傳感器在高鐵中的應用.docVIP

1、 轉向架轉向架是支承車體并沿著軌道走行的裝置。轉向架是車輛最重要的組成部件之一，它的結構是否合理直接影響車輛的運行品質、動力性能和行車安全。CHR1動車組轉向架上安裝有用于多個系統(tǒng)用的速度傳感器。速度傳感器(1)光電式車速傳感器-由帶孔的轉盤兩個光導體纖維，一個發(fā)光二極管，一個作為光傳感器的光電三極管組成。發(fā)光二極管透過轉盤上的孔照到光電二極管上實現(xiàn)光的傳遞與接收。(2)磁電式車速傳感器-模擬交流信號發(fā)生器，產生交變電流信號，通常由帶兩個接線柱的磁芯及線圈組成。磁組輪上的逐個齒輪將產生一一對應的系列脈沖，其形狀是一樣的。輸出信號的振幅與磁組輪的轉速成正比(車速)，信號的頻率大小表現(xiàn)于磁組輪的轉速大小。(3)霍爾式車速傳感器-它們主要應用在曲軸轉角和凸輪軸位置上，用于開關點火和燃油噴射電路觸發(fā)，它還應用在其它需要控制轉動部件的位置和速度控制電腦電路中。由一個幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部分的磁路組成，一個軟磁鐵葉片轉子穿過磁鐵和磁極間的氣隙，在葉片轉子上的窗口允許磁場不受影響的穿過并到達霍爾效應傳感器，而沒有窗口的部分則中斷磁場。紅外軸溫探測傳感器列車在運行中，車軸與軸承相互摩擦產生熱能。當車軸與軸承間出現(xiàn)故障時，摩擦力增大，產生的熱能就隨之增加,軸箱的溫度也隨之升高。因此,測定軸箱的溫度變化，可以確定軸箱的工作狀態(tài)是否正常。鐵路行車早期，采用手摸軸箱的辦法來判斷溫度的變化情況，并以手的感覺來確定車輛與軸承間的工作狀態(tài)。采用這種方法，檢測人員勞動強度大，效率低，而且人的手感有差異，沒有標準。紅外線軸溫探測設備由探頭、軸溫信息處理裝置、傳輸線路、信號報警裝置等部分組成。探頭由光敏器件和光電轉換器件組成。軌道清障器CHR1動車組兩個端部轉向架上各裝有一個軌道清障器，用來防止軌道有異物導致出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。2、 弓網系統(tǒng)電弓是電力牽引機車從接觸網取得電能的電氣設備，安裝在機受車或動車車頂上。受電弓與接觸電網直接接觸，為電力機車提供電力。（包括高壓牽引電機電力以及車廂照明等低壓電力）受電弓可分單臂弓和雙臂弓兩種，菱形受電弓，也稱鉆石受電弓，以前非常普遍，后由于維護成本較高以及容易在故障時拉斷接觸網而逐漸被淘汰，近年來多采用單臂弓（圖）。弓網電弧是指由于接觸導線的不平順、接觸網的振動、受電弓弓頭的振動、軌道的不平順等多種因素的影響，受電弓與接觸導線在相對高速滑動中分離而產生的氣體放電現(xiàn)象。弓網電弧的危害有：侵蝕和磨損接觸導線和受電弓滑板；產生過電壓；產生高頻噪聲；使電力機車的供電質量下降等針對以上問題，人們提出許多應對方案，如最初的人工觀察記錄的方法，到后來的檢測車，再到現(xiàn)在的視頻監(jiān)測等。而隨著光開關，即光電傳感器技術的快速發(fā)展，這一技術也被用到了弓網離線電弧的檢測方面。由于受電弓離線時，受電弓上的電流為零，所以可通過檢測此時受電弓的電流狀態(tài)來測定離線。而這一檢測可通過光電傳感器來完成。激光位移傳感器對接觸線（車頂）位置和高度的準確測量對接觸網的監(jiān)控和安裝非常重要。恰當?shù)臒o接觸的接觸線測量系統(tǒng)已經為韓國高速鐵路公司（KHRC）和英國OLE聯(lián)盟所采用。激光三角掃描儀在運行中在線測量接觸線的高度和側面位置，另外5個激光傳感器安裝于車箱上，用于測量車箱的傾斜度、側面位移和軌道間距，所有的這些數(shù)據都可以圖形顯示，這套測量系統(tǒng)幾乎可在任何環(huán)境下操作（下雨、高溫或結霜天氣）。