一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器的制造方法
【專利摘要】本申請提供一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，包括柱形中空的傳感器外殼(1)，所述傳感器外殼(1)腔體內側設置外隔離固定層(5)，外隔離固定層(5)內側設置金屬內屏蔽層(6)。通過本發明的一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，在確保正常溫度振動檢測、傳感器可靠安裝固定、信號穩定轉化輸出功能基礎上，外殼對屏蔽層絕緣電阻、屏蔽層對內部信號和電路絕緣電阻都≥108Ω，徹底解決了特定空間內安裝固定的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器在動態服役工況下受動態、交變、導電殼體和空間強電磁干擾的問題。
【專利說明】
一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器
技術領域
[0001]本發明涉及溫度、振動、溫度和振動復合傳感器領域，尤其是一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器。
【背景技術】
[0002]機車車輛的走行部具有承載、減震、導向、牽引和制動等重要功能，決定了機車車輛運營速度和安全品質。而轉向架軸承作為其重要部件，需要在運行環境苛刻復雜的情況下承受由于列車轉彎、通過道岔和鋼軌接頭造成的巨大沖擊，使其成為轉向架最容易損壞的關鍵部件之一，其工作狀態直接影響到機車車輛的提速和安全，其嚴重的、突發性的異常狀態可能引起脫軌，甚至顛覆等惡性事故，從而對社會、人員造成無法估算的損失。因此，軸承故障在線監測具有以下重要意義:
[0003]首先，對軸承故障的早期診斷及準確地對軸承的異常運行狀況做出診斷，使其更安全、更可靠地運行，避免事故的發生，將由故障造成的損失降至最低；
[0004]其次，依據在線監測的信息指導停車檢修，有利于實現以狀態修替代目前在鐵路交通部門廣泛采用的時間修的維修機制，降低整車的維護費用；
[0005]最后，通過故障分析和性能評估，為設備的結構設計優化和生產過程提供有效的數據支持。
[0006]軸承故障在線監測的關鍵是診斷軸承故障的信號采集與分析。目前，普遍采用溫度振動復合傳感器采集軸承運行狀態信號，傳感器工作環境惡劣，尤其是在線監測牽引電機軸承工作狀態的溫度振動傳感器，額外承受強烈的動態、交變、導電殼體和空間強電磁干擾，干擾能級在13V以上，而溫度振動傳感器的信號能級為10_3V，巨大的能量差異會對傳感器的準確性和可靠性造成嚴重影響。因此牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器的抗強電磁干擾性能是其能否正確采集軸承運行狀態信號的關鍵。
[0007]現有機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器抗強電磁干擾裝置有以下3種:
[0008]1.在溫度振動傳感器與牽引電機殼體之間增加膠木等材料制作的絕緣層過渡塊，溫度振動傳感器不直接接觸牽引電機表面，從而隔離牽引電機表面的電磁干擾。
[0009]2.將溫度振動傳感器外殼與信號電纜的屏蔽層連接，將牽引電機表面的電磁干擾通過線纜的屏蔽網引入接地。
[0010]3.在溫度振動傳感器外殼與內部敏感元件之間增加內部屏蔽層，對內部敏感元件進行保護。
[0011]但是，在溫度振動傳感器與牽引電機之間增加膠木等材料制作的絕緣層只解決了傳感器與電機之間直接電連接帶來的電磁干擾，不能有效解決電機周圍空間電磁場對傳感器的干擾，而且破壞了傳感器與牽引電機之間的剛性連接，造成采集的高頻振動信號衰減較嚴重。
[0012]將溫度振動傳感器外殼與信號電纜的屏蔽層連接可以解決靜態電磁干擾對傳感器的影響，但用于牽引電機的傳感器工作在動態、交變的強電磁干擾環境下，如特殊工況下的雷電電荷通過機殼向地面卸載、電力機車受電弓與電纜的接觸不良產生的供電波動甚至突變，都會使傳感器外殼與信號線纜的屏蔽層上產生強電荷流動，從而將干擾電荷感應至傳感器內部，對信號產生干擾。
