1、第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.52023Oct.动车组电子沙位显示装置故障分析及改进措施马永靖，郑魏婧，张笑凡，李松，王磊，马兵，高靖添（中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062）摘 要 动车组配置电子沙位显示装置实时检测和显示沙箱中的沙位信息，用于指导日常检修维护工作。文中阐述了电子沙位显示装置的技术要求、组成原理，以及沙位传感器检测原理。对某型动车组在冬季频繁发生电子沙位显示装置不能正确检测沙位信息的故障原因进行了分析，确定故障原因为沙位传感器检测距离设定值不满足低温环境使用要求。提
2、出将沙位传感器检测距离设定值由 05 mm 更改为12 mm 的改进措施，以满足-40+70 环境温度使用要求，经高、低温试验验证改进措施有效。关键词 动车组；沙位；故障分析中图分类号：U266 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.15动车组一般都设置有撒沙系统，在出现滑行、空转工况时向轨道撒沙用于改善轮轨黏着状态。为确保撒沙系统正常工作，需在日常检修维护时检查沙箱中的沙位，沙子不足时需及时补充。为便于检修维护时查看沙箱中的沙位，实现智能沙位显示指导检修维护工作，某型动车组配置了电子沙位显示装置，用于实时检测和显示沙箱中的沙位。如显示沙位低
3、于规定限度时，需打开沙箱盖加沙，平时检查沙位时无需再打开沙箱盖查看，大大简化了沙位检查的工作量。电子沙位显示装置装车运用后，在冬季发生了多起电子沙位显示装置不能正确检测实际沙位的故障。文中结合电子沙位显示装置结构原理，系统分析了电子沙位显示装置故障的原因，并提出了有效的改进措施。1 技术要求 1.1技术参数综合动车组运营工况，电子沙位显示装置应满足以下技术参数：（1）适用环境温度：-40+70。（2）输入工作电压：DC 77 V143 V。（3）工作介质：压缩空气和沙子。（4）压 缩 空 气 质 量：符 合 ISO 8573-1-2010 中3：3：3 级要求1。（5）沙子：符合 TB/T 3
4、254-2019 机车车辆撒沙装置 中附录 A.2，成份为石英沙2。（6）防护等级：IP65。1.2功能要求电子沙位显示装置可实时识别撒沙系统沙箱中沙位状态，并将沙位信息通过绿色、黄色和红色3 个沙位状态指示灯及对应沙位标识显示出来，具体定义如下：（1）沙位90%：绿色指示灯点亮，黄色和红色指示灯熄灭。（2）50%沙位90%：黄色指示灯点亮、绿色和红色指示灯熄灭。（3）沙位90%）、黄色指示灯（沙位 90%50%）、红色指示灯（沙位 50%0%）集成在沙位显示电气盒内。电子沙位显示装置电气原理如图 2 所示，继电器 K1、继电器 K2 分别用于接收沙位传感器 S1 和沙位传感器 S2 输出的
5、90%和 50%沙位信号，并通过电路控制 3 个指示灯对应点亮显示沙位。具体说明如下：（1）当 沙 箱 内 沙 位 低 于 50%时，沙 位 传 感 器S1 和沙位传感器 S2 都检测不到沙位信号，继电器K1 常闭触电（0311）无动作、继电器 K2 常闭触电（0311）无动作，沙位低于 50%红色指示灯点亮。同时继电器 K1 常开触点（0812）无动作、继电器K2 常开触点（0812）无动作，无沙位信号输出给列车控制系统，认为沙位低于 50%。（2）当沙箱内沙位大于 50%且小于 90%时，沙位传感器 S1 检测不到沙位信号，沙位传感器 S2 能够检测到沙位信号，继电器 K1 常闭触点（02
6、10）无动作、继电器 K2 常闭触点（0311）断开，继电器K2 常开触点（0610）动作闭合，控制沙位 90%50%黄色指示灯点亮。同时继电器 K1 常开触点（0812）无动作、继电器 K2 常开触点（0812）动作闭合，控制输出 50%沙位信号给列车控制系统，认为沙位在 90%50%之间。（3）当 沙 箱 内 沙 位 大 于 90%时，沙 位 传 感 器S1 和沙位传感器 S2 都检测到沙位信号，继电器 K1常开触点（0509）动作闭合、继电器 K1 常闭触点（0210、0311）动 作 断 开、继 电 器 K2 常 开 触 点（0509）动作闭合，控制沙位90%绿灯指示灯点亮。同时继电器
7、 K1 常开触点（0812）动作闭合、继电器 K2 常开触点（0812）动作闭合，控制输出50%、90%沙位信号给列车控制系统，认为沙位大于 90%。3 沙位传感器工作原理 3.1沙位传感器检测原理沙位传感器为电容式接近传感器，工作原理如图 3 所示。电容式接近传感器的感应面由 2 个同轴的金属电极构成，这 2 个电极构成一个电容串接到 RC 振荡器中。电容的电容量 C 为式（1），当式（1）中右侧参数改变任何一个都可以使电容值 C 发生变化。C=Sd=0 r Sd（1）式中：为极板间介质的介电系数；0为真空的介电常数，0=8.85410-12 F/m；r为极板间介质的相对介电常数，不同物质该
8、值不同；S为极板间相互覆盖面积，m2；d为极板间距离，m。当被检测物接近电容的感应面金属电极时，图 2电子沙位显示装置电气原理图图 3沙位传感器电路原理图 1电子沙位显示装置组成示意图92第 5 期动车组电子沙位显示装置故障分析及改进措施极板间介质的相对介电常数发生变化，电容值 C 发生变化，沙位传感器电路工作输出开关量信号。3.2检测距离与环境温度适应特性（1）电容式接近传感器的检测距离与被检测材料的介电常数有关，介电常数越小，需要设定的检测距离越小。（2）检测距离设定值与温度适应范围密切相关，检测距离设定值与温度范围成反比，检测距离设定值越小适应温度范围越大。（3）针对不同介电常数的材料以
9、及温度适应范围要求，可通过改变电容式接近传感器内部电路电阻值的方法设定对应的检测距离。4 故障分析及改进措施 4.1故障情况电子沙位显示装置显示沙位低于 50%，实际检查沙箱沙位高于 50%。更换沙位传感（如图 4 所示）后故障消除。4.2原因分析沙位传感器检测距离与环境温度适应特性如图 5 所示。沙子的成份为石英沙，介电常数为 4.5，当石英沙作为被检测物时，沙位传感器有效的检测距离为 05 mm。当检测距离设定值在 12 mm时，能适应的温度范围最大，即在-40+70 范围内都可以检测；检测距离设定值增大时，可适应的温度范围逐步减小，当检测距离设定值为 5 mm时，仅能在-4+6 的温度范
