伸端，转动部分采用机械横竖迷宫密封结构；静止部分采用可塑密封胶密封；转轴为万向联轴节的单叉节，万向轴共设有8个滚针轴承，保证转动的灵活性，万向联轴节输出端机械接口为带弹性方榫万向联轴节1，其方形断面尺寸可伸缩：18mm×18mm～20mm×20mm。光敏探头安置在光栅盘两侧，并安装在底座2上，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。电气接口采用了JL5型机车电连接器，电缆长度1.3m。传感器3安装在安装座上即机车轴箱外盖开孔处。开孔尺寸：定位园￠65_+0.1 ^+0.29mm，安装螺孔4-M8在￠130±0.2圆周上均布；方孔座方孔尺寸19×19₊₀ ^+0.5mm；万向联轴节输出弹性榫插入车轮方孔座中，安装结构如图2所示。安装时，在车轮轮轴4轴端方孔四壁均匀涂一薄层润滑脂，以保证弹性方榫四滑板与方孔座四壁滑动灵活。但现有光电转速传感器尚存在一些不足。目前采用的四种类型的光电转速传感器其万向联轴传动机构、光电转换电路系统基本相同，这两部分也是光电转速传感器的核心部分。这两部分的可靠性、技术性决定了传感器性能的优劣。从目前运用效果来看四种类型的光电转速传感器普遍存在以下四个方面的问题：

1.机械故障较多

这类光电转速传感器采用万向联轴传动机构，其万向联轴节输出弹性方榫(可伸缩18mm×18mm～20mm×20mm)插入车轮方孔座(19mm×19mm)中连接转动。由于车轮惯量较大(车轮自重为2.065～2.846吨；车轮承受静载荷21～25吨；簧下死重量为q＝4.61～6.12吨)，当轮对高速旋转和通过曲线、道岔、轨缝等情况时，轮对会发生横向移动(最大移动量为30mm)，径向跳动、纵向冲击时，易造成带弹性方榫万向联轴节、支撑轴承、转轴等机械部件发生损坏，同时也会造成轴箱外盖5的磨损，尤其是在线路条件较差的情况下，机械故障率会大幅度上升。通常情况下，还要加强对弹性方榫的检查和添加插入部分的润滑脂，否则也会增加机械故障率。总之采用这种万向联接传动机构必然会导致传感器发生机械故障甚至损坏(传感器难以承受轮对的冲击惯量)。

2.光源污染严重

这类光电传感器是用一个光源经随轮轴转动的光栅盘变为断续光，由于是万向联轴节，这种传动机构直接与车轮轴箱内腔联通，在结构上无法实现全密封状态，光栅盘的污染会使光信号失真，相互产生污染。首先是0.2mm的光槽极易受到污染，其次是光栅盘也易受到污染。

3.输出波形失真度大

光电转换电路系统，是由光断路器中的光敏二极管通断运行，经电路的放大整形后，输出与转速成比例的方波脉冲序列。由于光栅盘、转轴的加工精度造成方波脉冲失真，因此在放大整形电路中采用电位器或可变电阻进行调整，其精度难以保证。

4.功能扩展性差

一是采用万向联动机构难以满足列车提速的要求，这种结构本身易造成机械故障，最高转速为1000r/min时，列车速度为198～235km/h，当列车速度达到300km/h左右时，传感器转速为1300～1500r/min，此时对传动机构的要求更高，这种传感器难以满足要求。

二是速度信号是列车安全运行、性能控制采用最广泛的信号之一，应有多路脉冲信号输出，受原结构和电路限制最多输出四路脉冲信号，如要扩散难度较大。

通过上述描述，可以得知现有的速度传感器尚存在一些不足，因此很有必要对此加以改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有光电转速传感器的数据采集方法的不足，提出一种机械故障少，光源污染轻的新型列车监测数据的采集方法，尤其是一种列车速度监测数据的采集方法。

