直線電機氣隙檢測裝置

李 鑫

(廣州市地下鐵道總公司,511436,廣州∥助理工程師)

直線電機是一種新型電機,近年來應用日益廣泛。廣州地鐵4號線車輛采用直線電機,其感應板固定于地面,相當于電機的轉子,跟導軌一起延伸到遠處;而直線電機的定子安裝在列車上,通以電流,列車就沿導軌前進。直線電機的定子跟感應板之間的氣隙有嚴格要求,氣隙大了會使車的牽引力不足,增加電耗;氣隙小了,容易燒壞電機。為了減少人工測量氣隙的誤差,降低勞動強度,開發了直線電機氣隙檢測裝置。目前該裝置已在廣州地鐵4號線投入使用,性能較穩定,并且測量精度基本符合要求。由于此項目屬科研項目,在使用的過程中會對設備進行進一步的改善。

1 工作原理

直線電機氣隙檢測裝置能夠通過在線動態檢測車輛直線電機相對于檢測點處軌平面的高度,經系統軟件處理及分析計算出相應的氣隙高度。為適應通過列車及檢測工況的要求,裝置能夠自動判別列車運行方向、自動測量及計算車輛軸速、自動記錄軸數,并根據設定的直線電機氣隙判別模型,實現氣隙高度值超限的預警、報警。該裝置的下位機整體安裝見圖1。

圖1 整體安裝圖

1.1 基本工作原理

當直線電機氣隙檢測裝置識別出車輛將進入到檢測區,即列車第一軸經過1號車輪傳感器時,裝置自動進入接車準備程序狀態,系統初始化所有變量,并啟動探測箱內氣路吹去激光位移傳感器表面灰塵;確認列車進入檢測區間后(即車輛第1軸經過2號車輪傳感器),系統啟動天線及探測箱的保護門,開始加載激光位移傳感器電源,準備采集電機高度數據和車號信息(當有標簽經過天線上方時,車號采集單元讀取標簽信息);當列車經過激光傳感器上方時,系統開始自動計算車速、采集高度數據;同時有標簽經過天線上方時,則開始采集車號信息;當判斷列車完全通過后,即列車的最后一軸經過3號車輪傳感器時,經過一段延時時間,裝置關閉保護門、關閉天線并進行數據處理。數據處理包括：截取電機高度數據,計算高度數據及相關值,計軸,計輛,標簽的重簽和錯簽的處理,標簽的定位,高度警報識別,存盤并形成過車報文傳送到數據管理及發布中心。

1.2 總體結構

直線電機氣隙檢測裝置共有2個探測站,一個數據管理發布中心。探測站1被安裝在廣州地鐵4號線洗車線上,探測站2被安裝在4號線檢修庫內,探測站1、探測站2的數據傳輸給DCC(車廠調度)中的數據管理發布中心。系統的基本結構框圖如圖2所示。

圖2 系統總體結構

1.3 各主要部件工作原理

1.3.1 激光位移傳感器

激光位移傳感器是整個系統當中最重要的部件之一,被安裝在探測箱內部,用來測量直線電機高度。每個探測箱內安裝有2個激光傳感器,橫向排開,從而檢測直線電機的傾斜程度。傳感器測量示意圖如圖3。傳感器利用了激光三角反射原理：由傳感器探頭發射出的激光,通過特殊的透鏡被匯聚成一個直徑極小的光束;此光束被直線電機測量表面漫反射到一個分辨率極高的CCD(電荷耦合元件)圖像傳感器上;通過CCD所感應到光束位置的不同,可精確測量被測物體位置的變化。傳感器在本系統中的工作原理如圖4。

圖3 傳感器測量示意圖

1.3.2 車輪傳感器工作原理

車輪傳感器在系統中的作用是作為車輛信號觸發、測量軸速以及控制系統的邏輯動作。車輪傳感器的測量原理是：傳感器能夠以非接觸的方式識別鐵磁物質;當鐵磁物質即車輛輪對進入傳感器測量范圍內時,傳感器產生信號,當鐵磁物質離開傳感器測量范圍時信號消失,從而形成對車輪的識別。

1.3.3 微波天線

微波天線在本系統中的作用是識別車載標簽。車號識別采用的是微波反射調制技術。地面天線發射微波并接收標簽返回信息,解調反射回的微波信號,實時地分析微波信號,解讀車號信息。車號信息被存儲在車號標簽內。車號標簽是一種RFID(電子標簽),其內部Flash(內存)中存儲20位ASCII碼信息。當標簽進入到天線測量范圍內,微波的能量激活標簽內的電路;工作的電路將標簽內信息、車號標簽安裝在地鐵車輛底部,當車輛經過天線上部時,天線即讀取標簽內的信息。

圖4 傳感器測量示意圖

圖5 探測站主電柜內部結構圖

1.3.4 探測站結構

軌旁設備是系統控制及數據處理的核心之一,主要有氣泵柜及主機柜。氣泵柜內由空壓機及相關氣動控制開關組成。主機柜內包括傳感器輸入輸出控制用的電源及信號控制箱,提供系統AC(交流)電源的遠程電源控制箱和UPS(備用電源),用于傳感器信號計算及處理的工控機等。圖5所示為主機柜組成示意圖。系統中各類傳感器信號通過分線箱進入電源及信號控制箱,再轉入主機中,進行數據處理。詳細信號傳輸原理如圖6。

圖6 主電柜內信號傳輸原理

2 系統軟件流程圖

系統軟件采用Microsoft公司的Vc++6.0工具開發。系統檢測程序主流程圖如圖7。

圖7 軟件流程圖

3 結語

直線電機氣隙檢測裝置是利用激光傳感器來測量直線電機與感應板之間的間隙,并將每一列車的數據傳輸到服務器上,檢修人員可以直觀、準確地觀察到氣隙距離。當出現任何問題,該裝置將會發出警告,并通知檢修人員及時地處理。這種遠程監控模式給工作帶來了極大的方便：檢修人員可以在同一時間觀測到多臺車的直線電機情況,如有故障,可以在第一時間進行搶修,避免了特殊事件的發生。這套系統還擁有遠程操作功能,當檢修人員需要關閉或重啟某一套系統時,可以通過電話線進行遠程控制,非常方便地將電源打開或者關閉。

[1] 王俊峰,孟令啟.傳感器應用技術[M].北京：機械工業出版社,2006.

[2] 郎為民.射頻識別(RFID)技術原理與應用[M].北京：機械工業出版社,2006.