复制成功

2000年12月份重庆轻轨2号线（CRTL2）较场口至新山村区间正式开通，车载信号使用基于轨道电路的固定闭塞信号系统（TBTC），这套信号系统已使用超过20年，无论在技术层面还是设备层面都已老化，目前的实际运营能力无法满足大客流运输的需求，为了缩短车辆运行间隔时间，提升营运能力，要将既有的上一代TBTC信号系统改造升级为新一代“基于无线通信的移动闭塞信号系统（CBTC）”,然而原有TBTC测速测距单元采用无源式测速电机（PG），然而测速电机存在低速时（0到5km/h）信号弱和电压频率变化不明显，测速测距板卡采集困难，无法获得稳定的速度和车辆方向信息，而且输出通道数少，不能满足CBTC信号系统停车、启动和低速运行时测速、定位和冗余要求，因此需要重新选择精度高、低速稳定的速度传感器作为测速测距的基本单元，经过调研、现场测试、比对分析，最终选择改造既有齿轮箱轴端盖并增加霍尔式传感器及测速齿轮，作为CBTC信号系统测速测距基本单元。

1 霍尔式速度传感器工作原理和技术参数

1.1霍尔效应及霍尔速度传感器的工作原理

如下图 1 所示，半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 UH，这种现象称为霍尔效应。作用在半导体上薄片上 的磁场强度 B 越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势 UH 可用下式表示：UH＝KHIB

图1 霍尔效应

由霍尔效应可知，霍尔传感器是依据霍尔效应原理的传感器，通过检测内部自带磁场的强弱变化来检测相关的物理量。基于霍尔效应原理开发的各种霍尔元件已广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航天航空等工业部门及国防领域。这些霍尔元件可以将力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转速等物理量转换成电量来进行检测和控制。

本文所说的霍尔式速度传感器是一款差分霍尔齿轮转速传感器（以下简称为霍尔速度传感器或霍尔传感器），该传感器必须与低碳导磁齿轮（建议牌号：ST37, ST50 10-10 或Q235）配套使用，其内部由2组独立差分霍尔集成芯片、PCB电路、外壳、连接器和外接电缆等组成，霍尔芯片和各自的PCB板之间相互独立且电气隔离，当一路故障不会影响另一路正常工作，满足CBTC信号系统测速测距板卡冗余设计要求，霍尔芯片工作原理如下图2和 3所示。

当测速齿轮旋转时齿顶接近到差分霍尔集成芯片时，作用在半导体上的磁场强度最强，霍尔电势最大和输出高阻抗，当齿轮的齿根接近到差分霍尔集成芯片时，作用在半导体上的磁场强度最弱，霍尔电势最小和输出低阻抗，当齿轮连续转动时，霍尔集成芯片输出电势和阻抗呈现强弱及高低阻抗的周期性变化趋势，霍尔电势信号为近似正弦波电压信号，通过霍尔芯片集成的信号调理电路转换为电压/电流方波脉冲信号，脉冲信号的频率与齿轮转速和齿数成正比：

                          f=n*P/60

其中单位解释：f为脉冲频率，单位Hz；n为齿轮转速，单位r/min；P为齿轮齿数。

这种方波脉冲信号经过测速测距板卡内部的隔离电路、微处理器或FPGA芯片处理和运算，能够计算出测速齿轮角速度、线速度和转动方向，再通过转换得出车辆运行方向、当前速度和加速度。

霍尔式传感器的优势是满足“零速”要求和开机上电自检功能。

图2

图3差分霍尔集成芯片原理

1.2 主要技术参数

霍尔速度传感器具有工作温度范围宽、寿命长、抗振性能强、可靠性高、免维护、体积小巧、易于安装维护等优点。它安装于列车转向架轴端、牵引电机、柴油机轴端、齿轮箱等部位，输出与轮轴转速成正比的电压型方波脉冲信号，与列车控制系统、牵引系统、制动系统、列车网络系统、防空转/打滑系统、轮缘喷油系统、励磁切换等系统配套检测轮轴的转速及转向，进而计算出线速度、距离、加速度和列车运行方向等信息，适用于铁路机车、动车组、地铁、轻轨、低地板车以及各种特种轨道机车车辆的测速测距，同样也适用于石油、矿山等恶劣的应用环境下的测速测距。