[0013]在溫度振動傳感器外殼與內部敏感元件之間增加內部屏蔽層同樣只能解決靜態電磁干擾對傳感器的影響，在動態、交變的強電磁干擾環境下，感應到內部屏蔽層上的干擾電荷，依然會對信號產生干擾。
[0014]上述方法均不能有效解決機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器受到的動態、交變、導電殼體和空間強電磁干擾，造成傳感器采集信號發生衰減、失真和遺漏等情況。
【發明內容】
[0015]為克服現有技術的缺陷，本發明提出一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器。
[0016]一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，包括柱形中空傳感器外殼，所述傳感器外殼頂部設置封裝蓋板，所述傳感器外殼內部為中空腔體，腔體內側設置外隔離固定層，外隔離固定層內側設置金屬內屏蔽層，封裝蓋板內側為纜線外皮，纜線外皮內側為纜線屏蔽網，其中，纜線屏蔽網與傳感器外殼內部腔體中的金屬內屏蔽層焊接并固定，纜線屏蔽網的另一端與機車內經過處理的潔凈(無干擾)的地相連，形成了全程封閉的對內保護空間，使內置的溫度和振動采集模塊、轉換電路等免受外部電磁場的干擾。
[0017]傳感器外殼頂部設置封裝蓋板，封裝蓋板上端內側設置聚四氟護套，中部內側設置定位異形箍，下端內側設置密封橡膠圈，封裝蓋板通過聚四氟護套、定位異形箍和密封橡膠圈固定和密封內側纜線外皮，封裝蓋板的上部外端設置一級防護熱縮套管和二級熱縮套管，使傳感器滿足現場IP68的防護等級要求。
[0018]傳感器外殼的內側設置外隔離固定層，并與傳感器外殼密配合固定，外隔離固定層由底部隔離盲管、中部隔離圓筒、上部外隔離蓋板銜接而成，耐高溫密封膠密封，厚度不小于1mm，確保了傳感器外殼對金屬內屏蔽層的電絕緣，絕緣電阻多18 Q(1000VDC測量)，絕緣強度遠大于普通傳感器的電絕緣保護，將電機機殼上的強電磁干擾由導體電連接變成了弱空間電磁干擾，強度衰減了 3個數量級。
[0019]外隔離固定層的內側設置了金屬內屏蔽層，并與外隔離固定層密配合固定，金屬內屏蔽層由底部金屬盲管、中部金屬圓筒組成，底部金屬盲管的上端與中部金屬圓筒底部的開孔焊接成一體，中部金屬圓筒的上端在內側部件組裝連接完成后在指定高度剪成數片內折金屬面，金屬面與纜線屏蔽網焊接相連，形成了封閉的保護空間，并將金屬內屏蔽層上感應到的空間電磁干擾通過屏蔽網可靠卸載到機車內經過處理的潔凈(無干擾)的地。
[0020]傳感器金屬內屏蔽層內部分為上部腔體和下部腔體兩部分，金屬內屏蔽層的下部腔體內設置絕緣墊、陶瓷封裝的溫度信號采集模塊(PTlOOO)，溫度信號采集模塊(PT1000)的引線用引線絕緣保護套管保護，下部腔體內再用絕緣陶瓷粉填充滿，后用密封膠片封堵。陶瓷封裝的溫度信號采集模塊(PTlOOO)經如此處理后，使其與金屬內屏蔽層的絕緣電阻多108Q(500VDC測量)，實現了可靠電絕緣。金屬內屏蔽層的上部腔體內設置中空剪切式振動信號采集模塊、一級信號轉換電路板、二級信號轉換電路板、輸出轉接板，剪切式振動信號采集模塊通過內隔離固定圈與金屬內屏蔽層密配合固定，一級信號轉換電路板、二級信號轉換電路板和輸出轉接板的外緣Imm范圍內為空白區，無電路布線和器件，各板之間相隔絕緣隔離片，并采用絕緣膠與指定高度的定位環固定，使其內的溫度和振動信號及轉換電路與金屬內屏蔽層的絕緣電阻彡108Q(500VDC測量)，也實現了可靠電絕緣。
[0021]金屬內屏蔽層下部腔體內的溫度信號采集模塊(PT1000)引線在引線絕緣保護套管的保護下穿過中空的剪切式振動信號采集模塊，接入一級信號轉換電路板，剪切式振動信號采集模塊的輸出引線也接入一級信號轉換電路板，經一級信號轉換電路板和二級信號轉換電路板的必要信號處理后，通過輸出轉接板和纜線的信號線相連，建立了與外部系統的聯系。