3、 制動系統(tǒng)閘瓦制動，又稱踏面制動，是自有鐵路以來使用最廣泛的一種制動方式。它用鑄鐵或其他材料制成的瓦狀制動塊（閘瓦）緊壓滾動著的車輪踏面，通過閘瓦與車輪踏面的機械摩擦將列車的動能轉變?yōu)闊崮埽⒂诖髿?，并產生制動力。其他制動方式除閘瓦制動外，鐵路機車車輛還有一些其他制動方式。（一）盤形制動盤形制動（摩擦式圓盤制動）是在車軸上或在車輪輻板側面裝上制動盤，一般為鑄鐵圓盤，用制動夾鉗使合成材料制成的兩個閘片緊壓制動盤側面，通過摩擦產生制動力，把列車動能轉變成熱能，消散于大氣。與閘瓦制動相比，盤形制動有下列主要優(yōu)點：（1）可以大大減輕車輪踏面的熱負荷和機械磨耗。（2）可按制動要求選擇最佳“摩擦副”（采用閘瓦制動時，作為“摩擦副”一方的車輪的構造和材質不能根據制動的要求來選擇），盤形制動的制動盤可以設計成帶散熱筋的，旋轉時它具有半強迫通風的作用，以改善散熱性能，為采用摩擦性能較好的合成材料閘片創(chuàng)造了有利的條件，適宜于高速列車。（3）制動平穩(wěn)，幾乎沒有噪聲。但是，盤形制動也有它不足之處：（1）車輪踏面沒有閘瓦的磨刮，輪軌粘著將惡化，所以，還要考慮加裝踏面清掃器（或稱清掃閘瓦），或采用以盤形為主、盤形加閘瓦的混合制動方式，否則，即使有防滑器，制動距離也比閘瓦制動要長。（2）制動盤使簧下重量及其引起的沖擊振動增大，運行中還要消耗牽引功率。盤形制動的制動力（二）磁軌制動磁軌制動（摩擦式軌道電磁制動）是在轉向架的兩個側架下面，在同側的兩個車輪之間，各安置一個制動用的電磁鐵（或稱電磁靴），制動時將它放下并利用電磁吸力緊壓鋼軌，通過電磁鐵上的磨耗板與鋼軌之間的滑動摩擦產生制動力，并把列車動能變?yōu)闊崮?，消散于大氣。參看圖415。磁軌制動的制動力式中K每個電磁鐵的電磁吸力；一一電磁鐵與鋼軌間的滑動摩擦系數(shù)。與閘瓦和盤形制動相比，磁軌制動的優(yōu)點是，它的制動力不是通過輪軌粘著產生的，自然也不受該粘著的限制。高速列車加上它，就可以在粘著力以外再獲得一份制動力，使制動距離不致于太長。磁軌制動的不足之處是，它是靠滑動摩擦來產生制動力的，電磁鐵要磨耗，鋼軌的磨耗也要增大，而且，滑動摩擦力無論如何也沒有粘著力大。所以，磁軌制動只能作為緊急制動時的一種輔助的制動方式，用于粘著力不能滿足緊急制動距離要求的高速列車上，在施行緊急制動時與閘瓦（或盤形）制動一起發(fā)揮作用。（三）軌道渦流制動軌道渦流制動又稱線性渦流制動或渦流式軌道電磁制動。它與上述磁軌制動（摩擦式軌道電磁制動）很相似，也是把電磁鐵懸掛在轉向架側架下面同側的兩個車輪之間。不同的是，軌道渦流制動的電磁鐵在制動時只放下到離軌面幾毫米處而不與鋼軌接觸。它是利用電磁鐵和鋼軌的相對運動使鋼軌感應出渦流，產生電磁吸力作為制動力，并把列車動能變?yōu)闊崮芟⒂诖髿狻＼壍罍u流制動既不通過輪軌粘著（不受其限制），也沒有磨耗問題。但是，它消耗電能太多，約為磁軌制動的10倍，電磁鐵發(fā)熱也很厲害，所以，它也只是作為高速列車緊急制動時的一種輔助制動方式。（四）旋轉渦流制動旋轉渦流制動（渦流式圓盤制動）是在牽引電動機軸上裝金屬盤，制動時金屬盤在電磁鐵形成的磁場中旋轉，盤的表面被感應出渦流，產生電磁吸力，并發(fā)熱消散于大氣，從而產生制動作用。與盤形制動（摩擦式圓盤制動）相比，旋轉渦流制動（渦流式圓盤制動）的圓盤雖然沒有裝在輪對上，但同樣要通過輪軌粘著才能產生制動力，也要受粘著限制。而且，與軌道渦流制動相似，旋轉渦流制動消耗的電能也太多。（五）電阻制動電阻制動廣泛用于電力機車、電動車組和電傳動內燃機車。它是在制動時將原來驅動輪對的自勵的牽引電動機改變?yōu)樗麆畎l(fā)電機，由輪對帶動它發(fā)電，并將電流通往專門設置的電阻器，采用強迫通風，使電阻發(fā)生的熱量消散于大氣，從而產生制動作用。