重庆轻轨2号线信号系统改造最终选型HS22G5F型霍尔式速度传感器，传感器自带电缆，采用橡胶护套保护，长度根据工程要求确定，传感器外形及安装要求见图4；上车电缆组件采用波纹管护套保护，电缆自身包含连接器插座，插座由安装支架固定，安装支架固定在车体下侧，其长度根据工程要求确定，固定管卡之间距离≤40cm，速度传感器内部自带电缆采用8x0.75MM-S带屏蔽的电缆，属于EN50306-4系列规格的标准低压电缆，电缆走线槽或穿线管，布线按照EN50343标准执行，防止高低压电缆混合布线，线缆低烟无卤阻燃的燃烧试验符合GB12666，阻燃性能符合GB18380，低烟指标符合GB/T17651-1998，透光率大于60％，无卤指标符合GB/T17650-1998，HCL的释出量不大于10毫克/克。

霍尔式速度传感器主要电气性能参数如下：

a）测速范围：0～20kHz或0～4000r/min；

b）测速齿轮：模数=1.25（渐开线齿轮），低碳导磁钢（如：Q235）；

c）安装间隙：0.3～1.3mm，标准间隙0.7mm；

b）输出通道数：双通道，电气隔离；

e）输出幅度：高电平≥UB-2.8V（满载），低电平≤2V；

f）脉冲占空比：50％±10％；

g）工作电压：UB＝12～DC30V 额定电压：DC15V或DC24V；

h）工作温度：－40℃～120℃；

i) 相位差：90º±45º（如上图1齿轮顺时针旋转时，通道1超前通道2）。

图4霍尔式速度传感器外形及安装要求

速度传感器及上车电缆产品技术参数应能保证可靠地运用于重庆市典型的环境条件之中，具体要求见下表1所示。 

表1  信号设备环境要求

2. 霍尔式速度传感器安装位置确定

一般情况下，车辆提供的安装霍尔式速度传感器的位置有3个地方：列车轴箱、牵引电机轴、齿轮箱上，但是由于重庆2号线采用的是跨座式单轨车（日本日立设计，中车长客生产制造），车轮采用双轴式橡胶轮胎，与现有地铁和干线铁路转向架制式的两轴式金属车轮完全不同，很难在橡胶轮轴端盖上设计和安装测速齿轮和霍尔式速度传感器，需要在既有的转向架结构基础上寻找新的安装位置，经现场调研和勘察，初步确定在牵引电机和齿轮箱轴端盖中的两个位置安装霍尔式速度传感器。

1） 方案一 ：牵引电机轴端盖

牵引电机轴端盖上已有一个速度传感器为牵引系统提供转速信号，可以借用轴端盖，再加工一组安装接口，经过实际调查能满足CBTC信号系统采集速度信号初步需求。

2） 方案二：齿轮箱轴端盖

重庆轻轨2号线测速电机在低速时信号不稳定，原有2号线TBTC信号系统集成商借用了重庆轻轨3号线齿轮箱结构，增加了一组光电传感器进行测速测距，由于该型光电速度传感器体积太大，无法直接安装在齿轮箱上，而是在齿轮箱上安装了一只同步带齿轮（大滑轮），通过同步带带动光电传感器，但是，同步带需要定期保养、检查和更换，否则长时间使用很容易疲劳断裂及传动不平稳，无法从根本上解决低速时测速测距不稳的问题；现场考察可以利用同步带轮接口安装测速齿轮，然后再安装霍尔式速度传感器。

齿轮箱轴端盖（如图5）简单的改造后如图6所示，增加3套零部件用于车间静态测试,速度传感器供电后人工以0～5Km/h低速转动橡胶轮，观察示波器波形，输出正常，因此能满足CBTC信号系统要求。

图6 轴端盖改造后

3） 两种方案比较

方案一是在牵引电机位置采集速度信号，该速度及转向信息是电机的转速及转向，如果要获得列车的运行速度，还需进行二次计算（齿轮箱传动比）才能得出最终的车辆速度和运行方向，极端情况时齿轮箱内部故障或其他原因将直接影响最终数据计算结构，不符合满足故障导向安全原则，因此牵引电机位置采集速度信号安全风险很高。