[0022]外部結構上，傳感器外殼的下端螺栓與電機軸承外殼上的螺母固定，并傳遞機殼溫度，精準斜面實現振動的傳遞，該傳感器外殼采用了一體式中空結構，上端為內部組裝作業口，組裝完成后，與封裝蓋板焊接密封，殼體厚度不小于2mm，極大地保證了傳感器的整體強度。外殼上端六方的夾持結構方便現場安裝固定，并為實現牢固固定和可靠傳遞溫度振動信號提供了足夠的安裝力矩。
[0023]該傳感器的外殼允許直接螺栓固定在電機軸承外殼上，實現可靠溫度振動監測。機殼上產生和傳遞的強電磁干擾不能以導體電連接的方式傳遞給傳感器的金屬內屏蔽層和輸出線纜的屏蔽網，只是以電磁感應的方式在屏蔽層和屏蔽網上產生感應電荷，并以微弱電流方式向機車內經過處理的潔凈(無干擾)的地卸載，強度衰減了 3個數量級。屏蔽層和屏蔽網上少量的動態和交變感應電荷，及其形成的微弱電流在卸載渠道暢通的條件下，對內部封閉空間的電磁影響又可衰減3個數量級，即已微乎其微。兩次電絕緣隔離和屏蔽層暢通卸載的綜合作用可靠保證了內部溫度和振動信號、轉換和傳輸電路不受外殼強電磁干擾的影響，提高了傳感器在復雜和強電磁干擾工況下的監測信息可靠性。
[0024]通過本發明的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，徹底解決了機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動傳感器受動態、交變、導電殼體和空間強電磁干擾的問題。
【附圖說明】
[0025]圖1為抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器進行詳細描述。
[0027]實施例
[0028]本發明的目的是通過一種有效的抗強電磁干擾的裝置解決機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動傳感器受到動態、交變、導電殼體和空間電磁干擾的問題，提高傳感器采集信號的準確性和可靠性。
[0029]圖1示出抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，包括柱形中空傳感器外殼I，傳感器外殼I頂部在組裝完成后與封裝蓋板2焊接成一體，所述傳感器外殼I內部為中空腔體，腔體內側密配合放置硬質絕緣材料做成的外隔離固定層5，設計的過渡區和銜接區涂抹耐高溫絕緣膠，外隔離固定層5內側設置金屬內屏蔽層6，設計的金屬內屏蔽層6的過渡區和銜接區采用焊接方式實現可靠，金屬內屏蔽層6和外隔離固定層5空隙部位涂抹耐高溫絕緣膠粘接固定，外隔離固定層5既保證了傳感器外殼I和金屬內屏蔽層6之間的連接固定，可靠傳遞溫度和振動信號，又杜絕了傳感器外殼I上的動態、交變的電磁干擾以導體方式直接傳遞給金屬內屏蔽層6和纜線屏蔽網8，使金屬內屏蔽層6和纜線屏蔽網8只承受顯著衰減的空間感應電磁干擾。
[0030]傳感器外殼I頂部設置封裝蓋板2，封裝蓋板2上端內側設置聚四氟護套10;中部內側設置定位異形箍11;下端內側設置密封橡膠圈12，封裝蓋板2和聚四氟護套10的外部在必要的密封膠封閉后再用可仿形的一級防護套管27和二級防護套管28進行密封保護，封裝蓋板2和聚四氟護套10、定位異形箍11、密封橡膠圈12固定內側電纜，可防止線纜外拉和旋轉對內部連電接的影響，一二級防護護套27和28的進一步保護，確保了傳感器滿足現場工況要求的IP68的防護要求。
[0031]該傳感器外殼直徑22.5mm，與封裝蓋板焊接后總長52.5mm，滿足鐵路部門的有關規定(直徑20-23mm，長度50-58mm);外殼I為整體結構，用316不銹鋼精加工成型，厚度不小于2mm，利于施加高強度的安裝扭矩，使傳感器與軸承外殼可靠接觸，并提供足夠的剛度傳遞高頻振動，提高監測可靠性;外隔離固定層5厚度不小于1mm，采用云母、陶瓷或者膠木等硬質絕緣材料，高強度有利于振動信號傳遞。
[0032]該傳感器的金屬內屏蔽層6采用0.5mm厚(不超過0.8mm)的紫銅箔沖壓成型，鍍錫防氧化，中部圓筒32和底部盲管32的上端都預留數片條形開口，方便底部盲管32和中部圓筒31、中部圓筒31和纜線屏蔽網8的焊接相連，再與機車內經過處理的潔凈(無干擾)的地相連暢通卸載，形成了封閉的潔凈(無電磁干擾)的內部空間。
