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文章摘要：本文针对新型ZR磁钢安装后设备发生故障频繁的现象，进行现场调研和分析，提出设备检修的综合治理方案，有效降低了故障发生率，确保了设备良好运行。
关键词：ZR磁钢；故障分析；处理
1 问题的提出
目前大秦线使用的红外线设备为哈尔滨威克科技股份有限公司开发研制的HTK-391+双探型设备，根据《铁道部车辆轴温智能探测系统设备检修维护管理规程》规定磁钢使用年限为两年。我车间负责维修的大秦线遵化北至柳村二场间17套红外线设备共计51个ZR磁钢，为2010年11月份更换安装使用的，已使用两年。车间于2012年10月份利用大秦线天窗维修时间，陆续安排对到期的51个ZR磁钢进行更换。更换新型ZR磁钢后相继有几个探测站发生开、关门磁钢计数不等、开机磁钢异常，计数多、设备异常复位等故障，据统计，截止2013年1月底，上述故障发生率为23.5%，造成红外线设备计轴、计辆、测速、测轴距不准，严重时由于计轴、计量、判别车型不准导致误报热轴，设备无法正常工作，严重威胁列车运行安全和行车秩序。因此，对故障原因进行分析并采取相应对策十分重要。
2 现场检查测试情况
在列车通过时用示波器测量，计数多的磁钢干扰噪声信号强，其峰峰值在1V以上，高的达到1.7V，频率一般在50-60HZ之间，干扰信号波形（见图1）。
3 原因分析
3.1 ZR磁钢工作原理分析：
ZR磁钢核心部分是采用“┻”形磁体充上强磁场后，套上高强度漆包线绕制的线圈，用环氧树脂封装在尼龙壳里。列车通过探测站时，轮缘从卡在钢轨内测的磁钢顶面通过，切割磁力线，线圈上产生感应电动势。
根据电磁感应定律，感应电动势ε为：
ε=-dφ/dt
式中：n为线圈匝数 dφ/dt为磁通量变化率
车速越大，感应电动势越大，波形如图2所示：
3.2 磁钢板工作原理分析
3.2.1 磁钢信号的输入
磁钢信号先经过电容滤波，滤除干扰信号，再通过输入电阻对整个信号进行衰减，接着经过一个限幅电路，将过高的电压限幅在9.4V内，才输送给滤波电路。
3.2.2 一阶低通有源滤波
在轨边复杂电磁环境和列车强大冲击震动状态下，磁钢信号输入不可避免会有噪声冲击等干扰声信号进入电路，一阶低通有源滤波电路主要起滤除这些干扰的作用，但为防止大信号的堵塞，磁钢板专设可调的输入电阻（调整范围为910Ω-3.6KΩ）对所有输入信号进行了衰减，然后再把衰减过的信号输送给放大电路进行下一步的处理。输入电阻过大，输入信号也增大时，可能因干扰串入产生多轴，所以在车速较高时，应将输入电阻降低. 391磁钢板出厂时通常设置的输入电阻为3.6K（板上备调整的电阻为1.8K，2.2K），使用ZR磁钢时，可将输入电阻降低为1.2K-1.5K左右，以设备在接车过程中不多轴不漏轴为准。
3.2.3 一级放大电路
此放大电路主要由集成运放LM747，输入电阻， 反馈电阻，频带压缩电容构成，采用差分输入，整个放大电路放大倍数约为13倍，磁钢信号经过放大后送到门限比较电路。
3.2.4 门限比较电路
门限比较电路（图3）由集成运放LM747，二极管4148，可调门限电阻，接地电阻等组成.磁钢信号经过放大后进入比较器，U =U 输出端的状态发生变化.二级管是让正相电压通过， LM747的供电电压为±12V，根据反馈回路的分压比可以算得下三路的门限电压约为6V（一般使用ZR磁钢时，门限电阻为10K，接地电阻为10K），磁钢信号经比较器后输出一个方波信号（此方波信号是由处理后的磁钢模拟信号由正到负的过零点触发，这就保证了每一次的触发输出脉冲起始点处于一致状态，为后续处理电路提供了相同的标准）。方波输出经微分电路后，分为两路：一路经过反相器74LS14，接发光二极管， 可以方便地观察磁钢板是否被触发；另一路经过74LS14整形输出TTL电平信号，供后级数字电路使用。门限电压的存在对系统抑制前级干扰有较好的作用。如果将门限电阻增大，则门限电压减小，更适应于低速区段的设备.反之，门限电阻减小，门限电压将会增大，更适用于列车高速区段。
