基于MOMS(微光机系统)传感技术的地铁弓网 关系实时监测系统

吴迅奇

(宁波正业自动化科技有限公司,315103,宁波∥高级工程师)

地铁具有运量大、出行便捷、运行速度较快等优点,已逐渐成为城市居民出行的首选交通工具。但与此同时,这也为地铁的运营安全,尤其是弓网间正常的工作状态带来了严峻的挑战。当列车运行时,若行车线路上的接触线存在硬点、弓网间接触力异常或弓网间发生燃弧等接触不良的状况,则会影响地铁的正常运营。MOMS(微光机系统)传感器具有无源、抗振动和抗电磁干扰等优点,能够用于监测受电弓与接触线之间是否拥有良好的受流关系。本文提出一种基于MOMS传感技术的地铁弓网关系实时监测系统(以下简称“弓网关系监测系统”),在不改变受电弓结构的基础上,通过在受电弓弓头上加装MOMS加速度传感器和弓网接触力传感器,实时监测受电弓与接触线之间压力的动态变化,同时还能检测出由接触线硬点撞击受电弓弓头所产生的振动冲击。本文研究可为地铁的安全运营和智能维护提供数据支撑和工程经验,具有一定的实用价值。

1 现有传感技术

目前,用于地铁弓网关系监测的主要技术有电子传感技术和视觉成像技术。电子传感技术属于接触式测量,其通过有源探测的方式采集信号,但所采集到的信号受电磁干扰严重,后续数据分析较为困难。此外,电子传感技术的信号传输电缆存在安全隐患,易引发严重的电气绝缘事故,对车内乘客的生命安全造成严重威胁。因此该技术没有广泛推广应用于城市轨道交通领域。视觉成像技术属于非接触式测量,不能针对弓网间的动力学特性(如硬点、弓网接触力等)进行有效探测和反馈。对于大部分受电弓和弓网关系运行参数仅仅起到事后视频查阅和事故追溯的作用。因此,从采购成本、运维成本和实际监测效果等方面综合考量,将视觉成像技术用于监测地铁弓网系统的运行状态不是最佳方案。

2 MOMS传感技术

MOMS传感技术的探测端具有无源、宽温、微型化、抗电磁干扰、轻便、易组网和免维护等特性,可用于对被测物体或环境的长期精准测量,降低智慧运维系统的复杂度和投资成本。与MOMS传感器搭配的高速传感解调模块由多片FPGA(现场可编程门阵列)级联构造成高速并行总线式实时处理器阵列,其数据处理能力可以达到10 Gibit/s,不仅保证了多个测量通道彼此并行独立,还能够以高达1～100 kHz的扫描频率同步解调动态波长信号。以MOMS传感技术为基础的传感器和高速传感解调模块非常适用于实时监测列车运行速度为80 km/h的地铁,甚至是列车运行速度为350 km/h高铁的弓网关系。

3 弓网关系监测系统

所提弓网关系监测系统由4个MOMS接触力传感器、2个3轴MOMS加速度传感器和1台高速MOMS传感查询仪组成。MOMS传感器在受电弓弓头的安装位置示意图如图1所示。所选用的受电弓为地铁用双碳滑板弹簧箱式受电弓。4个具有温度补偿功能的MOMS接触力传感器以垫片的形式集成嵌入在弹簧箱内;2个3轴MOMS加速度传感器安装于受电弓弓头,使该加速度传感器的3个轴分别平行于地铁线路的垂向、横向和纵向。高速MOMS传感查询仪置于地铁车厢的电气柜内,该查询仪内的激光器扫描频率为2 500 Hz,可以对所有光学通道进行同步扫描探测并采集数据。对于列车运行速度为80 km/h的地铁,其线路上的空间分辨率可以达到8.9 mm。