本发明的另一目的在于提供一种上述方法的列车监测数据的采集。尤其是一种列车速度监测数据的采集速度。

根据本发明的目的所提出的技术实施方案是：采用光电速度传感技术采集列车速度信号，且速度信号是从列车车轴上采集到的，其特点是转速传感器的速度信号采集是通过非接触式传动机构，利用磁传动原理，使得传感器数据采集装置与数据传递装置通过磁力实现与车轴的非接触式传动，转速传感器数据采集是通过磁力非接触式传动机构通过车轴采集到的。其具体方式是在车轴与传感器数据采集装置之间设置一磁力传动机构，使得列车监测数据通过磁力传动机构传递到传感器数据采集装置，传感器数据采集装置为光栅脉冲机构，采用两个以上光源(发光二极管)，经车轴(如车轴)与传感器数据采集装置间的磁力传动机构使光栅盘变为断续光，致使光断续器中的光敏二极管通断运行，经智能集成芯片(IC)将两路脉冲变换为四路(或多路)脉冲，再经CAN总线输出。这样可以解决万向联轴传动机构造成机械故障率频繁的弊端，非接触式传动机构不受轮对巨大惯量的冲击，转轴负载较小，机械故障率几乎为零，并使大幅度提高传感器转速成为可能。其可靠性将大幅度提高。根据上述方法所提供的装置是：包括车轴和传感器数据采集装置，在车轴与传感器数据采集装置之间设置一磁力传动机构。其中，磁力传动机构主要分为两大类传动方式，一是磁力偶合方式，二是磁力驱动方式。这两种传动方式均使车轴与传感器处于非接触状态，这样车轴的巨大惯量无法传递到传感器上，传感器转动部分的载荷极小，机械故障几乎为零。在保持新产品的先进性、技术性的前提下，又能满足既有产品的通用性、互换性，磁传动机构的外部接口与所有转速传感器外接口保持一致。同时，由于采用非接触式传动机构，传感器部分可以完全密封，所以对于监测数据采集装置采用全密封结构，无论轴箱内腔的污染源还是外界污染源都将无法侵入传感器内部，克服了光源污染的难题。此外，还采用智能集成芯片和现场总线(CAN)输出，有效解决了方波脉冲失真度和脉冲输出通道受限的困难。

本发明采用磁力传动机构，有效解决了现有传感器频繁发生的机械故障，同时由于采用了封闭式结构，有效地避免了光源污染严重等难题。磁力传动技术首次在铁路移动设备上使用，是一个创造性的发明，它将会在铁路的各个领域产生深远影响，也必将为迅猛发展的高速铁路提供有力的技术支持。

附图说明

图1现有TQG9型机车轴端光电速度传感器示意图；

图2现有TQG9型机车轴端光电速度传感器安装结构图；

图3磁力耦合器原理图；

图4直接驱动示意图；

图5转速传感器智能模块电路原理图；

图6磁偶合传动方式实施例。

图中：1、带弹性方榫万向联轴节；2、底座；3、传感器；4、轮轴；5、轴箱外盖；6、车轴；7、传感器数据采集装置；8、磁力传动机构；9、轴箱端部；10、转速传感器；11、车轴端部；12、传感器数据采集装置；13、磁传动机构；14、大磁铁装配(车轴端磁铁)；15、小磁铁装配(传感端磁铁)；16、磁铁托；17、传感端磁铁传动轴；18、光栅盘；19、轴承；20、传感器壳体；21、模块；22、集成芯片；23、外罩；24、防尘罩。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

