CN105953838A - 一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，包括柱形中空的传感器外壳(1)，所述传感器外壳(1)腔体内侧设置外隔离固定层(5)，外隔离固定层(5)内侧设置金属内屏蔽层(6)。通过本发明的一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，在确保正常温度振动检测、传感器可靠安装固定、信号稳定转化输出功能基础上，外壳对屏蔽层绝缘电阻、屏蔽层对内部信号和电路绝缘电阻都≥10⁸Ω，彻底解决了特定空间内安装固定的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器在动态服役工况下受动态、交变、导电壳体和空间强电磁干扰的问题。

Description

一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感 器

技术领域

本发明涉及温度、振动、温度和振动复合传感器领域，尤其是一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器。

背景技术

机车车辆的走行部具有承载、减震、导向、牵引和制动等重要功能，决定了机车车辆运营速度和安全品质。而转向架轴承作为其重要部件，需要在运行环境苛刻复杂的情况下承受由于列车转弯、通过道岔和钢轨接头造成的巨大冲击，使其成为转向架最容易损坏的关键部件之一，其工作状态直接影响到机车车辆的提速和安全，其严重的、突发性的异常状态可能引起脱轨，甚至颠覆等恶性事故，从而对社会、人员造成无法估算的损失。因此，轴承故障在线监测具有以下重要意义：

首先，对轴承故障的早期诊断及准确地对轴承的异常运行状况做出诊断，使其更安全、更可靠地运行，避免事故的发生，将由故障造成的损失降至最低；

其次，依据在线监测的信息指导停车检修，有利于实现以状态修替代目前在铁路交通部门广泛采用的时间修的维修机制，降低整车的维护费用；

最后，通过故障分析和性能评估，为设备的结构设计优化和生产过程提供有效的数据支持。

轴承故障在线监测的关键是诊断轴承故障的信号采集与分析。目前，普遍采用温度振动复合传感器采集轴承运行状态信号，传感器工作环境恶劣，尤其是在线监测牵引电机轴承工作状态的温度振动传感器，额外承受强烈的动态、交变、导电壳体和空间强电磁干扰，干扰能级在10³V以上，而温度振动传感器的信号能级为10^‐3V，巨大的能量差异会对传感器的准确性和可靠性造成严重影响。因此牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器的抗强电磁干扰性能是其能否正确采集轴承运行状态信号的关键。

现有机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器抗强电磁干扰装置有以下3种：

1.在温度振动传感器与牵引电机壳体之间增加胶木等材料制作的绝缘层过渡块，温度振动传感器不直接接触牵引电机表面，从而隔离牵引电机表面的电磁干扰。

2.将温度振动传感器外壳与信号电缆的屏蔽层连接，将牵引电机表面的电磁干扰通过线缆的屏蔽网引入接地。

3.在温度振动传感器外壳与内部敏感元件之间增加内部屏蔽层，对内部敏感元件进行保护。

但是，在温度振动传感器与牵引电机之间增加胶木等材料制作的绝缘层只解决了传感器与电机之间直接电连接带来的电磁干扰，不能有效解决电机周围空间电磁场对传感器的干扰，而且破坏了传感器与牵引电机之间的刚性连接，造成采集的高频振动信号衰减较严重。

将温度振动传感器外壳与信号电缆的屏蔽层连接可以解决静态电磁干扰对传感器的影响，但用于牵引电机的传感器工作在动态、交变的强电磁干扰环境下，如特殊工况下的雷电电荷通过机壳向地面卸载、电力机车受电弓与电缆的接触不良产生的供电波动甚至突变，都会使传感器外壳与信号线缆的屏蔽层上产生强电荷流动，从而将干扰电荷感应至传感器内部，对信号产生干扰。

在温度振动传感器外壳与内部敏感元件之间增加内部屏蔽层同样只能解决静态电磁干扰对传感器的影响，在动态、交变的强电磁干扰环境下，感应到内部屏蔽层上的干扰电荷，依然会对信号产生干扰。

