基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究.pdf
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1、铁道运输与经济RAILW AY TRANSPORT AND ECONOMY第 45 卷 第 11 期基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究Research on Hard Spot Detection Method of Heavy-Haul Railway Catenary Based on MEMS Fiber Optic Sensing Technology曹熙1,张冰1,孙飞2,王志良1,王军伟1CAO Xi1,ZHANG Bing1,SUN Fei2,WANG Zhiliang1,WANG Junhwei1(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所,北京
2、100081;2.国能朔黄铁路发展有限责任公司 机辆分公司,河北 沧州 062350)(1.Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China;2.Locomotive Car Branch,Guoneng Shuohuang Railway Development Co.,Ltd.,Cangzhou 062350,Hebei,China)摘要:作为接触网平顺性检测的主要内容,硬点检测对于保障重载铁路预防恶性弓网事故有着重要作用。
3、相较于传统电学传感器检测技术,MEMS光纤传感技术的硬点检测系统具有不需供电、良好绝缘性能等优势,可以作为替代传统电学类检测设备的检测系统。以神华号运营电力机车为平台,以接触网硬点检测监测为目标,根据朔黄铁路应用特点,研制基于MEMS光纤传感器技术的重载铁路接触网硬点车载监测系统软硬件,其具备重载铁路接触网硬点指标在线监测、故障预警、智能分析、自动上传等功能。神华号运营电力机车已进行朔黄铁路上下行接触网实时硬点检测,获取大量有效硬点监测数据并生成测试结果分析报表,完成了系统设备在朔黄铁路现场的示范应用。关键词:重载铁路;接触网;平顺性;光纤;硬点Abstract:As the main ind
4、icator of catenary smoothness detection,hard spot detection plays an important role in preventing malignant pantograph-catenary accidents in heavy haul railways.Compared with traditional electrical sensor detection technology,the hard spot detection system of MEMS fiber optic sensing technology has
5、advantages such as no power supply and good insulation performance,which can be used as a replacement for traditional electrical detection equipment.Taking Shenhua Electric locomotive as the platform,this paper aimed to detect catenary hard spots and developed software and hardware for an on-board m
6、onitoring system of heavy-haul railway catenary hard spots based on MEMS optical fiber sensing technology according to the application characteristics of Shuohuang Railway.The software and hardware had the functions of online monitoring of heavy-haul railway catenary hard spot indicators,early fault
7、 warning,intelligent analysis,automatic data upload,etc.With Shenhua Electric locomotive in operation,this paper carried out real-time hard spot detection on the up line and down line of Shuohuang Railway,obtained a large number of effective hard spot monitoring data,generated test result analysis r
8、eports,and completed the demonstration application of system equipment on the Shuohuang Railway.Keywords:Heavy-Haul Railway;Catenary;Smoothness;Optical Fiber;Hard Spot 文章编号:1003-1421(2023)11-0130-08 中图分类号:U264.3+4 文献标识码:ADOI:10.16668/ki.issn.1003-1421.2023.11.16引用格式:曹熙,张冰,孙飞,等.基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点
9、检测方法研究J.铁道运输与经济,2023,45(11):130-137.CAO Xi,ZHANG Bing,SUN Fei,et al.Research on Hard Spot Detection Method of Heavy-Haul Railway Catenary Based on MEMS Fiber Optic Sensing TechnologyJ.Railway Transport and Economy,2023,45(11):130-137.-130曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究0引言重载铁路是我国煤炭运输的大动脉,随着规模化开行万吨、
10、2万吨重载列车的常态化1,给重载铁路基础设施的稳定安全高效运行带来了巨大的挑战。电气化铁路接触网系统作为铁路基础设施的一个易发故障薄弱环节2,本身具有对周围环境的敏感性、无备用性、电气负载波动性等特点,再叠加行车密度大、高粉尘、高牵引负载功率、高轴重带来的耦合振动等重载铁路工况下的不利因素3,因此对重载铁路接触网系统日常保障维护提出了更高的要求,只有加强重载铁路接触网系统全时段的全面检测和评价,及时发现缺陷并指导现场检修,才能更好地保障重载铁路运输服务。接触网平顺性是评价弓网关系的一个重要指标,接触网良好的平顺性是机车运行时受电弓从接触网上持续稳定获取电流的必要条件4。一旦接触网平顺性恶化,极
