新型客車軸端接地裝置彈簧壓力試驗臺的研究

毛朝暉 傅佩喜 陳 娟 上海鐵路局科學技術研究所

25T等新型客車接地裝置主要由4個碳刷柱、4個渦卷彈簧、1跟接地線、1個保護罩、1只端蓋及相關防松件、緊固件等零件構成（如圖1所示）。其工作原理是：由接地線將車體上的電流通過四個碳刷直接傳遞至車軸，再通過車輪與鋼軌形成接地回路。

圖1 客車軸端接地裝置

接地裝置是25T等新型客車接地系統重要組成部分之一，它的主要作用是防止電流通過客車軸承產生電蝕而危及行車安全。故它的技術狀態直接關系到列車用電系統的接地可靠性和運行的安全性。碳刷與車軸端面的接觸狀態，是該接地系統是否良好的關鍵，而4個渦卷彈簧的彈簧壓力，又是碳刷正常工作的基本保證。對該彈簧的技術要求，鐵道部已有明確規定，如何檢測就成為生產現場必須解決的問題。為此，我們在路局立項進行了專題研究。

1 技術要求

根據鐵道部《客車軸端接地裝置檢修規程》的規定，接地裝置的主要技術要求如下：

（1）舊接地裝置彈簧壓縮25mm時，每個碳刷的壓強不小于50kPa;

（2）舊接地裝置更換新彈簧時，碳刷的壓強不小于65kPa，且4個碳刷的壓強與平均值的偏差不超過10%;

（3）新接地裝置彈簧壓縮25mm時，碳刷的壓強不小于65kPa，且4個碳刷的壓強與平均值的偏差不超過10%;

（4）新接地裝置的4個碳刷高度差不得大于1.5mm;

（5）舊接地裝置的4個碳刷高度差不得大于3.0mm。

2 系統簡介

2.1 機械結構

該系統的機械結構主要由二柱絲杠機構、轉盤座組成。轉盤座用以安裝接地裝置，可以90/360度旋轉。二柱絲杠機構帶動壓力測力計及位移傳感器上下移動。

2.2 系統工作原理

計算機控制驅動垂直方向的步進電機1帶動測力計向下移動，當測力計與接地裝置的一個碳刷接觸時，控制計算機獲取此時的位移傳感器數值L1。步進電機1繼續帶動測力計繼續向下運動25mm，獲取測力計的值P1。步進電機1帶動測力計向上運動至測力計與碳刷有一段距離，步進電機2帶動接地裝置旋轉90度。繼續下一個碳刷的檢測，直至4個碳刷完全檢測完畢（系統工作原理詳見圖2）。

圖2 系統工作原理示意圖

2.3 控制系統組成

系統由位移傳感器數據采集系統、測力計數據采集系統、開關量采集系統、步進電機驅動控制系統、控制計算機組成。

2.3.1 位移傳感器數據采集系統

（1）位移傳感器天沐NS-WY03用以測量的量程為300mm，精度為0.2%FS,電流為4~20(mA)，由于位移傳感器輸出的信號是電流信號，因此在送入A/D數據采集卡轉換前，需將此信號轉換成電壓信號。

（2）A/D數據采集卡Advantech PCI-1713板卡，該PCI總線式板卡可直接與工控機聯機，同時能與工控機很好地兼容。PCI-1713是12位分辨率、32路模擬量輸入、100K采樣頻率的數據采集和模數轉換集成板卡。

PCI-1713提供單端輸入和差分輸入兩種方式。

單端輸入時，輸入信號均以共同的地線為基準。這種輸入方法主要應用于輸入信號電壓較高(高于1V)，信號源到模擬輸入硬件的導線較短(低于15feet)，且所有的輸入信號共用一個基準地線。如果信號達不到這些標準，此時應該用差分輸入。對于差分輸入，每一個輸入信號都有自有的基準地線。由于共模噪聲可以被導線所消除，所以差分輸入可以減小噪聲誤差。

單端輸入時,是判斷信號與 GND的電壓差；差分輸入時,是判斷兩個信號線的電壓差。對于差分輸入，當信號受干擾時,差分的兩線會同時受影響,但電壓差變化不大，因此差分輸入方式的抗干擾性能較佳。而單端輸入的一線變化時，由于GND不變,所以電壓差變化較大，因此單端輸入的抗干擾性能較差。

差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優勢體現在以下三個方面：

(1)抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

(2)能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

(3)時序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號技術。

本系統中我們采用差分輸入方式，其原理如圖3所示。

傳感器的電流輸出范圍為4-20mA，經計算5V/20mA,取R1=240Ω，R2=10Ω。為提高轉換精確度和降低噪聲影響，數據采集卡PCI-1713采用差分的方式采集數據，即采用（V0-V1）的差分算法，這樣可以很好的消除共模電壓Vcm的影響。

由于傳感器信號較弱，容易引入交流干擾，所以在輸出端同地之間并聯100uF/50V到470uF/50V電容C1，來提高信號的抗干擾能力。

圖3 差分信號采集電路圖

設位移傳感器的長度值為length,其對應的A/D轉換后的數字量為AvgBinaryArrayRec。

當length為0mm時，傳感器的輸出電流4mA，AvgBinaryArrayRec為 4×240×4096/5000;