从附图可以看出，本发明是一种列车速度监测数据的采集装置，采用光电速度传感技术采集列车速度信号，且速度信号是从列车车轴上采集到的，其特征在于：转速传感器的速度信号采集是通过非接触式传动机构，利用磁传动原理，使得传感器数据采集装置与数据传递装置通过磁力实现与车轴的非接触式传动，转速传感器数据采集是通过磁力非接触式传动机构通过车轴采集到的。其具体方式是在车轴6与传感器数据采集装置7之间设置一磁力传动机构8，使得列车监测数据通过磁力传动机构8传递到传感器数据采集装置7，磁力传动机构8主要分为两大类传动方式，一是磁力耦合方式，二是磁力驱动方式。这两种传动方式均使轮轴与传感器处于非接触状态传感器数据采集装置7为光栅脉冲机构，采用两个以上光源(发光二极管)，经车轴6与传感器数据采集装置7之间的磁力传动机构8使光栅盘变为断续光，致使转速传感10内光断续器中的光敏二极管通断运行，经智能集成芯片(IC)将两路脉冲变换为四路(或多路)脉冲，再经CAN总线输出。这样可以解决万向联轴传动机构造成机械故障率频繁的弊端，非接触式传动机构不受轮对巨大惯量的冲击，转轴负载较小，机械故障率几乎为零，并使大幅度提高传感器转速成为可能。根据上述方法所提供的装置是：包括车轴6和传感器数据采集装置7，且传感器数据采集装置(7)为光栅脉冲机构，车轴6与传感器数据采集装置7之间的传力机构为磁力传动机构8。其中，所述的磁力传动机构8为磁力耦合装置或磁力驱动装置。在保持新产品的先进性、技术性的前提下，又能满足既有产品的通用性、互换性，磁传动机构的外部接口与所有转速传感器外接口保持一致。同时，由于采用非接触式传动机构，转速传感器10仍套装在轴箱端部9上，但传感器部分可以完全密封，所以对于监测数据采集装置采用全密封结构，无论轴箱内腔的污染源还是外界污染源都将无法侵入传感器内部，克服了光源污染的难题。此外，还采用智能集成芯片和现场总线(CAN)输出，有效解决了方波脉冲失真度和脉冲输出通道受限的困难。

主要技术条件和参数

所有技术条件满足TB的相关条件并优于原传感器的各项技术参数，其中转速测试范围可达到0～3000r/min(原指标为0～1000y/min)。

实施方式一

采用磁力耦合方式

用新型的永磁材料(钕铁錋)按照4、6、8、12、16…的极对数组成磁力耦合器，如图3所示。大端磁套安装在轮对上，小端磁力轴与传感器轴联接，当车轮旋转时，在磁扭力的作用下，驱动传感器轴同步旋转。主要技术条件车轮轴与传感器转轴不同心度≤6mm，轮轴自由横向移动量＞30mm。

实施方式二

采用磁力驱动方式

用永磁材料(钕铁錋)按照2、4极对数面对面直接驱动(如图4所示)。安装在轮轴端的磁极对数与安装在传感器轴端的磁极对数相等，当轮轴旋转时，在磁引力的作用下，带动传感器端的转轴旋转。主要技术条件：面对面的磁距离为：10～80mm；两轴的不同心度≤6mm。

具体实施例一

图6给出了一种磁耦合传动方式的具体实施例，从附图中可以看出本实施例的速度传感器监测系统主要由车轴端部11、传感器数据采集装置12、磁传动机构13三部分组成。磁传动机构13包括大磁铁装配(车轴端磁铁)14和小磁铁装配(传感端磁铁)15，其中大磁铁装配14安装在带有方轴的磁铁托16上，方轴插入车轴端部的方孔内并由胀紧方式胀紧。小磁铁装配15安装在传感端磁铁传动轴17上，磁铁传动轴17另一端安装光栅盘18，磁铁传动轴17通过轴承19支撑在传感器壳体20内；传感器壳体20内为封闭腔体，起止口作用的防尘罩24将小磁铁装配15和磁铁传动轴17密封在壳体20左端。壳体20有用于封闭腔体的外罩23，封闭腔体是通过防尘罩24、外罩23与传感器壳体20组合形成的。在传感器壳体20还设有光栅盘18、模块21和集成芯片22，外罩23将光栅盘18、模块21和集成芯片22密封在传感器壳体20的右端。车轴端部11与传感器数据采集装置12是通过磁力传动机构13实现非接触式传动的，并通过两个(或多个)光源(发光二极管)，经车轴与传感器间的磁力传动机构使光栅盘变为断续光，致使光断续器中的光敏二极管通断运行，经智能集成芯片(IC)将两路脉冲变换为四路(或多路)脉冲，再经CAN总线输出。当车轴转动时，带动大磁铁装配14转动；由于大、小磁铁间的磁力耦合作用，使小磁铁随大磁铁同步转动，致使磁铁传动轴17、光栅盘18一起作非接触的转动。由于大、小磁铁在轴向始终有足够的磁铁搭接量，故大小磁铁的磁力耦合作用始终存在而且大、小磁铁始终同步转动。大磁铁装配与传感器壳体的轴向有效间隙设计值为24-26mm，大磁铁装配与小磁铁装配的轴向有效间隙设计值为24-26mm(考虑机车轮对与轴箱的最大横动量为±15mm)(轴箱盖外端距轴端70±5mm)，径向有效间隙半径设计值为5-8mm；保证了轴端传动部分和传感端传动部分始终为非接触状态。总装配除大磁铁装配以外，传感器完全密封为一体，壳体20内部完全与外界隔离，小磁铁装配15、磁铁传动轴17、轴承19、光栅盘18、模块21及传感器壳体20内部不受外界雨水、粉尘等的干扰。集成芯片22安装在外罩23内部，线路输出接口与原传感器接口一致。该传感器采用智能模块电路系统作为数据传输装置，具体结构如下：

