基于光纖光柵傳感器的弓網狀態監測方案及其驗證試驗

韓冰

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

隨著軌道交通迅猛發展，軌道交通運行安全被高度重視。列車本身是電氣、機械、通信等諸多技術設備的融合，任何環節出問題都可能導致車輛甚至整條線路運行出現故障。受電弓與接觸網提供列車運行所需全部電力，對車輛正常安全運行尤為重要，但由于其工作在高壓區域（地鐵直流1500 V，高鐵交流27.5 kV），無法安裝傳統電荷式傳感器，因此長期缺少有效的實時檢測手段。

目前，列車受電弓主要在車輛入庫后，依靠傳統的人工手段進行檢修，不僅存在人為因素的干擾，而且發現問題不及時，對車輛運行過程中的弓網接觸狀況無法進行有效的實時檢測。本文通過對弓網故障分析，結合弓網安全監測的實際需求，提出將光纖光柵傳感器用于弓網接觸狀態檢測的方案，可利用光纖光柵傳感器進行碳滑板應變變化實時檢測，并從理論模型和試驗測試兩方面進行驗證。

1 弓網狀態檢測現狀及需求

1.1 弓網接觸關系

受電弓與接觸網的接觸狀態及結構外觀如圖1所示，受電弓安裝在列車車頂上，運行過程中，碳滑板與接觸網線間高速滑動接觸，通過受電弓將接觸網線的高壓電用于為列車運行提供動力，因此受電弓與接觸網線間可靠接觸是保證電力機車良好受流的關鍵條件。在車輛運行過程中，弓網接觸力、接觸線抬升量以及弓網燃弧率等數據是評估弓網動態性能的關鍵參數，尤其是弓網接觸力，直接體現受電弓與接觸網間接觸狀態，能夠為受電弓與接觸網的維護、檢修、匹配等提供數據支持［1-2］。

圖1 受電弓與接觸網接觸狀態實物圖

1.2 弓網接觸異常故障

由于受電弓與接觸網間接觸不平順，導致弓網間接觸力異常，可以造成諸多故障［3-4］。首先，由于可以造成碳滑板磨損不均勻，極大影響碳滑板的使用壽命，如圖2（a）所示；其次，過度磨損或沖擊會造成碳滑板縱向裂紋，如圖2（b）所示；最后，如果弓網間接觸力過大，能夠造成受電弓弓角組焊開焊故障，或受電弓上下臂桿其它位置開焊，造成受電弓損壞，甚至可能掛斷接觸網，造成整條線路停運，如圖2（c）所示。

圖2 碳滑板損壞故障實物圖

1.3 弓網檢測技術現狀

為了保證列車安全可靠地運行，中國、德國、日本、法國等國家都進行了弓網安全檢測技術研究，但受制于受電弓與接觸網間的高壓環境，傳統的電荷式力傳感器、加速度傳感器等測試手段無法應用到弓網檢測技術中。

目前，除了傳統的車輛入庫人工檢測手段外，針對弓網接觸檢測主要有以下三種方法［5-7］：一是在線激光照相法，主要應用在車輛出入庫過程中，列車在低速或停止狀態下，采用線激光或面激光對碳滑板外觀進行三維成像測量，以檢測碳滑板磨耗為主，輔助觀測弓網偏移狀態，只能獲取準靜態參數；二是在弓網檢測車上安裝受電弓動態監測系統，采用力傳感器和加速度傳感器測量受電弓接觸力、振動和沖擊情況，用于評判接觸網狀態，但此種方式破壞了受電弓原有結構，影響受電弓的可靠性和安全性，檢測車輛在低速運行狀態下工作，無法在正線運營的車輛上推廣使用；三是圖像視覺測量，包括高清攝像頭、紫外攝像機等，可以實現對接觸網導高、弓網間燃弧率的測量，但由于圖像采集過程中，容易受到外界環境的干擾，尤其是太陽光照射的影響，限制了此種方法的使用。三種檢測方法對比見表1。

表1 受電弓檢測方法對比

三種常用的受電弓檢測方法，均無法實現在正線運營的列車上實現對弓網接觸狀態的實時監測，因此為了保證車輛線路的運行安全，需要引入新的測量手段。新的測量手段需要在不改變受電弓固有結構的同時，能夠在高電壓高電磁環境下可靠工作，以實現弓網間接觸力的實時監測。

光纖光柵是通過使纖芯折射率發生軸向周期性調制而形成的衍射光柵，是一種無源濾波器件［8］，其諧振波長對溫度、應變、折射率、濃度等外界環境的變化比較敏感，因此在傳感領域得到了廣泛的應用。由于光纖光柵傳感器具有尺寸小、重量輕、耐高電壓、絕緣性好、信號傳輸不受電磁干擾等特點，能夠很好地適應弓網高壓接觸環境，為受電弓檢測提供了一個新的解決方案。國內外已有諸多高校和公司將光纖傳感用于受電弓檢測，圖3是西門子公司將光纖光柵傳感器用于受電弓檢測，在碳滑板與鋁合金框架間、受電弓弓頭、受電弓基座三處安裝了光纖傳感器，并用不同頻率進行信號采集，通過三處傳感器數據分析受電弓狀態［9-10］。

圖3 西門子公司光纖式受電弓檢測方案

2 光纖應變接觸力測量模型分析

由于碳滑板與接觸網直接接觸，因此碳滑板的變形能夠最直接地反映弓網間接觸力的變化。實際車輛上，碳滑板兩端固定安裝到受電弓支架上，因此可以假定碳滑板為兩端固支梁結構安裝，兩端部位為A，B，載荷p作用于C點，工作區間為EF之間，為了識別集中力載荷p的大小和位置，將應變傳感器分別安裝于E和F點，如圖4所示。

