非接觸式列車光電速度傳感器的製作方法

2023-05-19 00:24:36 2

專利名稱：非接觸式列車光電速度傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種列車運行監控數據的採集裝置，尤其是指一種列車速度檢測數據的採集裝置。主要用於直接向列車運行監控裝置提供準確的信號。可以用於從軸上進行採集各種列車速度、定位等信號。
背景技術：
列車速度傳感器是列車安全運行控制裝置的重要部件。主要用於直接向列車運行監控裝置提供準確的速度信號，以防止列車以高於道岔允許的最高速度通過岔區；以防止列車以高於運行區段線路允許的最高速度運行；以防止高於機車、車輛構造允許的最高速度運行；以防止在特殊條件下高於規定的速度運行它，如調車作業、列車倒溜及在自動閉塞區間，當關閉地面信號時等情況下；當列車速度超過上述規定的允許值時，發出報警提示及常用制動或緊急制動指令，因此速度傳感器也是列車安全運行裝備的重要部件之一。多年來，鐵路相關科研部門及企業對列車速度傳感器做了大量的研究和改進工作。目前採用的有四種類型的光電速度傳感器(其它磁電速度傳感器、永磁式速度傳感器由於其可靠性、準確性等原因已被淘汰，此後不再敘述)，可以互換使用。最新型的有兩種，即TQG9型和TQG15型光電速度傳感器。這幾種速度傳感器在原理、結構上基本相同，這些速度傳感器的基本原理是用一個光源(發光二極體)經由隨車輪一起轉動的光柵盤變為均勻的斷續光，致使光斷續器中的光敏二極體通斷運行，經電路的放大整形後，輸出與轉速成比例的方波脈衝序列。速度傳感器由支撐結構、轉軸及萬向聯軸機構和光電轉換電路系統三部分組成。光柵盤固定在轉軸軸伸端部，轉軸由軸承支撐在底座上，軸承潤滑採用鋰基潤滑脂。靠光柵軸伸端，轉動部分採用機械橫豎迷宮密封結構；靜止部分採用可塑密封膠密封；轉軸為萬向聯軸節的單叉節，萬向軸共設有8個滾針軸承，保證轉動的靈活性，萬向聯軸節輸出端機械接口為帶彈性方榫萬向聯軸節。光敏探頭安置在光柵盤兩側，並安裝在底座上，電纜引出線固定在底座上並用耐油橡膠管防護，護管與底座採用衝壓箍緊帽密封。傳感器安裝在安裝座上即機車軸箱外蓋開孔處。萬向聯軸節輸出彈性榫插入車輪方孔座中。安裝時，在車輪輪軸4軸端方孔四壁均勻塗一薄層潤滑脂，以保證彈性方榫四滑板與方孔座四壁滑動靈活。但現有光電轉速傳感器尚存在一些不足。目前採用的光電轉速傳感器其萬向聯軸傳動機構、光電轉換電路系統基本相同，這兩部分也是光電轉速傳感器的核心部分。這兩部分的可靠性、技術性決定了傳感器性能的優劣。從目前運用效果來看四種類型的光電轉速傳感器普遍存在以下四個方面的問題
1.機械故障較多這類光電轉速傳感器採用萬向聯軸傳動機構，其萬向聯軸節輸出彈性方榫插入車輪方孔座中連接轉動。由於車輪慣量較大，當輪對高速旋轉和通過曲線、道岔、軌縫等情況時，輪對會發生橫向移動(最大移動量為30mm)，徑向跳動、縱向衝擊時，易造成帶彈性方榫萬向聯軸節、支撐軸承、轉軸等機械部件發生損壞，尤其是在線路條件較差的情況下，機械故障率會大幅度上升。通常情況下，還要加強對彈性方榫的檢查和添加插入部分的潤滑脂，否則也會增加機械故障率。總之採用這種萬向聯接傳動機構必然會導致傳感器發生機械故障甚至損壞(傳感器難以承受輪對的衝擊慣量)。
2.光源汙染嚴重這類光電傳感器是用一個光源經隨輪軸轉動的光柵盤變為斷續光，由於是萬向聯軸節，這種傳動機構直接與車輪軸箱內腔聯通，在結構上無法實現全密封狀態，光柵盤的汙染會使光信號失真，相互產生汙染。首先是0.2mm的光槽極易受到汙染，其次是光柵盤也易受到汙染。