10、围内正确检测，当温度超出-4+6 时就会失效。经调查沙位传感器出厂检测距离设定值是按照标准测试铁设定的，检测距离设定值为 8 mm，该设定值并不适用于石英沙。电子沙位显示装置供应商按照石英沙有效检测距离 05 mm，采用目视测量的方法重新手动对检测距离设定值进行了调整，调整误差较大，存在部分检测距离设定值接近或大于 5 mm 的问题。同时未充分考虑沙位传感器检测距离设定值与温度适应范围的特性。在室温下（约 18）对更换下来的沙位传感器对石英沙检测均失效，将沙位传感器检测距离重新设定为 2 mm 后，功能恢复正常。综上，部分沙位传感器实际检测距离设定值偏大（接近 5 mm），不满足动车组适应温度
11、范围要求，当环境温度较高或较低，超过沙位传感器设定检测距离适用温度范围时，沙位传感器出现了失效故障。4.3改进措施（1）检测距离设定方法优化根 据 电 子 沙 位 显 示 装 置 适 用 环 境 温 度 范 围-40+70 的要求及沙位传感器检测距离与环境温度适应特性，将沙位传感器检测距离设定值由 05 mm 更改为 12 mm。使用动车组实际使用的 石 英 沙，采 用 专 用 工 装（如 图 6 所 示）在 恒 温23 的环境精确设定检测距离，确保检测距离在12 mm 之间。检测距离设定后对调节孔进行密封处理，如图 7、图 8 所示，保证检测距离设定值能长期稳定无变动。（2）试验检验按优化后
12、的沙位传感器检测距离设定方法设定检测距离，送至第三方进行-40 和+70 高低温试验，沙位传感器检测功能正常。出厂前采用专用工装对沙位传感器检测距离图 4沙位传感器图 5检测距离设定值与温度适应范围93铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 进 行 复 检，电 子 沙 位 显 示 装 置 安 装 完 成 后 进 行100%整机测试。（3）现车更换功能失效的沙位传感器考虑到无法确定检测距离设定值偏大的沙位传感器范围，准备充足的备件，对现车功能失效的沙位传感器及时更换。4 结论 文中结合电子沙位显示装置工作原理，对电子沙位显示装置运用过程中出现的沙位传感器失效问题进行分析和改进。故障原因查找清楚，改进
13、 措 施 得 当，目 前 电 子 沙 位 显 示 装 置 运 用 状 态良好。参考文献1 国际标准化组织.压缩空气 第 1 部分：杂质和质量等级：ISO 8573-1-2010S.日 内 瓦：国 际 标 准 化 组 织，2010.2 国家铁路局.机车车辆撒沙装置：TB/T 32542019S.北京：国家铁路局，2019.Fault Analysis and Improvement Measures of EMU Electronic Sand Level Display DeviceMA Yongjing，ZHENG Weijing，ZHANG Xiaofan，LI Song，WANG Lei
14、，MA Bing，GAO Jingtian（CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.,Changchun 130062 Jilin，China）Abstract：The EMU is equipped with an electronic sand level display device to detect and display real-time sand level information in the sandbox,used to guide daily maintenance and repair work.This article ela
15、borates on the technical requirements,composition principles,and detection principles of electronic sand level display devices.An analysis was conducted on the reasons for the frequent failure of the electronic sand level display device to correctly detect sand level information in a certain type of
16、 high-speed train unit in winter.It was determined that the fault reason was that the detection distance set by the sand level sensor did not meet the requirements for low-temperature environment use.Propose an improvement measure to change the detection distance setting of the sand level sensor fro
17、m 0-5 mm to 1-2 mm to meet the environmental temperature requirements of-40-+70.The effectiveness of the improvement measures has been verified through high and low temperature tests.Key words：electric multiple unit（EMU）；sand level；fault analysis图 6沙位传感器检测距离设定专用工装图 7沙位传感器检测距离设定调节孔图 8密封沙位传感器检测距离设定调节孔94