上述方法均不能有效解决机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器受到的动态、交变、导电壳体和空间强电磁干扰，造成传感器采集信号发生衰减、失真和遗漏等情况。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器。

一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，包括柱形中空传感器外壳，所述传感器外壳顶部设置封装盖板，所述传感器外壳内部为中空腔体，腔体内侧设置外隔离固定层，外隔离固定层内侧设置金属内屏蔽层，封装盖板内侧为缆线外皮，缆线外皮内侧为缆线屏蔽网，其中，缆线屏蔽网与传感器外壳内部腔体中的金属内屏蔽层焊接并固定，缆线屏蔽网的另一端与机车内经过处理的洁净(无干扰)的地相连，形成了全程封闭的对内保护空间，使内置的温度和振动采集模块、转换电路等免受外部电磁场的干扰。

传感器外壳顶部设置封装盖板，封装盖板上端内侧设置聚四氟护套，中部内侧设置定位异形箍，下端内侧设置密封橡胶圈，封装盖板通过聚四氟护套、定位异形箍和密封橡胶圈固定和密封内侧缆线外皮，封装盖板的上部外端设置一级防护热缩套管和二级热缩套管，使传感器满足现场IP68的防护等级要求。

传感器外壳的内侧设置外隔离固定层，并与传感器外壳密配合固定，外隔离固定层由底部隔离盲管、中部隔离圆筒、上部外隔离盖板衔接而成，耐高温密封胶密封，厚度不小于1mm，确保了传感器外壳对金属内屏蔽层的电绝缘，绝缘电阻≥10⁸Ω(1000VDC测量)，绝缘强度远大于普通传感器的电绝缘保护，将电机机壳上的强电磁干扰由导体电连接变成了弱空间电磁干扰，强度衰减了3个数量级。

外隔离固定层的内侧设置了金属内屏蔽层，并与外隔离固定层密配合固定，金属内屏蔽层由底部金属盲管、中部金属圆筒组成，底部金属盲管的上端与中部金属圆筒底部的开孔焊接成一体，中部金属圆筒的上端在内侧部件组装连接完成后在指定高度剪成数片内折金属面，金属面与缆线屏蔽网焊接相连，形成了封闭的保护空间，并将金属内屏蔽层上感应到的空间电磁干扰通过屏蔽网可靠卸载到机车内经过处理的洁净(无干扰)的地。

传感器金属内屏蔽层内部分为上部腔体和下部腔体两部分，金属内屏蔽层的下部腔体内设置绝缘垫、陶瓷封装的温度信号采集模块(PT1000)，温度信号采集模块(PT1000)的引线用引线绝缘保护套管保护，下部腔体内再用绝缘陶瓷粉填充满，后用密封胶片封堵。陶瓷封装的温度信号采集模块(PT1000)经如此处理后，使其与金属内屏蔽层的绝缘电阻≥10⁸Ω(500VDC测量)，实现了可靠电绝缘。金属内屏蔽层的上部腔体内设置中空剪切式振动信号采集模块、一级信号转换电路板、二级信号转换电路板、输出转接板，剪切式振动信号采集模块通过内隔离固定圈与金属内屏蔽层密配合固定，一级信号转换电路板、二级信号转换电路板和输出转接板的外缘1mm范围内为空白区，无电路布线和器件，各板之间相隔绝缘隔离片，并采用绝缘胶与指定高度的定位环固定，使其内的温度和振动信号及转换电路与金属内屏蔽层的绝缘电阻≥10⁸Ω(500VDC测量)，也实现了可靠电绝缘。

金属内屏蔽层下部腔体内的温度信号采集模块(PT1000)引线在引线绝缘保护套管的保护下穿过中空的剪切式振动信号采集模块，接入一级信号转换电路板，剪切式振动信号采集模块的输出引线也接入一级信号转换电路板，经一级信号转换电路板和二级信号转换电路板的必要信号处理后，通过输出转接板和缆线的信号线相连，建立了与外部系统的联系。