3.3 HTK-391型红外线轴温探测设备各ZR磁钢功能及测速、测轴距原理分析
当列车通过探测站，车轮压至开机磁钢时探测站主机首先判断是车轮信号还是干扰信号，当磁钢有效信号大于3次时，认为是来车信号，此时探测站主机系统向上位机发送一次正在过车报文，然后系统停止自检和对上位机通信联络，探测站系统准备接车，探头系统停止校零，校零灯灭，计算机采集环温箱的温度，采集探头此刻的输出，即是挡板温度，打开保护门，准备处理来车的各种信息，为轴温采集做好准备工作。
开门、关门磁钢配合完成测速、测轴距工作。
测速：当列车第一个轮压上开机磁钢时，探测站计算机记下该时t1，该轮压至关门磁钢时，记下该时刻t2，所以当同一轮从开门磁钢到关门磁钢所需时间为△t=t2-t1。又由于开门关门磁到关门磁钢之间距离设定为s=270mm，因此车轮通过开门磁钢、关门磁钢时的速度为v=270mm/t2-t1。这样就测出了该车轮通过探测点时的速度，系统显示的通过车最低、最高速度即通过车全列轴中的最低和最高速度。测出列车速度以后，我们可以进一步来测轮与轮之间距离。
测轴距：当下一轮压至开机磁钢时，记下该时刻t3，即可算出车轮与车轮之间的距离 L=V×（t3-t1）=270×（t3-t1）/ t2-t1，计轴距。
关门磁钢控制轴温采集：
当列车压至关门磁钢时，固定延时11个点（约等于150mm）开始采集，采集距离450mm，共采集32点。
采样所需的时间T = s / t = 4 5 0 / V=450x（t2-t1）/270
采样间隔时间δt=T/32=450x（t2-t1）/270x32
采样频率为f=32/T=270x32/450x（t2-t1）
判断列车是否通过：
计算机通过判断两次磁钢信号间的时间间隔是否大于t=25.5/v来判断列车是否通过，若时间小于t，即轮与轮间小于25.5mm表明列车还没有过完。若时间大于t，即轮与轮间大于25.5mm，判列车已过。
3.4 磁钢干扰噪声主要来源分析
3.4.1 电气化化区段接触网回流对磁钢造成的干扰（见图4）
电气化铁路采用工频单相交流牵引制，额定电压为25KV。牵引供电回路是由牵引变电所-馈电线-接触网-电力机车-钢轨-回流联接-（牵引变电所）接地网组成的闭合回路，其中形成的电流成牵引电流。如果磁钢安装在电网回路一侧的钢轨上，由于牵引电流的作用，就会对磁钢产生干扰信号，影响设备正常运行。
3.4.2 车速不均造成的干扰
列车在运行中行驶速度不是一成不变的，在加速运行时能达到100Km/h，甚至更高，而在刹车或减速时不过3-10Km/ h，这就对探测工作造成很大的影响。若列车速度过低，切割磁钢时磁通量变化率就低，磁钢输出信号幅度低（见磁钢工作原理图），不能形成车轮信号，设备无法正常探测。
3.4.3 雷雨天气对磁钢造成的干扰
一是雷雨天气配件的电器绝缘性能下降，雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损。二是设备接地部位在雷击时产生瞬间高电位，形成电位差而损坏设备。三是感应电流造成的破坏。由于雷击产生的电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，对设备产生强烈的破坏性。
3.4.4 其它因素对磁钢造成的干扰
3.4.4.1磁钢安装的方法或安装位置不当。如果与钢轨之间间距小，易产生钢轨回流感应干扰。如果距离钢轨接头较近，车辆通过时会产生较大震动，易产生磁钢振动干扰。对设备有较大影响。
3.4.4.2设备检修不到位造成的干扰。列车车辆在运行中，轮对与钢轨的摩擦产生了大量的铁粉，会吸附在磁钢上，若在设备检修过程中不能清理干净，当铁粉达到一定量时，就有可能对磁钢造成干扰，影响设备探测。
3.5 新旧磁钢对比分析