3.輸出波形失真度大光電轉換電路系統，是由光斷路器中的光敏二極體通斷運行，經電路的放大整形後，輸出與轉速成比例的方波脈衝序列。由於光柵盤、轉軸的加工精度造成方波脈衝失真，因此在放大整形電路中採用電位器或可變電阻進行調整，其精度難以保證。
4.功能擴展性差一是採用萬向聯動機構難以滿足列車提速的要求，這種結構本身易造成機械故障，最高轉速為1000r/min時，列車速度為198～235km/h，當列車速度達到300km/h左右時，傳感器轉速為1300～1500r/min，此時對傳動機構的要求更高，這種傳感器難以滿足要求。
二是速度信號是列車安全運行、性能控制採用最廣泛的信號之一，應有多路脈衝信號輸出，受原結構和電路限制最多輸出四路脈衝信號，如要擴散難度較大。
通過上述描述，可以得知現有的速度傳感器尚存在一些不足，因此很有必要對此加以改進。
實用新型內容本實用新型的目的在於針對現有光電轉速傳感器的數據採集方法的不足，提出一種機械故障少，光源汙染輕的新型列車檢測數據的採集裝置，尤其是一種列車速度檢測數據的採集裝置。
根據本實用新型的目的所提出的技術實施方案是包括列車速度數據輸出裝置與速度數據傳感器檢測裝置，在列車速度數據輸出裝置與速度數據檢測裝置之間採用非接觸式傳動方式連接，在列車速度數據輸出裝置與速度數據傳感器檢測裝置之間有一用於傳遞列車速度數據的非接觸式傳動裝置。傳感器數據採集是通過非接觸式傳動裝置到列車速度數據輸出裝置上通過非接觸式傳動方式採集到的。其具體方式是在列車檢測數據發生裝置與速度數據傳感器檢測裝置之間設置一非接觸式傳動裝置，非接觸式傳動裝置可以是一種磁力傳動機構，主要分為兩大類傳動方式，一是磁力偶合方式，二是磁力驅動方式。磁力傳動機構這兩種傳動方式均使輪軸與傳感器處於非接觸狀態，使得列車檢測數據通過非接觸式傳動裝置傳遞到速度數據傳感器檢測裝置，速度數據傳感器檢測裝置可以是常規的光柵脈衝機構，但速度數據傳感器檢測裝置的光柵部分是採用全密封結構。這樣輪軸的巨大慣量無法傳遞到傳感器上，傳感器轉動部分的載荷極小，機械故障幾乎為零，可以有效解決萬向聯軸傳動機構造成機械故障率頻繁的弊端，並使大幅度提高傳感器轉速成為可能。其可靠性將大幅度提高。
本實用新型採用非接觸式傳動裝置連接列車檢測數據發生裝置與速度數據傳感器檢測裝置，有效解決了現有傳感器頻繁發生的機械故障，在保持新產品的先進性、技術性的前提下，又能滿足既有產品的通用性、互換性，磁傳動機構的外部接口與所有轉速傳感器外接口保持一致。同時，由於採用非接觸式傳動機構，傳感器部分可以完全密封，所以對於檢測數據採集裝置採用全密封結構，無論軸箱內腔的汙染源還是外界汙染源都將無法侵入傳感器內部，克服了光源汙染的難題。它將會在鐵路的各個領域產生深遠影響，也必將為迅猛發展的高速鐵路提供有力的技術支持。


圖1非接觸式傳動裝置原理結構示意圖；圖2磁力偶合方式原理示意圖；圖3磁力驅動方式原理示意圖；圖4磁偶合傳動方式實施例結構示意圖。
圖中1、列車檢測數據發生裝置；2、非接觸式傳動裝置；3、速度數據傳感器檢測裝置；4、軸箱外蓋；5、輪軸；6、磁力傳動機構與輪軸連接部分；7、磁力偶合器；8、傳感器軸；9、磁引力傳動機構；10、大磁鐵部件(車軸端磁鐵)；11、防塵罩；12、小磁鐵部件(傳感端磁鐵)；13、殼體；14、傳動軸；15、軸承；16、密封圈；17、密封墊；18、光柵盤；19、模塊；20、集成晶片；21、外罩。