[0033]金屬內屏蔽層6形成的保護空間分下部腔體4和上部腔體3兩部分，即底部金屬盲管32內里部分和中部金屬圓筒31內里部分，下部腔體4內放置陶瓷封裝的PT1000溫度信號采集模塊22，并采取底部加絕緣墊23、引線加絕緣保護套管24、空間充陶瓷/石英/二氧化硅等絕緣粉25、端口用密封膠片26等措施實施固定和絕緣保護，足夠的絕緣強度和合理的溫度采集位置保證了信號的合理性和可靠度。
[0034]金屬內屏蔽層6形成的保護空間的上部腔體3部分，是該傳感器的主體空間，集成了振動傳感器、信號轉換、輸出轉接等功能；中空剪切式振動信號采集模塊21是傳感器的核心，剪切式比軸向壓縮式更有利于高頻振動信號的采集，周邊固定和信號采集、心部空間用做溫度信號的傳輸通道，使溫度振動復合傳感成為有機整體;涂抹必要的耐高溫粘結劑使陶瓷材質密配合的內隔離固定圈20分別與金屬內屏蔽層6、剪切式振動信號采集模塊可靠相連，保證了振動信號的近似剛性傳遞;一級信號轉換電路板17、二級信號轉換電路板16和輸出轉接板15實現將微弱的溫度振動信號進行必要的轉換、濾波、放大、輸出的功能，周邊Imm空白區域的預留、相互間的絕緣隔離片18的設置、特殊定位環19的限位、必要的絕緣膠粘接等措施確保了其與金屬內屏蔽層的電絕緣可靠性;溫度振動信號、供電電源信號、輸出信號的電連接和電路版的固定需要逐層實施，是生產工藝的關鍵。
[0035]將預制接口尺寸的纜線依次與輸出轉接板15上的信號端焊連，加蓋內隔離蓋板14，中心區域添加絕緣膠隔離，將預開口切片的金屬內屏蔽層6上沿向中心折彎，與纜線屏蔽網8焊連，再覆蓋外隔離蓋板13，并絕緣膠固化，完成內部組裝;然后是套裝密封橡膠圈12，定位異形箍11成型，帶聚四氟護套10的封裝蓋板2與傳感器外殼I焊接密封，熱成型一級防護套管、二級防護套管，完成傳感器制造，纜線的另一端與機車內經過處理的潔凈(無干擾)的地相連，即可實現強電磁干擾工況下的溫度振動監測。
[0036]傳感器采用精準的PT1000溫度檢測模塊22，并提供恒流源供電，可顯著提高溫度信號的抗空間電磁干擾性能，轉換電路板內置振動信號轉換、調理和放大電路，使較小的信號源由10—3V增強到1t3V數量級后再輸出，也提高了振動信號本身的抗空間電磁干擾能力，即削弱外來干擾和增大信號抗干擾能力的組合提高了檢測的可靠性。
[0037]實測傳感器外殼I與金屬內屏蔽層6之間絕緣電阻多108Ω (1000VDC測量)，金屬內屏蔽層6與傳感器輸出信號之間絕緣電阻多108Q(500VDC測量)，確保了電絕緣強度，其它的電磁兼容指標按鐵路部門的相關標準執行，可滿足需求。
[0038]最后應說明的是，以上實施例僅用以描述本發明的技術方案而不是對本技術方法進行限制，本發明在應用上可以延伸為其他的修改、變化、應用和實施例，并且因此認為所有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發明的精神和教導范圍內。
【主權項】
1.一種抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，包括柱形中空的傳感器外殼(I)，其特征在于，所述傳感器外殼(I)腔體內側設置外隔離固定層(5)，外隔離固定層(5)內側設置金屬內屏蔽層(6);所述傳感器外殼(I)頂部設置封裝蓋板(2)，封裝蓋板(2)內側設置纜線外皮(7)，纜線外皮(7)內側設置纜線屏蔽網(8)，其中，纜線屏蔽網(8)與傳感器外殼(I)內部腔體中的金屬內屏蔽層(6)焊接并固定，纜線屏蔽網(8)的另一端與機車內經過處理的潔凈的地(9)相連。2.根據權利要求1所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，所述傳感器金屬內屏蔽層(6)內部分為上部腔體(3)和下部腔體(4)，上部腔體(3)內設置并固定剪切式振動信號采集模塊(21)，剪切式振動信號采集模塊(21)上方依次設置一級信號轉換電路板(17)、二級信號轉換電路板(16)和輸出轉接板(15)，其中，一級信號轉換電路板(17)、二級信號轉換電路板(16)和輸出轉接板(15)之間設置絕緣隔離片(18)，并采用絕緣膠與定位環(19)固定;剪切式振動信號采集模塊(21)通過內隔離固定圈(20)與金屬內屏蔽層密配合固定。