方案二：齿轮箱轴端盖安装霍尔式速度传感器与轮胎转速比为1：1，轮胎发生异常都会在速度传感器信号输出波形上显示，也给信号系统进行及时判断，满足故障导向安全原则。

根据故障导向安全原则，最终选择方案二对既有齿轮箱轴端盖进行升级改造。

3. 测距精度及齿盘参数确定

CBTC信号系统用霍尔式速度传感器的每转输出脉冲数越多，车辆定位精度将越高。对于霍尔速度传感器而言，每转脉冲数决定于测速齿盘的齿数及模数，为了确保停车定位精度，需要每转输出至少150个方波脉冲信号，因此设计的测速齿轮齿数必须达到150齿才能满足测速测距需求。

3.1 测距精度计算

重庆2号线车辆走行部轮胎是橡胶轮胎，正常运行时新轮径为1006mm，极端情况下如爆胎时最小轮径为463mm。

当车轮转一圈就会输出150个方波信号，因此每个方波信号对应的距离（即脉冲距）就是信号系统测距精度，即精度=轮胎周长÷150=π*D/150,D为轮胎直径。

a． 新轮径测距精度：

1.006x3.14÷150=0.02m

b． 爆胎时测距精度：

0.463x3.14÷150=0.01m

但是由于车辆运行时轮胎会不断磨损，越来越小，且胎压也会发生变化，因此需要对轮径进行校准。

3.2 测速齿盘参数计算

一般情况下，霍尔速度传感器测速齿盘的模数不能小于1，模数太大影响测速的可靠性，而齿轮箱端盖的尺寸又不能增大，齿轮模数有国家标准GB1357-78，模数标准系列（优先选用）1、1.25、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12、14、16、20、25、32、40、50，公式：模数m = 分度圆直径d / 齿数z = 齿距p /圆周率π。由于是改造项目，空间有限，齿轮箱内腔直径214mm，因此齿盘的模数需要尽量偏小，以满足结构需要，所以参选1、1.25或1.5，齿顶圆的直径≈（齿数+2）*模数=152mm或190mm或228mm，经过测算，为保证测数精度，且小于内腔直径，因此选用模数为1.25的测速齿盘。

4.齿轮箱改造

在升级改造的过程中，业主要求新老两种制式的信号系统能同时满足正线使用的需求，也要满足两种信号系统切换时不会出现测速故障等相关问题，因此需要保留原有的测速电机给TBTC信号系统（如图6），同时增加两套霍尔式速度传感器给CBTC信号系统使用（见图7）。

图6 无源式测速电机安装位置

图7霍尔式速度传感器安装位置

4.1无源式测速电机原理

测速电机安装在齿轮箱外壳上端（如图7），电机磁头与测速齿轮（借用传动齿轮作为测速齿轮）相对应，其两者之间的间隙在1±0.5mm左右，测速电机内含有两组线圈和永磁铁等零部件，利用低碳导磁钢齿轮切割磁力线原理切割永磁铁恒定的磁场，齿轮转速越快测速电机输出的交流频率电压也越高，利用交流频率计算转速和车速，计算公式如下：

f=（Vx106/60x60）x P/(D xπ)

f：输出频率Hz   /   V：列车速度Km/h=5～420Km/h

P：齿轮=43    /     D：车轮直径=463～1006mm

4.2 轴端盖改造

现有的结构上更换原有轴端盖（如图8）中的轴承盖和主轴，在去除零部件有限的空间下增加如图9零部件来满足霍尔式速度传感器安装使用要求。

 图8 原有齿轮箱轴端盖                    图9 改造后齿轮箱轴端盖

设计要注意以下几点：

a． 测试齿轮加工精度、表面处理及同心度；

b． 轴承盖传感器安装接口加工精度、表面处理及IP等级；

c． 传感器探头端面与测试齿轮安装间隙0.3～1.5mm（标准间隙0.7mm）。

5 装车测试

5.1 既有测速电机及传动部件的拆除

拆除测速电机、轴承座、大/小滑轮（同步带轮）、同步带、皮带外壳（皮带防护罩）、上车电缆（与测速电机插头对应的插座及电缆）等，详见图4。

5.2霍尔式速度传感器安装

霍尔式速度传感器的安装深度为29（0，-0.1mm），气隙为0.3～1.3mm,标准安装间隙为0.7mm。

安装密封：安装孔径是Φ26H7，入口处与竖直方向夹角为15°、深度1.5mm，密封圈为26x2.4，这样就能确保传感器与安装端盖的密封。

安装螺栓选择M8x35、强度为8.8级的达克罗处理的碳钢螺栓，配套平垫弹垫，安装扭矩为20N.m，螺栓加乐泰243螺纹胶加固。对于防水要求较高的应用场合，应在配合面均匀涂敷乐泰518防水胶。