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的描述。
從附圖1可以看出，本實用新型是一種列車速度檢測數據的採集裝置，包括列車速度數據輸出裝置1和速度數據傳感器檢測裝置3，在列車速度數據輸出裝置1與速度數據傳感器檢測裝置3之間採用非接觸式傳動方式連接，在列車速度數據輸出裝置1與速度數據傳感器檢測裝置3之間有一用於傳遞列車速度數據的非接觸式傳動裝置2。傳感器數據採集是通過非接觸式傳動裝置2到列車速度數據輸出裝置1上通過非接觸式傳動方式採集到的。其具體方式是在列車檢測數據發生裝置1與速度數據傳感器檢測裝置3(即轉速傳感器)之間設置一用於傳遞列車速度數據的非接觸式傳動裝置2，使得列車檢測數據通過非接觸式傳動裝置2傳遞到速度數據傳感器檢測裝置3，所述的非接觸式傳動裝置2主要分為兩大類傳動方式，一是磁力偶合方式(見附圖2)，二是磁力驅動方式(見附圖3)。這兩種傳動方式均使輪軸與傳感器處於非接觸狀態傳感器數據採集裝置3為光柵脈衝機構，採用兩個以上光源(發光二極體)列車檢測數據發生裝置1與傳感器數據採集裝置3之間的非接觸式傳動裝置2使光柵盤變為斷續光，致使轉速傳感器內光斷續器中的光敏二極體通斷運行，經智能集成晶片(IC)將兩路脈衝變換為四路(或多路)脈衝，再經CAN總線輸出。這樣可以解決萬向聯軸傳動機構造成機械故障率頻繁的弊端，此種狀態中的非接觸式傳動機構不受輪對巨大慣量的衝擊，轉軸負載較小，機械故障率幾乎為零，並使大幅度提高傳感器轉速成為可能。且磁傳動機構的外部接口與所有轉速傳感器外接口保持一致，這樣在保持新產品的先進性、技術性的前提下，又能滿足既有產品的通用性、互換性。同時，由於採用非接觸式傳動機構，轉速傳感器仍套裝在軸箱端部4上，但傳感器部分可以完全密封，所以對於撿測數據採集裝置採用全密封結構，無論軸箱內腔的汙染源還是外界汙染源都將無法侵入傳感器內部，克服了光源汙染的難題。此外，還採用智能集成晶片和現場總線(CAN)輸出，有效解決了方波脈衝失真度和脈衝輸出通道受限的困難。
主要技術條件和參數所有技術條件滿足TB的相關條件並優於原傳感器的各項技術參數，其中轉速測試範圍可達到0～3000r/min(原指標為0～1000y/min)。
實施方式一採用磁力偶合方式，該種方法是採用輪軸5作為列車檢測數據發生裝置1，且速度數據傳感器檢測裝置3是套裝在軸箱外蓋4上的，非接觸式傳動裝置2為通過分別安裝在與輪對5相接的磁力傳動機構與輪軸連接部分6和傳感器軸8上的磁力偶合器7構成。用新型的永磁材料(釹鐵錋)按照4、6、8、12、16…的極對數組成磁力偶合器7，如圖2所示。大端磁套安裝在與輪對5相接的磁力傳動機構與輪軸連接部分6上，小端磁力軸安裝在傳感器軸8上。當車輪旋轉時，在磁扭力的作用下，驅動傳感器軸與輪軸非接觸式同步旋轉。主要技術條件車輪軸與傳感器轉軸不同心度≤6mm，輪軸自由橫向移動量＞30mm。
實施方式二採用磁力驅動方式，該種方法與實施方式一不同的是，非接觸式傳動裝置2為非接觸式磁引力傳動機構9，磁引力傳動機構9是通過分別安裝在磁力傳動機構與輪軸連接部分端面和傳感器軸端面上的平面磁塊構成。用永磁材料(釹鐵錋)按照2.4極對數面對面直接驅動(如圖3所示)。驅動磁塊分別安裝在輪對軸與傳感器軸的兩邊的連接部件端面上，安裝在輪軸端的磁極對數與安裝在傳感器軸端的磁極對數相等，當輪軸旋轉時，在磁引力的作用下，帶動傳感器端的轉軸與輪軸非接觸式同步旋轉。主要技術條件面對面的磁距離為10～80mm；兩軸的不同心度≤6mm。