新更换的ZR磁钢是2012年生产的，原磁钢是2010年生产，两批磁钢参数不一样，2012年磁钢，为更好的适应低速列车，磁钢灵敏度在原磁钢基础上略有上调，因此在提高磁钢输出幅度的同时，磁钢噪声信号、外界干扰信号也随之增大。
结论：通过对磁钢、磁钢板、磁钢测速、测距原理分析及干扰信号源和新旧磁钢参数对比分析，可以看出：线路上存在的各种噪声信号经过输入电路、放大电路放大后，超过电压比较器设定的门限电压，经微分电路、反相器输出TTL信号，形成磁钢信号，触发主机计数，造成磁钢计数异常故障。在同样干扰环境下，新磁钢比老磁钢输出的干扰信号大，对设备影响大，导致更换磁钢后发生磁钢异常故障。
4 采取措施
根据以上造成设备故障的原因分析，必须在原磁钢基础上调整抗干扰功能，滤掉外界干扰信号，保证正常磁钢信号的真实性，不受干扰，才能做到磁钢计数精准，测速，测轴距，判量工作正常、采集到的轴温数据准确，不因轴距错而误报高温。在现场实践中采取了如下措施：
4.1 调整磁钢板上输入电阻。
原输入电阻为1.2KΩ，调整为输入电阻0.8KΩ。降低输入电阻可使放大器输入端的磁钢干扰噪声信号幅度降低，进而降低了电压比较器输入端电压，使其不超过门限电压，干扰噪声信号就不能通过，起到抗干扰作用。
4.2 调整磁钢板上门限电阻。
原门限电阻为5.6KΩ，调整为门限电阻3.6KΩ。降低门限电阻可使门限电压升高，使其干扰噪声信号不能通过，起到抗干扰作用。
4.3 调整磁钢板上脉宽调整电位器RV1（关门）、RV2（开门）RV3（开机）电阻值。由原来的50KΩ，调整为60KΩ，阻值越大脉宽越宽，抗干扰性能越好。可以滤掉窄脉冲干扰信号。
4.4 在磁钢与卡具接触的部分加装可靠的结缘垫，安装螺栓时加装尼龙套和绝缘垫圈，以减少感应电流对磁钢的干扰。
4.5 日常检修中，及时清理磁钢表面上的磁粉，减少磁粉过多产生的电磁干扰。
5 取得的效果
实施以上措施后，HTK-391+双探型设备运转良好，至今未发生磁钢开关门计数不等、开机磁钢异常计数多、异常复位等磁钢故障，故障发生率为0，与处理前相比故障发生率降低了23个百分点，确保了设备的安全稳定运行。
二〇一三年四月四日
关键词：ZR磁钢；故障分析；处理
1 问题的提出
目前大秦线使用的红外线设备为哈尔滨威克科技股份有限公司开发研制的HTK-391+双探型设备，根据《铁道部车辆轴温智能探测系统设备检修维护管理规程》规定磁钢使用年限为两年。我车间负责维修的大秦线遵化北至柳村二场间17套红外线设备共计51个ZR磁钢，为2010年11月份更换安装使用的，已使用两年。车间于2012年10月份利用大秦线天窗维修时间，陆续安排对到期的51个ZR磁钢进行更换。更换新型ZR磁钢后相继有几个探测站发生开、关门磁钢计数不等、开机磁钢异常，计数多、设备异常复位等故障，据统计，截止2013年1月底，上述故障发生率为23.5%，造成红外线设备计轴、计辆、测速、测轴距不准，严重时由于计轴、计量、判别车型不准导致误报热轴，设备无法正常工作，严重威胁列车运行安全和行车秩序。因此，对故障原因进行分析并采取相应对策十分重要。
2 现场检查测试情况
在列车通过时用示波器测量，计数多的磁钢干扰噪声信号强，其峰峰值在1V以上，高的达到1.7V，频率一般在50-60HZ之间，干扰信号波形（见图1）。
3 原因分析
3.1 ZR磁钢工作原理分析：
ZR磁钢核心部分是采用“┻”形磁体充上强磁场后，套上高强度漆包线绕制的线圈，用环氧树脂封装在尼龙壳里。列车通过探测站时，轮缘从卡在钢轨内测的磁钢顶面通过，切割磁力线，线圈上产生感应电动势。
根据电磁感应定律，感应电动势ε为：
ε=-dφ/dt
式中：n为线圈匝数 dφ/dt为磁通量变化率
车速越大，感应电动势越大，波形如图2所示：
3.2 磁钢板工作原理分析
3.2.1 磁钢信号的输入
磁钢信号先经过电容滤波，滤除干扰信号，再通过输入电阻对整个信号进行衰减，接着经过一个限幅电路，将过高的电压限幅在9.4V内，才输送给滤波电路。