當length為300mm時，傳感器的輸出電流20mA，Avg－BinaryArrayRec為20×240×4096/5000。根據線性關系有：Length=(AvgBinaryArrayRec-4×240×4096/5000)×300/(20×240×4096/5000-4×240×4096/5000)

2.3.2 開關量采集系統

系統設計兩個開關量，一個是測力計與碳刷柱接觸時，向主機發出信號；另一個是接地裝置旋轉90度時向主機發出信號。

我們使用了一塊PCI-1751，用以獲取兩個開關量的值以及為步進電機驅動器提供脈沖、方向、脫機信號。

PCI-1751是一塊基于PCI總線的48位數字量I/O卡，還提供一個計數器和2個16位的定時器。該采集系統的原理如圖4所示：

圖4 開關量采集系統電原理圖

當測力計與碳刷柱離開時，k1打開，光電耦合TLP521-4A的1通道斷開，PCI-1751的1號腳為高電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態；

當測力計與碳刷柱離開時，k1閉合，光電耦合TLP521-4A的1通道打開，PCI-1751的1號腳為低電平電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態；當接地裝置旋轉小于90°時，k2打開，光電耦合TLP521-4A的2通道斷開，PCI-1751的2號腳為高電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態；

當接地裝置旋轉90°時，k2閉合，光電耦合TLP521-4A的2通道打開，PCI-1751的2號腳為低電平電平，工控機用PCI的驅動程序獲取該狀態；

2.3.3 步進電機驅動控制系統

步進電機驅動器SH-30806。我們采用森創三相混合式步進電機細分驅動器SH-30806,供電電源為24V-70VDC,容量0.2kVA;正弦波細分恒流驅動；最大輸出電流6A/相；最大3000步/轉的十六種細分模式可選；輸入信號光電隔離。

驅動器的輸入信號：驅動器端口內置光耦，光耦導通一次被驅動器解釋為一個有效脈沖。對于共陽極而言，低電平有效（共陰極為高電平有效），此時驅動器將按照相應的時序驅動電機運行一步。單脈沖模式時此信號端作為脈沖輸入信號，雙脈沖模式時此信號作為正轉脈沖輸入信號。為了確保脈沖信號的可靠相應，光耦每次導通的持續時間不應少于10μs。本信號的相應頻率200kHz,過高的頻率可能得不到正確的相應。本系統采用單脈沖模式。

方向信號輸入：單脈沖模式下該信號作為控制電機的轉向信號，該端內部光耦的通、斷被解釋為控制電機運行的兩個方向?？刂齐姍C轉向時，應確保方向信號領先脈沖信號至少10μs建立，從而避免驅動器對脈沖的錯誤響應。雙脈沖模式下，該信號作為反轉的脈沖輸入信號，光耦導通一次被驅動器解釋為一個有效脈沖。為了確保脈沖信號的可靠相應，光耦每次導通的持續時間不應少于10μs

脫機信號輸入：內部光耦處于導通狀態時電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態（脫機狀態）。光耦關斷后電機電流恢復到脫機前的大小方向。當不需用此功能時，脫機信號端可懸空。

該電路的電機控制原理如圖5所示：

圖5 電機控制原理圖

控制計算機控制PCI-1751的28腳發出脈沖信號，經過TLP627光耦產生24V的脈沖信號，為電機驅動器提供脈沖信號。

控制計算機控制PCI-1751的10腳的高低電平，通過TLP627光耦給電機驅動器提供方向信號，從而控制步進電機1的正向和方向運轉。

控制計算機控制PCI-1751的11腳的高低電平，通過TLP627光耦給電機驅動器提供脫機信號，從而控制步進電機1的運轉和停止（步進電機2的控制信號原理同步進電機1）。

2.3.4 測力計數據采集系統

測力計選用海寶HF-50，精度達到3‰F.S。用RS232串口與工控機連接。HF-50可以實時向工控機發送數據。工控機使用MSComm控件接收數據。Microsoft Communications Control（簡稱MSComm）是Microsoft公司提供的簡化windows下串行通信編程的ActiveX控件。MScomm控件通過串行口傳輸和接收數據。MScomm控件提供了兩種處理通信問題的方法：一是事件驅動方法，一種查詢法。

（1）事件驅動方式：事件驅動方式是處理串行口交互作用的一種非常有效方法。在許多情況下，在事件發生時需要得到通知，例如，在串口接收緩沖區中有字符，或者Carrier Detect（CD）或Request To Send(RTS)線上一個字符到達或一個變化發生時。OnComm事件還可以檢查和處理通信錯誤。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數中加入自己的處理代碼。這種方法的有點是程序相應及時，可靠性高。

（2）查詢方式：查詢方式的實質還是事件驅動，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個關鍵功能之后，可以通過檢查CommEvent屬性的值來查詢事件和錯誤。如果應用程序較小，并且是自保持的，那么這種方法可能是更可取的。例如，如果寫一個簡單的電話撥號程序，則沒有必要對每接收一個字符都產生事件，因為唯一等待接收的字符是調制解調器的“確定”相應。本系統中我們采用事件驅動方式。

3 結束語

軸端接地裝置試驗臺控制系統經過一年的試用，系統工作穩定。該控制系統涉及了位移傳感器、測力計、步進電機的應用。對有位移傳感器、測力計、步進電機的產品的設計研制具有一定的指導作用。