車載光纖傳感系統(tǒng)對(duì)電客車弓網(wǎng)關(guān)系的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

吳迅奇

(上海拜安傳感技術(shù)有限公司 上海 201210)

1 現(xiàn)有弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足與分析

目前，弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)有機(jī)器視覺成像技術(shù)[1-3]和電子類傳感器技術(shù)。兩者關(guān)于可監(jiān)測(cè)項(xiàng)點(diǎn)和安裝工藝項(xiàng)點(diǎn)的對(duì)比如表1所示。

表1 機(jī)器視覺成像技術(shù)與電子類傳感器技術(shù)之間測(cè)量效果對(duì)照表

因此，為避免影響電客車運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)間的正常工作關(guān)系，亟需一種無源探測(cè)式的、體積更小、質(zhì)量更輕的監(jiān)測(cè)元件安裝在受電弓弓頭上，對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 MEMS光纖弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

基于MEMS光纖傳感技術(shù)和高速光纖解調(diào)技術(shù)組建的弓網(wǎng)關(guān)系實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由4支MEMS光纖接觸力傳感器、2支MEMS光纖3軸加速度傳感器和1臺(tái)高速光纖傳感分析儀組成。所選用受電弓為一款地鐵用雙碳滑板彈簧箱式受電弓，MEMS光纖傳感器在受電弓弓頭的安裝位置如圖1所示[4]，其中4支具有溫度補(bǔ)償功能的MEMS光纖接觸力傳感器以墊片的形式集成嵌入在彈簧箱內(nèi)，使該墊片式接觸力傳感器的一面位于彈簧箱底部，另一面與彈簧箱內(nèi)起阻尼或/和緩沖作用的彈簧相接觸；2支MEMS光纖3軸加速度傳感器借助受電弓弓頭上碳滑板底座的預(yù)制安裝孔，各自位于弓頭兩條碳滑板的一側(cè)，并相互在弓頭上斜對(duì)稱布置安裝，且該加速度傳感器的3個(gè)軸分別平行于地鐵線路上所定義的垂向、橫向和縱向方向。

圖1 MEMS光纖傳感器在受電弓上的安裝位置

MEMS光纖傳感弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光路布線圖如圖2所示。由于6支MEMS光纖傳感器的總質(zhì)量非常輕，所以不會(huì)對(duì)受電弓弓頭在升弓工作狀態(tài)下產(chǎn)生影響。所選用的MEMS壓力芯片的量程為200 N，MEMS加速度芯片的量程為±200g；具有16組光學(xué)通道的高速光纖傳感分析儀以2U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的形式置于地鐵車廂的電氣柜內(nèi)，該分析儀內(nèi)的掃描激光器的頻率為2 500 Hz，可以對(duì)高速傳感分析儀的16組光學(xué)通道進(jìn)行同步掃描探測(cè)并采樣數(shù)據(jù)。另外，在不改變車頂和車內(nèi)結(jié)構(gòu)的情況下，該系統(tǒng)可完全勝任對(duì)行駛電客車的弓網(wǎng)進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 MEMS光纖傳感弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光路布線圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

系統(tǒng)用波長(zhǎng)探測(cè)并采集了國(guó)內(nèi)某條地鐵線上的弓網(wǎng)關(guān)系數(shù)據(jù)，通過圖3可知，該電客車在90 min內(nèi)共行駛了36個(gè)區(qū)間路段。

圖3 單支接觸力傳感器采集到的弓網(wǎng)間接觸力值

3.1 對(duì)弓網(wǎng)接觸力的監(jiān)測(cè)

電客車在行駛時(shí)，為了讓受電弓能夠從接觸線上正常受流，弓網(wǎng)間必須保持一定的接觸力，接觸力的大小視不同結(jié)構(gòu)的受電弓而定，一般弓網(wǎng)間接觸力為定值，例如80 N或120 N。每組碳滑板、碳滑板底座和羊角由兩支弓頭支座支撐，接觸力傳感器集成在弓頭支座的阻尼/緩沖系統(tǒng)上。