3.2.2 一阶低通有源滤波
在轨边复杂电磁环境和列车强大冲击震动状态下，磁钢信号输入不可避免会有噪声冲击等干扰声信号进入电路，一阶低通有源滤波电路主要起滤除这些干扰的作用，但为防止大信号的堵塞，磁钢板专设可调的输入电阻（调整范围为910Ω-3.6KΩ）对所有输入信号进行了衰减，然后再把衰减过的信号输送给放大电路进行下一步的处理。输入电阻过大，输入信号也增大时，可能因干扰串入产生多轴，所以在车速较高时，应将输入电阻降低. 391磁钢板出厂时通常设置的输入电阻为3.6K（板上备调整的电阻为1.8K，2.2K），使用ZR磁钢时，可将输入电阻降低为1.2K-1.5K左右，以设备在接车过程中不多轴不漏轴为准。
3.2.3 一级放大电路
此放大电路主要由集成运放LM747，输入电阻， 反馈电阻，频带压缩电容构成，采用差分输入，整个放大电路放大倍数约为13倍，磁钢信号经过放大后送到门限比较电路。
3.2.4 门限比较电路
门限比较电路（图3）由集成运放LM747，二极管4148，可调门限电阻，接地电阻等组成.磁钢信号经过放大后进入比较器，U =U 输出端的状态发生变化.二级管是让正相电压通过， LM747的供电电压为±12V，根据反馈回路的分压比可以算得下三路的门限电压约为6V（一般使用ZR磁钢时，门限电阻为10K，接地电阻为10K），磁钢信号经比较器后输出一个方波信号（此方波信号是由处理后的磁钢模拟信号由正到负的过零点触发，这就保证了每一次的触发输出脉冲起始点处于一致状态，为后续处理电路提供了相同的标准）。方波输出经微分电路后，分为两路：一路经过反相器74LS14，接发光二极管， 可以方便地观察磁钢板是否被触发；另一路经过74LS14整形输出TTL电平信号，供后级数字电路使用。门限电压的存在对系统抑制前级干扰有较好的作用。如果将门限电阻增大，则门限电压减小，更适应于低速区段的设备.反之，门限电阻减小，门限电压将会增大，更适用于列车高速区段。
3.3 HTK-391型红外线轴温探测设备各ZR磁钢功能及测速、测轴距原理分析
当列车通过探测站，车轮压至开机磁钢时探测站主机首先判断是车轮信号还是干扰信号，当磁钢有效信号大于3次时，认为是来车信号，此时探测站主机系统向上位机发送一次正在过车报文，然后系统停止自检和对上位机通信联络，探测站系统准备接车，探头系统停止校零，校零灯灭，计算机采集环温箱的温度，采集探头此刻的输出，即是挡板温度，打开保护门，准备处理来车的各种信息，为轴温采集做好准备工作。
开门、关门磁钢配合完成测速、测轴距工作。
测速：当列车第一个轮压上开机磁钢时，探测站计算机记下该时t1，该轮压至关门磁钢时，记下该时刻t2，所以当同一轮从开门磁钢到关门磁钢所需时间为△t=t2-t1。又由于开门关门磁到关门磁钢之间距离设定为s=270mm，因此车轮通过开门磁钢、关门磁钢时的速度为v=270mm/t2-t1。这样就测出了该车轮通过探测点时的速度，系统显示的通过车最低、最高速度即通过车全列轴中的最低和最高速度。测出列车速度以后，我们可以进一步来测轮与轮之间距离。
测轴距：当下一轮压至开机磁钢时，记下该时刻t3，即可算出车轮与车轮之间的距离 L=V×（t3-t1）=270×（t3-t1）/ t2-t1，计轴距。
关门磁钢控制轴温采集：
当列车压至关门磁钢时，固定延时11个点（约等于150mm）开始采集，采集距离450mm，共采集32点。
采样所需的时间T = s / t = 4 5 0 / V=450x（t2-t1）/270
采样间隔时间δt=T/32=450x（t2-t1）/270x32
采样频率为f=32/T=270x32/450x（t2-t1）
判断列车是否通过：
计算机通过判断两次磁钢信号间的时间间隔是否大于t=25.5/v来判断列车是否通过，若时间小于t，即轮与轮间小于25.5mm表明列车还没有过完。若时间大于t，即轮与轮间大于25.5mm，判列车已过。
3.4 磁钢干扰噪声主要来源分析