图1 MOMS传感器在受电弓弓头的安装位置示意图

4 监测结果及分析

4.1 接触线存在硬点

通过受电弓弓头上的加速度传感器能监测接触线的硬点。一般情况下,当列车运行时,受电弓弓头沿垂向上下振动,根据列车运行速度及接触线高度与类型的不同,受电弓弓头的振动加速度在一定范围内波动,如±10g(g为重力加速度)。若受电弓弓头撞上接触线上的硬点,将会瞬间产生100g至200g的振动加速度。MOMS加速度传感器采集到的受电弓弓头垂向加速度如图2所示。由图2可知,当列车运行至约72.6 min时,受电弓弓头垂向加速度瞬时值从-200g变为了120g,说明此处的受电弓弓头振动冲击值非常大,可能由接触线上的硬点所导致。

图2 MOMS加速度传感器采集到的受电弓弓头 垂向加速度

通过受电弓弓头上的接触力传感器也能监测接触线的硬点。当受电弓弓头撞上接触线的硬点时,受到硬点冲击的受电弓弓头会瞬间脱离接触线,此时弓网间由于相互分离而没有力的传递,因此接触力传感器探测到的接触力值趋向于0。然后,受电弓弓头和接触线会向各自反方向回弹,并再次相撞式接触,此时接触力传感器监测到的弓网间接触力值会异常高,这也可以视作判断接触线硬点的依据。由MOMS接触力传感器采集到的不同列车运行时间下的接触力如图3所示。由图3可知,当列车运行至约72.6 min时,接触力瞬时值从10 N变为了200 N,波动幅度约为190 N。此处接触力异常可能是由于接触线上的硬点对运动中的受电弓碳滑板造成的冲击所致。

图3 MOMS接触力传感器采集到的列车不同运行 时间下的接触力

4.2 弓网间接触力

当列车运行时,为了让受电弓能够从接触线上正常受流,弓网间必须保持一定的接触力,接触力的大小视不同结构的受电弓及列车行驶速度而定。本文所选用的受电弓弓网间接触力为120 N时,可正常受流。若受电弓和接触线之间的接触力过大,则会给碳滑板造成过多的机械磨耗,且弓网间不平稳的相互接触也会导致冲击振动异常,严重时会出现弓拉断网或网撞飞弓的事故。若受电弓和接触线之间的接触力过小,则会出现受电弓受流不良及弓网间产生燃弧现象,而频繁发生燃弧现象会给碳滑板造成过多的电气磨耗。

单个接触力传感器采集到的弓网间接触力值如图4所示。由图4可知:当列车停车时,单个碳滑板上每个接触力传感器的测量值是不变的,其时域曲线是平坦的;当列车行驶时,单个碳滑板上每个接触力传感器的测量值是变化的,其时域曲线是锯齿形的。因此,就同一根碳滑板的两端接触力传感器而言,其各自的测量值呈Z字形变化,测量值与接触线在线路上的拉出值保持一致。

图4 单个接触力传感器采集到的弓网间接触力值

受电弓弓头与接触线间的接触力值如图5所示。由图5可知:当列车停车时,静态的接触力值基本保持在120 N左右;当列车行驶时,动态的接触力值基本维持在100～140 N。受电弓的跟随性均随着弓网间相互作用频率的增大而变差[1]。

图5 受电弓弓头与接触线间的接触力值

4.3 弓网间的燃弧现象

弓网间的燃弧现象是列车在运行过程中由于弓网接触不稳定导致的接触线和受电弓弓头相互脱离,使得空气间隙被击穿而引起的放电现象,同时伴随瞬间高温和高频电磁脉冲现象的产生。燃弧现象是一种接触线和受电弓弓头在机械上分离,但在电气上相连的状态,故通过集成安装在受电弓弓头上的MOMS加速度传感器和接触力传感器可以间接地评估弓网间的燃弧程度。弓网间的冲击越大,产生燃弧的强度就越高;弓网间的冲击频次越频繁,产生燃弧现象的概率就越大。

5 结语

通过在受电弓弓头上安装MOMS加速度传感器和接触力传感器,实时监测受电弓的振动状态,以及受电弓和接触线之间的动态接触力值,为地铁线路上接触线的定点维护和车辆上受电弓的及时维护提供数据支撑。在国家对信息技术的不断投入下,与铁路技术密切相关的人工智能和新技术正在缔造一种新的劳动力,这也将是智慧化铁路的发展方向之一。