具體實施例一圖4給出了一種磁偶合傳動方式的具體實施例，從附圖中可以看出本實施例的非接觸式列車光電速度傳感器主要包括大磁鐵部件(車軸端磁鐵)10、防塵罩11、小磁鐵部件(傳感端磁鐵)12、殼體13、傳動軸14、軸承15、密封圈16、密封墊17、光柵盤18、模塊19、集成晶片20、外罩21。採用磁力實現非接觸式傳動，兩個(或多個)光源(發光二極體)經車軸與軸箱間的磁力傳動機構使光柵盤變為斷續光，致使光斷續器中的光敏二極體通斷運行，經智能集成晶片(IC)將兩路脈衝變換為四路(或多路)脈衝，再經CAN總線輸出。大磁鐵部件10安裝在帶有方軸的磁狄托上，方軸插入車軸端部的方孔內並由脹緊方式脹緊。傳動軸14一端安裝小磁鐵部件12，另一端安裝光柵盤18；傳動軸14由兩個不同型號的軸承15支撐在殼體13內。起止口作用的防塵罩11將小磁鐵部件12和傳感器軸等密封在殼體13的左端。外罩21將光柵盤18和摸塊19等密封在殼體13的右端。當車軸轉動時，帶動大磁鐵部件10轉動；由於大、小磁鐵間的磁力偶合作用，使小磁鐵隨大磁鐵同步轉動，致使小磁鐵12、傳動軸14、光柵盤18一起轉動，並與大磁鐵部件為非接觸狀態。由於大、小磁鐵在軸向始終有足夠的磁鐵搭接量，故大小磁鐵的磁力偶合作用始終存在而且大、小磁鐵始終同步轉動。大磁鐵部件與傳感器殼體的軸向有效間隙設計值為24-26mm，大磁鐵部件與小磁鐵部件的軸向有效間隙設計值為24-26mm(考慮機車輪對與軸箱的最大橫動量為±15mm)(軸箱蓋外端距軸端70±5mm)，徑向有效間隙半徑設計值為5-8mm；保證了軸端傳動部分和傳感端傳動部分始終為非接觸狀態。總裝配除大磁鐵部件以外，傳感器完全密封為一體，殼體13內部完全與外界隔離，小磁鐵部件12、傳動軸14、軸承15、光柵盤18、模塊20及殼體13內部不受外界雨水、粉塵等的幹擾。集成晶片20安裝在外罩21內部，線路輸出接口與原傳感器接口一致。該傳感器採用智能模塊電路系統作為數據傳輸裝置。
本實用新型的基本原理是智能模塊將脈衝生成部分產生的兩路互差900電角度的不規則矩形脈衝，經過變換，形成4路測速方波脈衝，用現場總線(CAN)輸出。用串行通訊的方式直接輸出運行速度的數值、行駛方向並檢測本傳感器的運行或故障狀態，具有很強的智能化功能。
權利要求1.非接觸式列車光電速度傳感器，包括列車速度數據輸出裝置(1)和速度數據傳感器檢測裝置(3)，在列車速度數據輸出裝置(1)與速度數據傳感器檢測裝置(3)之間採用非接觸式傳動方式連接，在列車速度數據輸出裝置(1)與速度數據傳感器檢測裝置(3)之間有一用於傳遞列車速度數據的非接觸式傳動裝置(2)。
2.如權利要求1所述的非接觸式列車光電速度傳感器，其特徵在於所述的非接觸式傳動裝置(2)是磁力偶合方式，採用輪軸(5)作為列車檢測數據發生裝置(1)，且速度數據傳感器檢測裝置(3)是套裝在軸箱外蓋(4)上的，非接觸式傳動裝置(2)為通過分別安裝在與輪對(5)相接的磁力傳動機構與輪軸連接部分(6)和傳感器軸(8)上的磁力偶合器(7)構成。
3.如權利要求1或2所述的磁傳動列車光電速度檢測方法，其特徵在於所述的磁力偶合方式是用永磁材料，按照4、6、8、12、16的極對數組成磁力偶合器(7)，大端磁套安裝在與輪對(5)相接的磁力傳動機構與輪軸連接部分(6)上，小端磁力軸安裝在傳感器軸(8)上，當車輪旋轉時，傳感器軸與輪軸非接觸式同步旋轉。