（六）再生制動與電阻制動相似，再生制動也是將牽引電動機變?yōu)榘l(fā)電機。不同的是，它將電能反饋回電網，使本來由電能或位能變成的列車動能獲得再生，而不是變成熱能消散掉。顯然，再生制動比電阻制動在經濟上合算，但是技術上比較復雜，而且它只能用于由電網供電的電力機車和電動車組，反饋回電網的電能要馬上由正在牽引運行的電力機車或電動車組接收和利用。上述各種制動方式中，除磁軌制動和軌道渦流制動外，都要通過輪軌粘著來產生制動力并受粘著限制，所以習慣上統(tǒng)稱為“粘著制動”，并把不通過粘著者統(tǒng)稱為“非粘（著）制動”。制動機種類按制動原動力和操縱控制方法的不同，機車車輛制動機可分類為：手制動機、空氣制動機、真空制動機、電空制動機和電（磁）制動機。 動車組采用復合制動方式，即動車使用電制動空氣制動、拖車使用空氣制動的復合制動方式。 M車、T車的基礎制動裝置都是采用進行空油變換的增壓缸和油壓盤式裝置。4M4T的編組構成下，T車為全機械制動。 再生制動與空氣制動的切換，通過電空協(xié)調控制，由制動控制裝置判斷制動力，當再生制動力不足時由空氣制動補充。4、 列車控制系統(tǒng)列車運行控制系統(tǒng)是對列車速度進行自動控制的各種裝置的統(tǒng)稱, 主要由列車自動防護系統(tǒng)(A TP) 和列車自動運行系統(tǒng)(A TO) 組成。列車定位系統(tǒng)的基本功能: 能夠在任何時刻、任何地方按要求確定列車的位置, 包括列車行車安全的相關間隔、速度; 對軌旁設備和車載設備等資源進行分配和故障診斷; 在局部出現(xiàn)故障時, 能夠在滿足一定精度要求的前提下, 降級運行。高速鐵路已在發(fā)達國家取得了很大發(fā)展, 所采用的列車定位技術是多種多樣的。如法國AS2TREE 系統(tǒng)采用多普勒雷達進行測速定位; 北美ARES、PTC、PTS 系統(tǒng)采用GPS (全球定位系統(tǒng)) 進行定位; 歐洲ETCS、日本CARA T 系統(tǒng)采用查詢/ 應答器和速度傳感器進行定位; 德國L ZB系統(tǒng)采用軌間電纜進行列車定位; 美國AA TC 系統(tǒng)采用無線測距進行定位。（1）輪軸速度傳感器。目前采用的測速裝置,大多是光電式的。當車輪旋轉一周, 產生脈沖的個數(shù)是固定的, 通過對脈沖的計數(shù), 得到車輪的旋轉周數(shù), 通過已知的輪徑, 即可得到運行距離, 再除以計數(shù)時間就可得到運行速度。但是當輪徑由于磨損改變時, 會帶來誤差。此外在運行過程中, 車輪出現(xiàn)的滑行和空轉也會帶來誤差。目前采用鋪設用于位置校核的查詢/ 應答器來修正運行距離, 可以將誤差限制在要求的范圍內。（2） 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)( GPS) 。GPS 由位于地球上空24 顆衛(wèi)星和監(jiān)視管理這群衛(wèi)星的5 個地面站組成。這些衛(wèi)星用原子鐘作為標準時間, 24h 連續(xù)向地球播發(fā)精確的時間及位置信息。配有GPS接收機的用戶, 可在地球上任何地方、任何時刻收到衛(wèi)星播發(fā)的信息, 通過測量衛(wèi)星信號發(fā)射和接收的時間間隔, 計算出用戶至衛(wèi)星的距離, 然后根據4 顆衛(wèi)星的數(shù)據, 即可實時地確定用戶所在地理位置。GPS 定位的優(yōu)點是設備簡單, 成本低, 易于維護, 但在某些受地形、建筑或樹木遮蔽的地區(qū), 由于可捕獲衛(wèi)星的數(shù)目少于4 顆, 將導致定位精度顯著下降, 甚至無法應用。（3 ）慣性導航系統(tǒng)。慣性導航系統(tǒng)是通過加速度計和陀螺等慣性傳感器來測量角速度和加速度的數(shù)值, 進而通過積分獲得速度和位置信息。