外部结构上，传感器外壳的下端螺栓与电机轴承外壳上的螺母固定，并传递机壳温度，精准斜面实现振动的传递，该传感器外壳采用了一体式中空结构，上端为内部组装作业口，组装完成后，与封装盖板焊接密封，壳体厚度不小于2mm,极大地保证了传感器的整体强度。外壳上端六方的夹持结构方便现场安装固定，并为实现牢固固定和可靠传递温度振动信号提供了足够的安装力矩。

该传感器的外壳允许直接螺栓固定在电机轴承外壳上，实现可靠温度振动监测。机壳上产生和传递的强电磁干扰不能以导体电连接的方式传递给传感器的金属内屏蔽层和输出线缆的屏蔽网，只是以电磁感应的方式在屏蔽层和屏蔽网上产生感应电荷，并以微弱电流方式向机车内经过处理的洁净(无干扰)的地卸载，强度衰减了3个数量级。屏蔽层和屏蔽网上少量的动态和交变感应电荷，及其形成的微弱电流在卸载渠道畅通的条件下，对内部封闭空间的电磁影响又可衰减3个数量级，即已微乎其微。两次电绝缘隔离和屏蔽层畅通卸载的综合作用可靠保证了内部温度和振动信号、转换和传输电路不受外壳强电磁干扰的影响，提高了传感器在复杂和强电磁干扰工况下的监测信息可靠性。

通过本发明的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，彻底解决了机车牵引电机轴承在线监测用温度振动传感器受动态、交变、导电壳体和空间强电磁干扰的问题。

附图说明

图1为抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器进行详细描述。

实施例

本发明的目的是通过一种有效的抗强电磁干扰的装置解决机车牵引电机轴承在线监测用温度振动传感器受到动态、交变、导电壳体和空间电磁干扰的问题，提高传感器采集信号的准确性和可靠性。

图1示出抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，包括柱形中空传感器外壳1，传感器外壳1顶部在组装完成后与封装盖板2焊接成一体，所述传感器外壳1内部为中空腔体，腔体内侧密配合放置硬质绝缘材料做成的外隔离固定层5，设计的过渡区和衔接区涂抹耐高温绝缘胶，外隔离固定层5内侧设置金属内屏蔽层6，设计的金属内屏蔽层6的过渡区和衔接区采用焊接方式实现可靠，金属内屏蔽层6和外隔离固定层5空隙部位涂抹耐高温绝缘胶粘接固定，外隔离固定层5既保证了传感器外壳1和金属内屏蔽层6之间的连接固定，可靠传递温度和振动信号，又杜绝了传感器外壳1上的动态、交变的电磁干扰以导体方式直接传递给金属内屏蔽层6和缆线屏蔽网8，使金属内屏蔽层6和缆线屏蔽网8只承受显著衰减的空间感应电磁干扰。

传感器外壳1顶部设置封装盖板2，封装盖板2上端内侧设置聚四氟护套10；中部内侧设置定位异形箍11；下端内侧设置密封橡胶圈12，封装盖板2和聚四氟护套10的外部在必要的密封胶封闭后再用可仿形的一级防护套管27和二级防护套管28进行密封保护，封装盖板2和聚四氟护套10、定位异形箍11、密封橡胶圈12固定内侧电缆，可防止线缆外拉和旋转对内部连电接的影响，一二级防护护套27和28的进一步保护，确保了传感器满足现场工况要求的IP68的防护要求。

该传感器外壳直径22.5mm，与封装盖板焊接后总长52.5mm，满足铁路部门的有关规定(直径20-23mm，长度50-58mm)；外壳1为整体结构，用316不锈钢精加工成型，厚度不小于2mm,利于施加高强度的安装扭矩，使传感器与轴承外壳可靠接触，并提供足够的刚度传递高频振动，提高监测可靠性；外隔离固定层5厚度不小于1mm，采用云母、陶瓷或者胶木等硬质绝缘材料，高强度有利于振动信号传递。