4.如權利要求1所述的非接觸式列車光電速度傳感器，其特徵在於所述的非接觸式傳動裝置(2)是磁力驅動方式，採用輪軸(5)作為列車檢測數據發生裝置(1)，且速度數據傳感器檢測裝置(3)是套裝在軸箱外蓋(4)上的，非接觸式傳動裝置(2)為非接觸式磁引力傳動機構(9)，磁引力傳動機構(9)是通過分別安裝在磁力傳動機構與輪軸連接部分端面和傳感器軸端面上的平面磁塊構成。
5.如權利要求1或4所述的非接觸式列車光電速度傳感器，其特徵在於所述的磁力驅動方式是用永磁材料，按照2、4極對數面對面直接驅動，驅動磁塊分別安裝在輪對軸與傳感器軸的兩邊的連接部件端面上，安裝在輪軸端的磁極對數與安裝在傳感器軸端的磁極對數相等，當輪軸旋轉時，傳感器端的轉軸與輪軸非接觸式同步旋轉。
6.如權利要求1所述的非接觸式列車光電速度傳感器，其特徵在於所述的非接觸式列車光電速度傳感器包括大磁鐵部件(10)、防塵罩(11)、小磁鐵部件(12)、殼體(13)、傳動軸(14)、軸承(15)、密封圈(16)、密封墊(17)、光柵盤(18)、模塊(19)、集成晶片(20)、外罩(21)，採用磁力實現非接觸式傳動，大磁鐵部件(10)安裝在帶有方軸的磁狄托上，方軸插入車軸端部的方孔內並由脹緊方式脹緊，傳動軸(14)一端安裝小磁鐵部件(12)，另一端安裝光柵盤(18)；傳動軸(14)由兩個不同型號的軸承(15)支撐在殼體(13)內；起止口作用的防塵罩(11)將小磁鐵部件(12)和傳感器軸等密封在殼體(13)的左端；外罩(21)將光柵盤(18)和摸塊(19)等密封在殼體(13)的右端；當車軸轉動時，帶動大磁鐵部件(10)轉動，且由於大、小磁鐵間的磁力偶合作用，使小磁鐵隨大磁鐵同步轉動，致使小磁鐵(12)、傳動軸(14)、光柵盤(18)一起轉動，並與大磁鐵部件為非接觸狀態。
7.如權利要求1或6所述的非接觸式列車光電速度傳感器，其特徵在於所述的大磁鐵部件與傳感器殼體的軸向有效間隙設計值為24-26mm，大磁鐵部件與小磁鐵部件的軸向有效間隙設計值為24-26mm，徑向有效間隙半徑設計值為5-8mm，總裝配除大磁鐵部件以外，傳感器完全密封為一體，殼體(13)內部完全與外界隔離；集成晶片(20)安裝在外罩(21)內部，線路輸出接口與原傳感器接口一致。
專利摘要非接觸式列車光電速度傳感器，包括列車速度數據輸出裝置與速度數據傳感器檢測裝置，在列車速度數據輸出裝置與速度數據檢測裝置之間採用非接觸式傳動方式連接，在列車速度數據輸出裝置與速度數據傳感器檢測裝置之間有一用於傳遞列車速度數據的非接觸式傳動裝置。傳感器數據是通過非接觸式傳動裝置到列車速度數據輸出裝置上通過非接觸式傳動方式採集的。非接觸式傳動裝置可以是磁力傳動機構，主要分為兩大類傳動方式，一是磁力耦合方式，二是磁力驅動方式。磁力傳動機構使得列車檢測數據通過非接觸式傳動裝置傳遞到速度數據傳感器檢測裝置，速度數據傳感器檢測裝置可以是常規的光柵脈衝機構，且速度數據傳感器檢測裝置的光柵部分為全密封結構。
文檔編號G01D5/244GK2906557SQ20062005105
公開日2007年5月30日 申請日期2006年5月22日 優先權日2006年5月22日
發明者左立民, 馮嘉莉, 屈圭, 馮葆勵, 張佰民, 羅芳 申請人:株洲天利鐵路機車車輛配件有限公司