基于光纖光柵傳感器的弓網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測方案及其驗證試驗

韓冰

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

隨著軌道交通迅猛發(fā)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(shù)設(shè)備的融合，任何環(huán)節(jié)出問題都可能導(dǎo)致車輛甚至整條線路運行出現(xiàn)故障。受電弓與接觸網(wǎng)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(qū)域（地鐵直流1500 V，高鐵交流27.5 kV），無法安裝傳統(tǒng)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(tǒng)的人工手段進(jìn)行檢修，不僅存在人為因素的干擾，而且發(fā)現(xiàn)問題不及時，對車輛運行過程中的弓網(wǎng)接觸狀況無法進(jìn)行有效的實時檢測。本文通過對弓網(wǎng)故障分析，結(jié)合弓網(wǎng)安全監(jiān)測的實際需求，提出將光纖光柵傳感器用于弓網(wǎng)接觸狀態(tài)檢測的方案，可利用光纖光柵傳感器進(jìn)行碳滑板應(yīng)變變化實時檢測，并從理論模型和試驗測試兩方面進(jìn)行驗證。

1 弓網(wǎng)狀態(tài)檢測現(xiàn)狀及需求

1.1 弓網(wǎng)接觸關(guān)系

受電弓與接觸網(wǎng)的接觸狀態(tài)及結(jié)構(gòu)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(wǎng)線間高速滑動接觸，通過受電弓將接觸網(wǎng)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(wǎng)線間可靠接觸是保證電力機車良好受流的關(guān)鍵條件。在車輛運行過程中，弓網(wǎng)接觸力、接觸線抬升量以及弓網(wǎng)燃弧率等數(shù)據(jù)是評估弓網(wǎng)動態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)，尤其是弓網(wǎng)接觸力，直接體現(xiàn)受電弓與接觸網(wǎng)間接觸狀態(tài)，能夠為受電弓與接觸網(wǎng)的維護、檢修、匹配等提供數(shù)據(jù)支持［1-2］。

圖1 受電弓與接觸網(wǎng)接觸狀態(tài)實物圖

1.2 弓網(wǎng)接觸異常故障

由于受電弓與接觸網(wǎng)間接觸不平順，導(dǎo)致弓網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)檢測技術(shù)現(xiàn)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(jìn)行了弓網(wǎng)安全檢測技術(shù)研究，但受制于受電弓與接觸網(wǎng)間的高壓環(huán)境，傳統(tǒng)的電荷式力傳感器、加速度傳感器等測試手段無法應(yīng)用到弓網(wǎng)檢測技術(shù)中。

目前，除了傳統(tǒng)的車輛入庫人工檢測手段外，針對弓網(wǎng)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(yīng)用在車輛出入庫過程中，列車在低速或停止?fàn)顟B(tài)下，采用線激光或面激光對碳滑板外觀進(jìn)行三維成像測量，以檢測碳滑板磨耗為主，輔助觀測弓網(wǎng)偏移狀態(tài)，只能獲取準(zhǔn)靜態(tài)參數(shù)；二是在弓網(wǎng)檢測車上安裝受電弓動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，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(wǎng)狀態(tài)，但此種方式破壞了受電弓原有結(jié)構(gòu)，影響受電弓的可靠性和安全性，檢測車輛在低速運行狀態(tài)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(xiàn)對接觸網(wǎng)導(dǎo)高、弓網(wǎng)間燃弧率的測量，但由于圖像采集過程中，容易受到外界環(huán)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(xiàn)在正線運營的列車上實現(xiàn)對弓網(wǎng)接觸狀態(tài)的實時監(jiān)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(jié)構(gòu)的同時，能夠在高電壓高電磁環(huán)境下可靠工作，以實現(xiàn)弓網(wǎng)間接觸力的實時監(jiān)測。

光纖光柵是通過使纖芯折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)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(yīng)變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感，因此在傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)弓網(wǎng)高壓接觸環(huán)境，為受電弓檢測提供了一個新的解決方案。國內(nèi)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(jìn)行信號采集，通過三處傳感器數(shù)據(jù)分析受電弓狀態(tài)［9-10］。

圖3 西門子公司光纖式受電弓檢測方案

2 光纖應(yīng)變接觸力測量模型分析

由于碳滑板與接觸網(wǎng)直接接觸，因此碳滑板的變形能夠最直接地反映弓網(wǎng)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(jié)構(gòu)安裝，兩端部位為A，B，載荷p作用于C點，工作區(qū)間為EF之間，為了識別集中力載荷p的大小和位置，將應(yīng)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(jié)構(gòu)的受力示意圖