圖4 碳滑板簡化固支梁結構的受力示意圖

長度量l，x，e，f的含義見圖4。根據兩端固支梁模型的力學分析，A點、B點的支撐處的反作用力RA，RB和彎矩MA，MB分別為

則E點、F點的彎矩為

將式（1）和式（2）代入式（3），化簡可得

式中：εE和εF為在E點和F點利用光纖光柵傳感器測得的應變。根據此二元方程組可得載荷p的位置和大小。判斷x的解時，可根據應變關系縮小x的區間范圍，如：當εE＞εF時，x∈（e，l／2）；εE＜εF時，x∈（l／2，l-f）。實際安裝傳感器時，可令E和F點對稱，進而簡化計算。

3 試驗驗證

按國標規定接觸網線多為直徑10～15 mm的中空銅導線，因此，接觸網線與碳滑板間近似為線與面的接觸，接觸網線在碳滑板上往復滑動，對應位置會產生相應的形變，通過對接觸位置形變的測量，并利用應變與接觸力間的關系，可以推算出接觸力的量值。

3.1 地面靜態力加載試驗

為了實現光纖應變傳感器對接觸力的測量，首先需要確定光纖傳感器輸出的應變值與接觸力之間的對應關系。

實驗室用一段鋁合金型材模擬接觸網線，橫跨到4條碳滑板上，在碳滑板底部中間粘貼光纖光柵應變傳感器，并在其上方用標準砝碼施加壓力，模擬接觸力變化，同時將受電弓支撐起約80 cm，模擬受電弓升弓狀態，地面靜態力加載試驗裝置如圖5所示。

圖5 靜力加載試驗圖

在0～60 N范圍內，以10 N間隔重復增加或減少砝碼，試驗結果如圖6。

圖6 線性度試驗結果

通過數據分析可知，二者間線性度較好，應變與壓力間的比例關系為7με／10 N。加載和卸載過程，重復性較好。

重復上述試驗，對碳滑板重復加載卸載4次，4次試驗結果都有很好的線性度，由于實驗室環境溫度變化，導致測試數據有一定的整體偏移，實際使用過程中，也應引入溫度補償傳感器。

圖7 重復加載線性度試驗結果

3.2 弓網接觸力與應變狀態監測線路運行試驗

正線運營的列車單臺受電弓有4條碳滑板，中間對稱安裝5只光纖應變傳感器，間隔14 cm，同時每條碳滑板安裝2只光纖溫度補償傳感器，傳感器布局及安裝實物圖如圖8所示。

圖8 線路運行試驗碳滑板傳感器布局及實物圖

3.2.1 靜態接觸力驗證

受電弓在檢修庫升弓過程中，接觸線處于碳滑板中間，與實驗室試驗情況相同，因此升弓過程中，記錄4條碳滑板中間傳感器接觸力變化過程如圖9所示。

圖9 受電弓升弓過程接觸力變化過程圖

受電弓升起與接觸網達到穩定狀態后，1～4號碳滑板靜態接觸力測量值分別為32，24，22，31 N，其合力值為109 N，用人工檢測方法測得的受電弓靜態接觸力為112 N。采用光纖光柵傳感器的測量結果與人工檢測結果一致，滿足車輛段靜態接觸力（110±10）N的規定，因此利用光纖光柵傳感器能夠很好地檢測靜態接觸力。

3.2.2 運行過程中的驗證

地鐵線路晚間停運后，將傳感器加裝在列車上，分兩晚進行全線路ATO模式的驗證試驗，同時加裝了光纖溫度傳感器用于對測量值進行溫度補償。

首先，選取1號碳滑板3號應變傳感器數據進行對比分析，全線路該傳感器應變變化曲線如圖10所示，兩次測得的數據一致性很好，證明可以利用光纖應變傳感器對其接觸狀況進行監測，圖10中紅色橢圓形標出的應變突變位置，經線路核實，為道岔位置，符合實際情況。

圖10 傳感器應變變化對比圖

然后，利用光纖溫度傳感器對應變數據進行補償，溫度測量曲線及接觸力變化曲線如圖11和圖12所示，單條碳滑板接觸力在20～40 N之間變化，弓網間接觸力在100～160 N之間變化，利用光纖光柵傳感器能夠實現對在線路運行車輛弓網間接觸力變化的實時檢測。

圖11 溫度變化曲線

圖12 接觸力變化曲線圖

3.2.3 弓網接觸位置判斷

按照前述分析受電弓模型過程，選取1號碳滑板中間3號光纖應變傳感器和左右對稱的2號、4號光纖應變傳感器，得到35 s內3只傳感器的數據波形，如圖13所示。

圖13 1號碳滑板傳感器數據波形圖

通過對波形數據分析，可以發現，得到的數據并不能簡單按照論文推導的公式進行計算，得到預期的準確的接觸力大小和位置，初步分析這主要是由于在正線運行的列車上，弓網間接觸狀態還受到氣動載荷、機械振動等多種外部載荷的影響，并不能按照經典的力學公式推導，而應該結合受電弓在運行過程中的實際工況，進行更為詳盡的建模分析。

4 結束語

本論文提出利用傳感器進行受電弓與接觸網間接觸力測量以及弓網接觸狀態檢測，并通過試驗驗證了監測方案的可行性。但由于運行過程中弓網間接觸狀態復雜，所以本文未能建立應變與接觸力間準確的數學模型對弓網接觸力進行定量分析。

為能夠將光纖傳感技術真正應用到弓網接觸狀態實時檢測系統中，后期需要通過在正式運營車輛加裝光纖檢測系統，積累長期測試數據，利用大數據分析，對同一車輛以及不同車輛長期運行的時間空間數據進行環比統計分析，同時考慮碳滑板磨損等對測量結果的影響，建立準確的數學模型。