3.根據權利要求2所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，所述下部腔體(4)內設置并固定溫度信號采集模塊(22)，溫度信號采集模塊(22)和所述剪切式振動信號采集模塊(21)的信號通過一級信號轉換電路板(17)和二級信號轉換電路板(16)傳遞到輸出轉接板(15)上，并通過纜線內的信號線與外部系統相連。4.根據權利要求1所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，所述封裝蓋板(2)內側上端設置聚四氟護套(10);內側中部設置定位異形箍(11);內側下端設置密封橡膠圈(12)，封裝蓋板(2)通過聚四氟護套(10)、定位異形箍(11)和密封橡膠圈(12)固定和密封內側纜線外皮(7)，封裝蓋板(2)的上部外端設置一級防護熱縮套管(27)，一級防護熱縮套管(27)外側設置二級熱縮套管(28)。5.根據權利要求1所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，所述傳感器外殼(I)的下端設置螺栓，螺栓與電機軸承外殼上的螺母固定，并傳遞機殼溫度;傳感器外殼(I)的上端與封裝蓋板焊接密封。6.根據權利要求1所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，所述傳感器外殼(I)的內側的外隔離固定層(5)與傳感器外殼(I)密配合固定，其中，外隔離固定層(5)為三段式，分別為底部隔離盲管(30)、中部隔離圓筒(29)和上部外隔離蓋板(13)依次銜接。7.根據權利要求1所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，所述外隔離固定層(5)的內側設置的金屬內屏蔽層(6)與外隔離固定層(5)密配合固定，金屬內屏蔽層(6)為兩段式，由底部金屬盲管(32)和中部金屬圓筒(31)銜接組成，底部金屬盲管(32)的上端與中部金屬圓筒(31)底部的開孔焊接成一體，中部金屬圓筒(31)的上端在內側部件組裝連接完成后設置內折金屬面，內折金屬面與纜線屏蔽網(8)焊接相連，并形成了封閉的保護空間，并將金屬內屏蔽層(6)上感應到的空間電磁干擾通過屏蔽網可靠卸載到機車內經過處理的潔凈的地。8.根據權利要求2或3所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，金屬內屏蔽層(6)的下部腔體(4)內設置絕緣墊(23)，絕緣墊(23)上設置溫度信號采集模塊(22)，溫度信號采集模塊(22)的引線用引線絕緣保護套管(24)保護，下部腔體(4)內填充絕緣陶瓷粉(25)，并用密封膠片(26)封堵下部腔體(4)。9.根據權利要求3所述的抗強電磁干擾的機車牽引電機軸承在線監測用溫度振動復合傳感器，其特征在于，所述下部腔體(4)內的溫度信號采集模塊(22)的引線在引線絕緣保護套管(24)的保護下穿過中空的剪切式振動信號采集模塊(21)，并接入一級信號轉換電路板(17)，剪切式振動信號采集模塊(21)的輸出引線接入一級信號轉換電路板(17)，并經一級信號轉換電路板(17)和二級信號轉換電路板(16)的信號處理，通過輸出轉接板(15)和纜線的信號線相連。
【文檔編號】G01D21/02GK105953838SQ201610438385
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】楊興寬, 申灝, 周雷, 范振中, 楊延峰, 王冬冬, 宋宏智
【申請人】中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所, 北京中鐵科新材料技術有限公司, 中國鐵道科學研究院