该传感器的金属内屏蔽层6采用0.5mm厚(不超过0.8mm)的紫铜箔冲压成型，镀锡防氧化，中部圆筒32和底部盲管32的上端都预留数片条形开口，方便底部盲管32和中部圆筒31、中部圆筒31和缆线屏蔽网8的焊接相连，再与机车内经过处理的洁净(无干扰)的地相连畅通卸载，形成了封闭的洁净(无电磁干扰)的内部空间。

金属内屏蔽层6形成的保护空间分下部腔体4和上部腔体3两部分，即底部金属盲管32内里部分和中部金属圆筒31内里部分，下部腔体4内放置陶瓷封装的PT1000温度信号采集模块22，并采取底部加绝缘垫23、引线加绝缘保护套管24、空间充陶瓷/石英/二氧化硅等绝缘粉25、端口用密封胶片26等措施实施固定和绝缘保护，足够的绝缘强度和合理的温度采集位置保证了信号的合理性和可靠度。

金属内屏蔽层6形成的保护空间的上部腔体3部分，是该传感器的主体空间，集成了振动传感器、信号转换、输出转接等功能；中空剪切式振动信号采集模块21是传感器的核心，剪切式比轴向压缩式更有利于高频振动信号的采集，周边固定和信号采集、心部空间用做温度信号的传输通道，使温度振动复合传感成为有机整体；涂抹必要的耐高温粘结剂使陶瓷材质密配合的内隔离固定圈20分别与金属内屏蔽层6、剪切式振动信号采集模块可靠相连，保证了振动信号的近似刚性传递；一级信号转换电路板17、二级信号转换电路板16和输出转接板15实现将微弱的温度振动信号进行必要的转换、滤波、放大、输出的功能，周边1mm空白区域的预留、相互间的绝缘隔离片18的设置、特殊定位环19的限位、必要的绝缘胶粘接等措施确保了其与金属内屏蔽层的电绝缘可靠性；温度振动信号、供电电源信号、输出信号的电连接和电路版的固定需要逐层实施，是生产工艺的关键。

将预制接口尺寸的缆线依次与输出转接板15上的信号端焊连，加盖内隔离盖板14，中心区域添加绝缘胶隔离，将预开口切片的金属内屏蔽层6上沿向中心折弯，与缆线屏蔽网8焊连，再覆盖外隔离盖板13，并绝缘胶固化，完成内部组装；然后是套装密封橡胶圈12，定位异形箍11成型，带聚四氟护套10的封装盖板2与传感器外壳1焊接密封，热成型一级防护套管、二级防护套管，完成传感器制造，缆线的另一端与机车内经过处理的洁净(无干扰)的地相连，即可实现强电磁干扰工况下的温度振动监测。

传感器采用精准的PT1000温度检测模块22，并提供恒流源供电，可显著提高温度信号的抗空间电磁干扰性能，转换电路板内置振动信号转换、调理和放大电路，使较小的信号源由10^-3V增强到10⁰V数量级后再输出，也提高了振动信号本身的抗空间电磁干扰能力，即削弱外来干扰和增大信号抗干扰能力的组合提高了检测的可靠性。

实测传感器外壳1与金属内屏蔽层6之间绝缘电阻≥10⁸Ω(1000VDC测量),金属内屏蔽层6与传感器输出信号之间绝缘电阻≥10⁸Ω(500VDC测量)，确保了电绝缘强度，其它的电磁兼容指标按铁路部门的相关标准执行，可满足需求。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (9)