(1)基本原理

智能模块将脉冲生成部分产生的两路互差900电角度的不规则矩形脉冲，经过变换，形成4路测速方波脉冲，用现场总线(CAN)输出。用串行通讯的方式直接输出运行速度的数值、行驶方向并监测本传感器的运行或故障状态，具有很强的智能化功能。

(2)基本电路

传感器智能模块的电路如图所示(图5)。智能集成芯片(IC)SPMC75的输入为两路脉冲pusle_in1、pusle_in2和±15V电源，两路脉冲经过智能集成芯片(IC)运算变换为4路脉冲pusle_out1到pusle_out4经CAN总线的通信信号输出。采用智能集成芯片和现场总线(CAN)输出技术，使得互差900电角度的不规则矩形脉冲在调整上更为简单，在精度上更为准确。输出通道也有了很大地扩展。

Claims (6)

1、磁传动列车光电速度监测方法，采用光电速度传感技术采集列车速度信号，且速度信号是从车轴上采集到的，其特征在于：转速传感器的速度信号采集是通过非接触式传动机构，利用磁传动原理，使得传感器数据采集装置通过磁力实现与车轴的非接触式传动，转速传感器数据采集是利用磁力非接触式传动机构通过车轴采集到的；在车轴与传感器数据采集装置之间设置一磁力传动机构，使得列车监测数据通过磁力传动机构传递到传感器数据采集装置，传感器数据采集装置为光栅脉冲机构，采用两个以上光源，经车轴与传感器数据采集装置之间的磁力传动机构使光栅盘变为断续光，致使转速传感器内光断续器中的光敏二极管通断运行，经智能集成芯片将两路脉冲变换为四路或多路脉冲，再经CAN总线输出。

2、如权利要求1所述的磁传动列车光电速度监测方法，其特征在于：所述的磁力传动机构为磁力耦合方式或磁力驱动方式，这两种传动方式均使轮轴与传感器处于非接触状态。

3、一种磁传动列车光电速度监测装置，包括车轴(6)和传感器数据采集装置(7)，且传感器数据采集装置(7)为光栅脉冲机构，其特征在于：车轴(6)与传感器数据采集装置(7)之间的设有磁力传动机构(8)；车轴(6)与传感器数据采集装置(7)之间为磁力传动的非接触式传动，并通过两个或多个光源，经车轴(6)与传感器数据采集装置(7)间所述磁力传动机构(8)使光栅盘变为断续光，致使转速传感器(10)内光断续器中的光敏二极管通断运行，经智能集成芯片将两路脉冲变换为四路或多路脉冲，再经CAN总线输出。

4、如权利要求3所述的磁传动列车光电速度监测装置，其特征在于：所述的磁力传动机构(8)为磁力耦合装置或磁力驱动装置。

5、如权利要求3所述的磁传动列车光电速度监测装置，其特征在于：所述的磁力传动机构(8)为磁力耦合装置，用永磁材料按照4、6、8、12、16…的极对数组成磁力耦合器，大端磁套安装在轮对上，小端磁力轴与传感器转轴联接，车轮轴与传感器转轴不同心度≤6mm，轮轴自由横向移动量＞30mm。

6、如权利要求3所述的磁传动列车光电速度监测装置，其特征在于：所述的磁力传动机构(8)为磁力驱动装置，用永磁材料按照2、4极对数面对面直接驱动，安装在轮轴端的磁极对数与安装在传感器转轴端的磁极对数相等，主要技术条件：面对面的磁距离为：10～80mm；两轴的不同心度≤6mm。

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