电缆的最小动态弯曲半径为8D（10倍的电缆直径），即160mm。

传感器探头内部差分霍尔集成芯片非常脆弱，在储存、运输、安装、拆卸时应注意保护（保护帽），严禁与其它硬物碰擦！安装时应检查感应头端面是否有凹陷或凸起，若有，则不能安装。

由于重庆环境比较潮湿而且在夏天多雨，2号线正线基本都是高架，另外车辆也会经常清洗，因此防护罩内部容易产生积水并渗透到齿轮箱轴端盖内部，造成内部轴承、主轴等金属件的腐蚀，因此需要对防护罩及配合面的周围涂抹防水腻子进行密封处理，杜绝轴箱端盖内进水现象的发生。

5.3静态测试

2019年10月在重庆齿轮箱厂家静态测试霍尔式速度传感器，将齿轮箱速转设置在5、20、500、2000rpm测试信号输出状况，产品输出波形（见图10）符合技术规范，因此满足后续动态测试要求。

 图10 输出波形

5.4 动态测试

2020年3月份在重庆轻轨2号线白居寺车辆段进行动调测试，将改造好的齿轮箱安装于02025车转向架上（共有4套霍尔式速度传感器）；装车过程中由于周围含有制动系统夹钳和制动盘（见图11），当制动系统施加常规和紧急制动时会有短暂超过140℃高温情况，而速度传感器最高工作温度为120℃，而且两者直线距离≤30cm，短暂高频率超高温会对传感器进行热冲击和加速老化，会影响其正常使用寿命和信号系统故障-安全功能，甚至影响车辆行车安全，因此要在传感器外壳周围设计隔热防护罩用于隔离热源（见图11）。

隔热防护罩选用PPS和30%玻璃纤维混合材质，其机械强度和耐高温符合转向架周围环境要求。

检测状况要求：

a） 车辆分别空载和满载；

b） 防护罩内粘贴两只温度传感器；

c） 检测车辆车站内停车、启动时，运行区间内空气制动、电阻制动和紧急制动时防护罩内温度值和温度曲线。

检测结果：测试的一周内显示防护罩内温度值在50～80℃之间变化，温度值在霍尔式速度传感器工作温度中间位置，符合其环境工作温度要求。

图11 霍尔式速度传感器安装位置

6结束语

既有重庆轻轨2号线信号系统改造为CBTC信号系统，速度传感器正线安全运行2年，没有出现故障且运行稳定；当前国内还有多条线路采用TBTC信号系统和无源测速电机进行测速测距的牵引系统（如：深圳地铁3号线韩国现代牵引系统、200H列控系统）；改造这些系统过程中可以使用霍尔式速度传感器进行代替，因此该改造方案具有广阔的市场前景和使用价值。

 参考文献

[1] 霍尔芯片ATS667数据资料，Allegro，2011.4

[2]郑军奇，EMC电磁兼容设计与测试案例分析-2版，北京，电子工业出版社，2010.1.

[3]闻邦椿，机械设计手册（第5版），北京，机械工业出版社，2010.

[4]高文，城市轨道交通信号自动控制系统发展现状[J]，数字通信世界，2019（9）：151

[5]朱龙驹，陈喜红，齐斌等 高速列车铝基复合材料制动盘及其闸片的研制[J]，电力机车与城市车辆，2006（1）：1-5

[6]傅茂海，车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2007

[7]刘绍勇，重庆跨座式单轨转向架的研制[J].铁道车辆，2003（9）：18-21，42

[8]王菲菲，跨座式单轨交通系统安全评估研制[J].时代农机，2018，45（12）：236

[9]陈志成，赵健，朱冰，等.基于电控助力制动级联制动防抱死控制策略[J].汽车共工程，2019，41（11）：1320-1326.

[10]陈书翔，孙琳，王富强，等.轨道车辆用低频防护电磁防护碳钎维复合材料研制[J].材料科学，2019，9（12）：1092-1097