3.4.1 电气化化区段接触网回流对磁钢造成的干扰（见图4）
电气化铁路采用工频单相交流牵引制，额定电压为25KV。牵引供电回路是由牵引变电所-馈电线-接触网-电力机车-钢轨-回流联接-（牵引变电所）接地网组成的闭合回路，其中形成的电流成牵引电流。如果磁钢安装在电网回路一侧的钢轨上，由于牵引电流的作用，就会对磁钢产生干扰信号，影响设备正常运行。
3.4.2 车速不均造成的干扰
列车在运行中行驶速度不是一成不变的，在加速运行时能达到100Km/h，甚至更高，而在刹车或减速时不过3-10Km/ h，这就对探测工作造成很大的影响。若列车速度过低，切割磁钢时磁通量变化率就低，磁钢输出信号幅度低（见磁钢工作原理图），不能形成车轮信号，设备无法正常探测。
3.4.3 雷雨天气对磁钢造成的干扰
一是雷雨天气配件的电器绝缘性能下降，雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损。二是设备接地部位在雷击时产生瞬间高电位，形成电位差而损坏设备。三是感应电流造成的破坏。由于雷击产生的电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，对设备产生强烈的破坏性。
3.4.4 其它因素对磁钢造成的干扰
3.4.4.1磁钢安装的方法或安装位置不当。如果与钢轨之间间距小，易产生钢轨回流感应干扰。如果距离钢轨接头较近，车辆通过时会产生较大震动，易产生磁钢振动干扰。对设备有较大影响。
3.4.4.2设备检修不到位造成的干扰。列车车辆在运行中，轮对与钢轨的摩擦产生了大量的铁粉，会吸附在磁钢上，若在设备检修过程中不能清理干净，当铁粉达到一定量时，就有可能对磁钢造成干扰，影响设备探测。
3.5 新旧磁钢对比分析
新更换的ZR磁钢是2012年生产的，原磁钢是2010年生产，两批磁钢参数不一样，2012年磁钢，为更好的适应低速列车，磁钢灵敏度在原磁钢基础上略有上调，因此在提高磁钢输出幅度的同时，磁钢噪声信号、外界干扰信号也随之增大。
结论：通过对磁钢、磁钢板、磁钢测速、测距原理分析及干扰信号源和新旧磁钢参数对比分析，可以看出：线路上存在的各种噪声信号经过输入电路、放大电路放大后，超过电压比较器设定的门限电压，经微分电路、反相器输出TTL信号，形成磁钢信号，触发主机计数，造成磁钢计数异常故障。在同样干扰环境下，新磁钢比老磁钢输出的干扰信号大，对设备影响大，导致更换磁钢后发生磁钢异常故障。
4 采取措施
根据以上造成设备故障的原因分析，必须在原磁钢基础上调整抗干扰功能，滤掉外界干扰信号，保证正常磁钢信号的真实性，不受干扰，才能做到磁钢计数精准，测速，测轴距，判量工作正常、采集到的轴温数据准确，不因轴距错而误报高温。在现场实践中采取了如下措施：
4.1 调整磁钢板上输入电阻。
原输入电阻为1.2KΩ，调整为输入电阻0.8KΩ。降低输入电阻可使放大器输入端的磁钢干扰噪声信号幅度降低，进而降低了电压比较器输入端电压，使其不超过门限电压，干扰噪声信号就不能通过，起到抗干扰作用。
4.2 调整磁钢板上门限电阻。
原门限电阻为5.6KΩ，调整为门限电阻3.6KΩ。降低门限电阻可使门限电压升高，使其干扰噪声信号不能通过，起到抗干扰作用。
4.3 调整磁钢板上脉宽调整电位器RV1（关门）、RV2（开门）RV3（开机）电阻值。由原来的50KΩ，调整为60KΩ，阻值越大脉宽越宽，抗干扰性能越好。可以滤掉窄脉冲干扰信号。
4.4 在磁钢与卡具接触的部分加装可靠的结缘垫，安装螺栓时加装尼龙套和绝缘垫圈，以减少感应电流对磁钢的干扰。
4.5 日常检修中，及时清理磁钢表面上的磁粉，减少磁粉过多产生的电磁干扰。
5 取得的效果
实施以上措施后，HTK-391+双探型设备运转良好，至今未发生磁钢开关门计数不等、开机磁钢异常计数多、异常复位等磁钢故障，故障发生率为0，与处理前相比故障发生率降低了23个百分点，确保了设备的安全稳定运行。
二〇一三年四月四日