它的優(yōu)點是自主性強, 但由于其位置需要對加速度進行2次積分得到, 所以定位誤差會隨著時間的平方增長。光纖陀螺慣性系統(tǒng)能夠準確獲取高速列車實時運行中的狀態(tài)參數(shù), 特別是能夠分辨列車過道岔的信息, 從而可以準確判斷列車是在上行線還是在下行線行駛。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力是物體在加速過程中作用在物體上的力，可以是常量或變量。一般加速度傳感器根據壓電效應原理工作，加速度傳感器利用其內部由于加速度造成的晶體變形產生電壓，只要計算出產生的電壓和所施加的加速度之間的關系，就可將加速度轉化成電壓輸出。還有很多其他方法制作加速度傳感器，如電容效應、熱氣泡效應、光效應，但其最基本的原理都是由于加速度使某種介質產生變形，通過測量變形量并用相關電路轉化成電壓輸出。（4） 查詢/ 應答器。查詢/ 應答器是鋪設在軌道中央, 能夠給列車提供位置、路況等信息的裝置,分為有源和無源2 種。它可以用作連續(xù)式列車速度自動控制系統(tǒng)的列車精確定位設備, 也可以用作點式列車速度自動控制系統(tǒng)的列車檢測、定位輔助設備。顯然采用這種方法, 想要準確定位就必須在軌道上設置大量的應答器。（5）多普勒雷達。多普勒雷達通過多普勒頻移效應, 直接測量列車相對于雷達波反射面的速度,從而避免了車輪滑行、空轉和由于磨損導致輪徑改變而帶來的誤差。但是, 反射面的表面特性會對雷達的性能產生影響, 列車加速和制動導致的雷達波與反射面的夾角的改變也會影響定位的精度, 此外列車的振動也會帶來誤差。(6)交叉感應回線定位在整個軌道線路沿線鋪設電纜環(huán)線，電纜環(huán)線位于軌道中間，每隔一定的距離交叉一次。列車經過每個電纜交叉點時通過車載設備檢測環(huán)線內信號的相位變化（相位變化原理見圖6。并對相位變化的次數(shù)進行計數(shù)，從而確定列車運行的距離，達到對列車定位的目的。（7） 無線擴頻定位。在地面設置測距基站和中心控制站, 在列車二端安裝無線擴頻通信發(fā)射機,發(fā)射機向地面測距基站發(fā)射定位信息, 測距基站收到定位信息后計算出偽距, 送至中心控制站進行信息處理, 其結果顯示在電子地圖上, 并以無線方式傳遞到機車上。采用這種方式定位比較精確, 但價格較高。（8） 其他定位方法。在電力牽引區(qū)段, 為了測試并確定接觸網故障點的位置, 發(fā)展了一種車載的應用光電技術記錄線路沿途電桿數(shù)的定位方法,但這種方法在非電力牽引的環(huán)境中無法應用。5、 其他傳感器的應用內端墻拉門為電動式自動門，由天花板內置的光線開關的探測信號，來控制內端墻拉門的自動開閉。洗臉盆的光電傳感器感應到使用者伸出的手，會分別自動進行噴出乳液、出水、吹出暖風的動作。高鐵中的煙霧傳感器1.離子式煙霧傳感器該煙霧報警器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到各消防報警系統(tǒng)中，性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。 它在內外電離室里面有放射源镅241，電離產生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內外電離室之間的平衡，于是無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。2.光電式煙霧傳感器光電煙霧報警器內有一個光學迷宮，安裝有紅外對管，無煙時紅外接收管收不到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光，當煙塵進入光學迷宮時，通過折射、反射，接收管接收到紅外光，智