長度量l，x，e，f的含義見圖4。根據(jù)兩端固支梁模型的力學(xué)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(yīng)變。根據(jù)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(jù)應(yīng)變關(guān)系縮小x的區(qū)間范圍，如：當(dāng)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(jìn)而簡化計算。

3 試驗驗證

按國標(biāo)規(guī)定接觸網(wǎng)線多為直徑10～15 mm的中空銅導(dǎo)線，因此，接觸網(wǎng)線與碳滑板間近似為線與面的接觸，接觸網(wǎng)線在碳滑板上往復(fù)滑動，對應(yīng)位置會產(chǎn)生相應(yīng)的形變，通過對接觸位置形變的測量，并利用應(yīng)變與接觸力間的關(guān)系，可以推算出接觸力的量值。

3.1 地面靜態(tài)力加載試驗

為了實現(xiàn)光纖應(yīng)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(yīng)變值與接觸力之間的對應(yīng)關(guān)系。

實驗室用一段鋁合金型材模擬接觸網(wǎng)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(yīng)變傳感器，并在其上方用標(biāo)準(zhǔn)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(tài)，地面靜態(tài)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(nèi)，以10 N間隔重復(fù)增加或減少砝碼，試驗結(jié)果如圖6。

圖6 線性度試驗結(jié)果

通過數(shù)據(jù)分析可知，二者間線性度較好，應(yīng)變與壓力間的比例關(guān)系為7με／10 N。加載和卸載過程，重復(fù)性較好。

重復(fù)上述試驗，對碳滑板重復(fù)加載卸載4次，4次試驗結(jié)果都有很好的線性度，由于實驗室環(huán)境溫度變化，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)有一定的整體偏移，實際使用過程中，也應(yīng)引入溫度補償傳感器。

圖7 重復(fù)加載線性度試驗結(jié)果

3.2 弓網(wǎng)接觸力與應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)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(yīng)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(tài)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(wǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，1～4號碳滑板靜態(tài)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(tài)接觸力為112 N。采用光纖光柵傳感器的測量結(jié)果與人工檢測結(jié)果一致，滿足車輛段靜態(tài)接觸力（110±10）N的規(guī)定，因此利用光纖光柵傳感器能夠很好地檢測靜態(tài)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(jìn)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(jìn)行溫度補償。

首先，選取1號碳滑板3號應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，全線路該傳感器應(yīng)變變化曲線如圖10所示，兩次測得的數(shù)據(jù)一致性很好，證明可以利用光纖應(yīng)變傳感器對其接觸狀況進(jìn)行監(jiān)測，圖10中紅色橢圓形標(biāo)出的應(yīng)變突變位置，經(jīng)線路核實，為道岔位置，符合實際情況。

圖10 傳感器應(yīng)變變化對比圖

然后，利用光纖溫度傳感器對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)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(wǎng)間接觸力在100～160 N之間變化，利用光纖光柵傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對在線路運行車輛弓網(wǎng)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(wǎng)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(yīng)變傳感器和左右對稱的2號、4號光纖應(yīng)變傳感器，得到35 s內(nèi)3只傳感器的數(shù)據(jù)波形，如圖13所示。

圖13 1號碳滑板傳感器數(shù)據(jù)波形圖

通過對波形數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)，得到的數(shù)據(jù)并不能簡單按照論文推導(dǎo)的公式進(jìn)行計算，得到預(yù)期的準(zhǔn)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(wǎng)間接觸狀態(tài)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(jīng)典的力學(xué)公式推導(dǎo)，而應(yīng)該結(jié)合受電弓在運行過程中的實際工況，進(jìn)行更為詳盡的建模分析。

4 結(jié)束語

本論文提出利用傳感器進(jìn)行受電弓與接觸網(wǎng)間接觸力測量以及弓網(wǎng)接觸狀態(tài)檢測，并通過試驗驗證了監(jiān)測方案的可行性。但由于運行過程中弓網(wǎng)間接觸狀態(tài)復(fù)雜，所以本文未能建立應(yīng)變與接觸力間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型對弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行定量分析。

為能夠?qū)⒐饫w傳感技術(shù)真正應(yīng)用到弓網(wǎng)接觸狀態(tài)實時檢測系統(tǒng)中，后期需要通過在正式運營車輛加裝光纖檢測系統(tǒng)，積累長期測試數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析，對同一車輛以及不同車輛長期運行的時間空間數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)比統(tǒng)計分析，同時考慮碳滑板磨損等對測量結(jié)果的影響，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。