基于MOMS(微光機系統)傳感技術的地鐵弓網 關系實時監測系統

吳迅奇

(寧波正業自動化科技有限公司,315103,寧波∥高級工程師)

地鐵具有運量大、出行便捷、運行速度較快等優點,已逐漸成為城市居民出行的首選交通工具。但與此同時,這也為地鐵的運營安全,尤其是弓網間正常的工作狀態帶來了嚴峻的挑戰。當列車運行時,若行車線路上的接觸線存在硬點、弓網間接觸力異常或弓網間發生燃弧等接觸不良的狀況,則會影響地鐵的正常運營。MOMS(微光機系統)傳感器具有無源、抗振動和抗電磁干擾等優點,能夠用于監測受電弓與接觸線之間是否擁有良好的受流關系。本文提出一種基于MOMS傳感技術的地鐵弓網關系實時監測系統(以下簡稱“弓網關系監測系統”),在不改變受電弓結構的基礎上,通過在受電弓弓頭上加裝MOMS加速度傳感器和弓網接觸力傳感器,實時監測受電弓與接觸線之間壓力的動態變化,同時還能檢測出由接觸線硬點撞擊受電弓弓頭所產生的振動沖擊。本文研究可為地鐵的安全運營和智能維護提供數據支撐和工程經驗,具有一定的實用價值。

1 現有傳感技術

目前,用于地鐵弓網關系監測的主要技術有電子傳感技術和視覺成像技術。電子傳感技術屬于接觸式測量,其通過有源探測的方式采集信號,但所采集到的信號受電磁干擾嚴重,后續數據分析較為困難。此外,電子傳感技術的信號傳輸電纜存在安全隱患,易引發嚴重的電氣絕緣事故,對車內乘客的生命安全造成嚴重威脅。因此該技術沒有廣泛推廣應用于城市軌道交通領域。視覺成像技術屬于非接觸式測量,不能針對弓網間的動力學特性(如硬點、弓網接觸力等)進行有效探測和反饋。對于大部分受電弓和弓網關系運行參數僅僅起到事后視頻查閱和事故追溯的作用。因此,從采購成本、運維成本和實際監測效果等方面綜合考量,將視覺成像技術用于監測地鐵弓網系統的運行狀態不是最佳方案。

2 MOMS傳感技術

MOMS傳感技術的探測端具有無源、寬溫、微型化、抗電磁干擾、輕便、易組網和免維護等特性,可用于對被測物體或環境的長期精準測量,降低智慧運維系統的復雜度和投資成本。與MOMS傳感器搭配的高速傳感解調模塊由多片FPGA(現場可編程門陣列)級聯構造成高速并行總線式實時處理器陣列,其數據處理能力可以達到10 Gibit/s,不僅保證了多個測量通道彼此并行獨立,還能夠以高達1～100 kHz的掃描頻率同步解調動態波長信號。以MOMS傳感技術為基礎的傳感器和高速傳感解調模塊非常適用于實時監測列車運行速度為80 km/h的地鐵,甚至是列車運行速度為350 km/h高鐵的弓網關系。

3 弓網關系監測系統

所提弓網關系監測系統由4個MOMS接觸力傳感器、2個3軸MOMS加速度傳感器和1臺高速MOMS傳感查詢儀組成。MOMS傳感器在受電弓弓頭的安裝位置示意圖如圖1所示。所選用的受電弓為地鐵用雙碳滑板彈簧箱式受電弓。4個具有溫度補償功能的MOMS接觸力傳感器以墊片的形式集成嵌入在彈簧箱內;2個3軸MOMS加速度傳感器安裝于受電弓弓頭,使該加速度傳感器的3個軸分別平行于地鐵線路的垂向、橫向和縱向。高速MOMS傳感查詢儀置于地鐵車廂的電氣柜內,該查詢儀內的激光器掃描頻率為2 500 Hz,可以對所有光學通道進行同步掃描探測并采集數據。對于列車運行速度為80 km/h的地鐵,其線路上的空間分辨率可以達到8.9 mm。