圖3為90 min內(nèi)單支MEMS光纖接觸力傳感器所采集到的弓網(wǎng)間接觸力值，圖4為第34號(hào)區(qū)間路段上，單支MEMS光纖接觸力傳感器所采集到的弓網(wǎng)間接觸力值。如圖4所示，停車時(shí)，單支碳滑板上每支接觸力傳感器的測(cè)量值是不變化的，時(shí)域曲線是平坦的；行車時(shí)，單支碳滑板上每支接觸力傳感器的測(cè)量值是變化的，時(shí)域曲線是鋸齒形的，因此，就同一根碳滑板兩端的接觸力傳感器而言，其各自的測(cè)量值呈“Z”字形變化，與接觸網(wǎng)在線路上的拉出值保持一致。

圖4 第34號(hào)路段上單支接觸力傳感器采集到的弓網(wǎng)間接觸力值

圖5 受電弓弓頭與接觸線之間的接觸力值

單支碳滑板所承受的接觸力是其兩端接觸力傳感器測(cè)量值之和，而受電弓弓頭與接觸線之間的接觸力是所有碳滑板所承受的接觸力之和(見圖5)。在整個(gè)電客車行駛路段上，受電弓和接觸線之間的動(dòng)態(tài)接觸力以120 N和130 N為中心線上下波動(dòng)，波動(dòng)幅值在±20 N和±30 N左右，受電弓和接觸線之間的接觸力在大部分路段表現(xiàn)異常，存在過高機(jī)械磨耗，因此弓網(wǎng)工作狀態(tài)不理想。在72.6 min時(shí)，無論是單支接觸力傳感器還是作為整體的受電弓弓頭所感受到的動(dòng)態(tài)接觸力值都非常異常，接觸力瞬間從10 N達(dá)到了200 N，波動(dòng)幅度約為190 N左右(見圖6)，因此，此處接觸力異常疑似由于接觸線上的硬點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的受電弓碳滑板造成的沖擊所導(dǎo)致。

圖6 第29號(hào)路段上受電弓弓頭與接觸線之間的接觸力值

3.2 對(duì)接觸線硬點(diǎn)的監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可通過集成在受電弓弓頭上的加速度傳感器中的垂向加速度值，對(duì)接觸線上的硬點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一般情況下，電客車在運(yùn)行時(shí)，受電弓的弓頭會(huì)在垂向方向上做上下振動(dòng)，依據(jù)行車速度及接觸線的高度、類型不同，在一定的區(qū)間內(nèi)振動(dòng)，例如±10g。如果受電弓弓頭撞上接觸線上的硬點(diǎn)，會(huì)瞬間產(chǎn)生±100～200g的沖擊(見圖7、圖8)。

圖7 加速度傳感器垂向方向上的加速度值

圖8 第29號(hào)路段上加速度傳感器垂向方向上的加速度值

圖7展示了90 min內(nèi)，MEMS光纖加速度傳感器所采集到垂向方向上的加速度值，可以看出，其中的第1、4、12、22、25、26、34和35號(hào)路段上，受電弓弓頭的振動(dòng)幅度在±75g左右，接觸線對(duì)弓頭的沖擊較大，疑似為接觸線不平順的集中路段，結(jié)合弓網(wǎng)接觸力傳感器反饋的數(shù)據(jù)可知該8處路段狀態(tài)比較糟糕。其余路段上的振動(dòng)幅度在±10g左右，基本屬于正常，因此接觸線狀態(tài)比較好。圖8展示了第29號(hào)路段上，MEMS光纖加速度傳感器所采集到垂向上的加速度值，可看出同樣在第72.6 min時(shí)，受電弓弓頭垂向方向上的加速度值瞬間從-200g達(dá)到了120g， 此處的弓頭振動(dòng)沖擊值非常大， 疑似為由接觸線上的硬點(diǎn)所致。

4 結(jié)束語

隨著國(guó)家對(duì)信息技術(shù)的不斷投入，帶動(dòng)了軌道交通行業(yè)朝著智能化的方向穩(wěn)步前進(jìn)，與鐵路技術(shù)密切相關(guān)的智能技術(shù)及一系列新技術(shù)手段發(fā)展迅猛，智能鐵路總體構(gòu)架逐步形成。將來，受電弓會(huì)向著“智能受電弓”的方向快速發(fā)展，不再僅僅具有受流功能，還可以“感知”和“認(rèn)知”接觸線和受電弓自身的工作狀態(tài)，并結(jié)合列車信息管理系統(tǒng)的里程信息，定位受電弓或/和接觸線發(fā)生故障的位置，為接觸線和受電弓的維護(hù)帶來便利。