1.一种抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，包括柱形中空的传感器外壳(1)，其特征在于，所述传感器外壳(1)腔体内侧设置外隔离固定层(5)，外隔离固定层(5)内侧设置金属内屏蔽层(6)；所述传感器外壳(1)顶部设置封装盖板(2)，封装盖板(2)内侧设置缆线外皮(7)，缆线外皮(7)内侧设置缆线屏蔽网(8)，其中，缆线屏蔽网(8)与传感器外壳(1)内部腔体中的金属内屏蔽层(6)焊接并固定，缆线屏蔽网(8)的另一端与机车内经过处理的洁净的地(9)相连。

2.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，所述传感器金属内屏蔽层(6)内部分为上部腔体(3)和下部腔体(4)，上部腔体(3)内设置并固定剪切式振动信号采集模块(21)，剪切式振动信号采集模块(21)上方依次设置一级信号转换电路板(17)、二级信号转换电路板(16)和输出转接板(15)，其中，一级信号转换电路板(17)、二级信号转换电路板(16)和输出转接板(15)之间设置绝缘隔离片(18)，并采用绝缘胶与定位环(19)固定；剪切式振动信号采集模块(21)通过内隔离固定圈(20)与金属内屏蔽层密配合固定。

3.根据权利要求2所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，所述下部腔体(4)内设置并固定温度信号采集模块(22)，温度信号采集模块(22)和所述剪切式振动信号采集模块(21)的信号通过一级信号转换电路板(17)和二级信号转换电路板(16)传递到输出转接板(15)上，并通过缆线内的信号线与外部系统相连。

4.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，所述封装盖板(2)内侧上端设置聚四氟护套(10)；内侧中部设置定位异形箍(11)；内侧下端设置密封橡胶圈(12)，封装盖板(2)通过聚四氟护套(10)、定位异形箍(11)和密封橡胶圈(12)固定和密封内侧缆线外皮(7)，封装盖板(2)的上部外端设置一级防护热缩套管(27)，一级防护热缩套管(27)外侧设置二级热缩套管(28)。

5.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，所述传感器外壳(1)的下端设置螺栓，螺栓与电机轴承外壳上的螺母固定，并传递机壳温度；传感器外壳(1)的上端与封装盖板焊接密封。

6.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，所述传感器外壳(1)的内侧的外隔离固定层(5)与传感器外壳(1)密配合固定，其中，外隔离固定层(5)为三段式，分别为底部隔离盲管(30)、中部隔离圆筒(29)和上部外隔离盖板(13)依次衔接。

7.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，所述外隔离固定层(5)的内侧设置的金属内屏蔽层(6)与外隔离固定层(5)密配合固定，金属内屏蔽层(6)为两段式，由底部金属盲管(32)和中部金属圆筒(31)衔接组成，底部金属盲管(32)的上端与中部金属圆筒(31)底部的开孔焊接成一体，中部金属圆筒(31)的上端在内侧部件组装连接完成后设置内折金属面，内折金属面与缆线屏蔽网(8)焊接相连，并形成了封闭的保护空间，并将金属内屏蔽层(6)上感应到的空间电磁干扰通过屏蔽网可靠卸载到机车内经过处理的洁净的地。

8.根据权利要求2或3所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，金属内屏蔽层(6)的下部腔体(4)内设置绝缘垫(23)，绝缘垫(23)上设置温度信号采集模块(22)，温度信号采集模块(22)的引线用引线绝缘保护套管(24)保护，下部腔体(4)内填充绝缘陶瓷粉(25)，并用密封胶片(26)封堵下部腔体(4)。

9.根据权利要求3所述的抗强电磁干扰的机车牵引电机轴承在线监测用温度振动复合传感器，其特征在于，所述下部腔体(4)内的温度信号采集模块(22)的引线在引线绝缘保护套管(24)的保护下穿过中空的剪切式振动信号采集模块(21)，并接入一级信号转换电路板(17)，剪切式振动信号采集模块(21)的输出引线接入一级信号转换电路板(17)，并经一级信号转换电路板(17)和二级信号转换电路板(16)的信号处理，通过输出转接板(15)和缆线的信号线相连。