圖1 MOMS傳感器在受電弓弓頭的安裝位置示意圖

4 監測結果及分析

4.1 接觸線存在硬點

通過受電弓弓頭上的加速度傳感器能監測接觸線的硬點。一般情況下,當列車運行時,受電弓弓頭沿垂向上下振動,根據列車運行速度及接觸線高度與類型的不同,受電弓弓頭的振動加速度在一定范圍內波動,如±10g(g為重力加速度)。若受電弓弓頭撞上接觸線上的硬點,將會瞬間產生100g至200g的振動加速度。MOMS加速度傳感器采集到的受電弓弓頭垂向加速度如圖2所示。由圖2可知,當列車運行至約72.6 min時,受電弓弓頭垂向加速度瞬時值從-200g變為了120g,說明此處的受電弓弓頭振動沖擊值非常大,可能由接觸線上的硬點所導致。

圖2 MOMS加速度傳感器采集到的受電弓弓頭 垂向加速度

通過受電弓弓頭上的接觸力傳感器也能監測接觸線的硬點。當受電弓弓頭撞上接觸線的硬點時,受到硬點沖擊的受電弓弓頭會瞬間脫離接觸線,此時弓網間由于相互分離而沒有力的傳遞,因此接觸力傳感器探測到的接觸力值趨向于0。然后,受電弓弓頭和接觸線會向各自反方向回彈,并再次相撞式接觸,此時接觸力傳感器監測到的弓網間接觸力值會異常高,這也可以視作判斷接觸線硬點的依據。由MOMS接觸力傳感器采集到的不同列車運行時間下的接觸力如圖3所示。由圖3可知,當列車運行至約72.6 min時,接觸力瞬時值從10 N變為了200 N,波動幅度約為190 N。此處接觸力異常可能是由于接觸線上的硬點對運動中的受電弓碳滑板造成的沖擊所致。

圖3 MOMS接觸力傳感器采集到的列車不同運行 時間下的接觸力

4.2 弓網間接觸力

當列車運行時,為了讓受電弓能夠從接觸線上正常受流,弓網間必須保持一定的接觸力,接觸力的大小視不同結構的受電弓及列車行駛速度而定。本文所選用的受電弓弓網間接觸力為120 N時,可正常受流。若受電弓和接觸線之間的接觸力過大,則會給碳滑板造成過多的機械磨耗,且弓網間不平穩的相互接觸也會導致沖擊振動異常,嚴重時會出現弓拉斷網或網撞飛弓的事故。若受電弓和接觸線之間的接觸力過小,則會出現受電弓受流不良及弓網間產生燃弧現象,而頻繁發生燃弧現象會給碳滑板造成過多的電氣磨耗。

單個接觸力傳感器采集到的弓網間接觸力值如圖4所示。由圖4可知:當列車停車時,單個碳滑板上每個接觸力傳感器的測量值是不變的,其時域曲線是平坦的;當列車行駛時,單個碳滑板上每個接觸力傳感器的測量值是變化的,其時域曲線是鋸齒形的。因此,就同一根碳滑板的兩端接觸力傳感器而言,其各自的測量值呈Z字形變化,測量值與接觸線在線路上的拉出值保持一致。

圖4 單個接觸力傳感器采集到的弓網間接觸力值

受電弓弓頭與接觸線間的接觸力值如圖5所示。由圖5可知:當列車停車時,靜態的接觸力值基本保持在120 N左右;當列車行駛時,動態的接觸力值基本維持在100～140 N。受電弓的跟隨性均隨著弓網間相互作用頻率的增大而變差[1]。

圖5 受電弓弓頭與接觸線間的接觸力值

4.3 弓網間的燃弧現象

弓網間的燃弧現象是列車在運行過程中由于弓網接觸不穩定導致的接觸線和受電弓弓頭相互脫離,使得空氣間隙被擊穿而引起的放電現象,同時伴隨瞬間高溫和高頻電磁脈沖現象的產生。燃弧現象是一種接觸線和受電弓弓頭在機械上分離,但在電氣上相連的狀態,故通過集成安裝在受電弓弓頭上的MOMS加速度傳感器和接觸力傳感器可以間接地評估弓網間的燃弧程度。弓網間的沖擊越大,產生燃弧的強度就越高;弓網間的沖擊頻次越頻繁,產生燃弧現象的概率就越大。

5 結語

通過在受電弓弓頭上安裝MOMS加速度傳感器和接觸力傳感器,實時監測受電弓的振動狀態,以及受電弓和接觸線之間的動態接觸力值,為地鐵線路上接觸線的定點維護和車輛上受電弓的及時維護提供數據支撐。在國家對信息技術的不斷投入下,與鐵路技術密切相關的人工智能和新技術正在締造一種新的勞動力,這也將是智慧化鐵路的發展方向之一。