11、易引发打弓、断线等恶性事故,导致铁路运输中断,带来巨大经济和社会损失。作为接触网平顺性的主要指标,硬点是指接触线底面不平顺或接触线铅垂弹性突变的点,实际测量的是受电弓滑板的垂向振动加速度5,通过受电弓滑板在滑行取流时的振动特性来直接表征接触网平顺性。一直以来,不论是电气化铁路供电安全检测监测系统(6C系统)还是城市轨道交通初期运营前安全评估测试6,硬点检测都是必不可少的,通过实时测量弓网运行时的硬点值为评估接触网状态提供重要依据。1硬点检测现状及MEMS光纤传感器技术的应用优势1.1硬点检测的应用技术现状目前接触网硬点检测主要通过在专用网检车受电弓上安装硬点检测设备来定期测量全线硬点,采用的几
12、乎都是传统的电学类加速度传感器7。由于AC 25 kV供电制式下的绝缘要求,电学类传感器信号无法直接接入车内的采集设备处理,故需在高压绝缘子上方、受电弓框架上安装专用信号处理设备,把传感器电信号调理成光信号,再通过绝缘光纤接入车内进行处理。同时电学类传感器及信号处理设备均需要电源供电,目前专用网检车大量采用车顶加装AC 25 kV隔离变压器对弓上高压侧检测设备进行供电,传统电学类弓网硬点监测设备安装示意图如图1所示。经过多年的运营实践,现有的专用网检车上的硬点检测设备也暴露出一些不足,主要表现为:需要在受电弓框架上安装较大体积的信号高低压隔离处理箱,不仅影响受电弓的气动效应,而且存在很大的设备
13、掉落安全隐患;由于重载铁路沿线煤灰较大,隔离变压器暴露安装在车顶,容易沾染煤灰等污秽,日常维护擦拭又难以及时处理,具有较大的电气绝缘失效风险;网检车的检测频次有限,无法做到全天候全时覆盖检测,难以第一时间发现硬点缺陷指导检修。1.2MEMS光纤传感器技术在硬点检测应用的优势光纤传感器无源、宽温、微型化、宽频、灵敏度高、高精度、抗电磁干扰和免维护8,特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境,其中基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的传感器具备体积小、质量轻、功耗低、精度高、可批量生产等优势,已被广泛应用于多种振动测量场景。
14、MEMS光纤传感技术采用芯片级MEMS光纤传感器,具有MEMS传感器和光纤传感器的共同优点,能够进一步提升光纤传感器的应用性能,非常适合应用到弓网监测测试场景9,光纤传感器与电学传感器对比如表1所示,与传统网检车电学类硬点检测设备相比,具有以下显著优点:MEMS图1传统电学类弓网硬点监测设备安装示意图Fig.1Installation of traditional electrical pantograph-catenary detection equipment for hard spot-131曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究光纤传感器作为无源器件,不需要
15、供电,免除车顶隔离变压器,提升设备的安全性;光纤传感器信号无需信号隔离变换,能够直接接入车内光纤解调仪,去除受电弓框架上的信号处理箱,大大简化弓上安装设备,传感器光纤信号不受环境复杂电磁干扰的影响,有利于后续分析处理;MEMS光纤三轴加速度传感器可以同时测量受电弓滑板X-Y-Z方向的加速度,能够更全面地表征受电弓滑板的振动情况10,评估接触网平顺性;MEMS光纤加速度传感器尺寸小,借助于现有螺栓安装孔,可以方便嵌入和集成安装于受电弓滑板下方,不改变受电弓的弓头结构;电学传感器内部的压电晶体对于复杂振动环境下适应性一般,长期使用性能易衰退,需逐年标定,而光纤传感器内部的硅基MEMS芯片采用芯片级
16、整体封装,性能稳定且耐外界复杂 过 载 冲 击,使 用 寿命长。2MEMS 光 纤 传 感技 术 在 朔 黄 铁 路实际应用设计2.1基于MEMS光纤技术的 硬 点 检 测 系 统硬件组成接触网硬点检测样机在朔黄铁路(神池南黄骅港)一台神华号运营电力机车上装车试用,MEMS光纤加速度传感器安装示意图如图2所示,以朔黄铁路接触线平顺性综合监测为目标,建立满足朔黄铁路开行30 t轴重货物列车需求的牵引供电综合检测监测系统。感知端主要由安装于B节车受电弓滑板下方的MEMS三轴光纤加速度传感器构成,实现弓网硬点的高频检测,最高检测频率达到2 kHz。选取受电弓滑板下方弓头支架与滑板连接处螺栓作为安装位
17、置,拆除该连接处螺母,将带有工装的加速度传感器通过原有螺栓安装于此,并恢复螺栓原有紧固状态。光纤式加速度传感器信号线沿导流线固定,将信号传输光纤沿受电弓“上臂杆上下臂杆连接转轴下臂杆下臂杆底座连接转轴底座框架”的路径使用扎带每隔1020 cm对线束进行绑扎固定,信号光纤穿过绝缘白管到达车顶平面,最终通过车顶进线弯管接入车内光纤传感分析仪,进行数据采集、发送和存储,并实时将数据传输至供电综合检测系统数据处理分析中心。从低压电器柜处取DC 110 V直流电源并在导表1光纤传感器与电学传感器对比Tab.1Comparison between fiber optic sensors and elect
18、rical sensors传感器供电绝缘处理电磁辐射敏感体积精度寿命/年工作温度/光纤传感器不需供电不需要不敏感小100 g,1%FS10-100200电学传感器需要供电需要敏感大100 g,1%FS2-55125图2MEMS光纤加速度传感器安装示意图Fig.2Installation of MEMS fiber optic acceleration sensor-132曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究轨上安装弓网硬点监测断路器来控制供电;从信号柜的TAX2型机车安全信息综合监测装置TAX通信接口处获取LKJ数据用于硬点监测系统里程定位,车内设备安装位置示意图
19、如图3所示。2.2运营机车车载接触网硬点检测监测系统软件架构2.2.1软件总体架构接触网硬点检测监测系统框架如图4所示,由3部分组成。其中车载软件系统位于车端,通过对加速度传感器进行数据采集与处理,得到硬点测量数据及异常告警数据;车地通信系统用于车端与地面进行硬点检测数据传输;地面专家系统接收车端的硬点检测数据并储存在地面数据库并打印输出诊断结果,进行可视化展示。2.2.2车载硬点检测系统软件定义车载硬点检测系统包括车载主软件、TAX2程序、车地通信组件、守护进程共4大部分。车载硬点检测系统各子系统说明如下:车载主软件,实现对MEMS光纤三轴加速度传感器采集数据进行处理,实时计算分析得出测量异
20、常值,最终将形成测量数据与异常告警2类数据;TAX2程序,该程序通过TAX2接口与主软件进行交互,TAX2数据储存在共享内存内,该共享内存将被主软件取用;车地通信车端组件,用于与地面端进行车地数据传输;守护进程,该软件上电开机自启,无人值守自动监控其他程序是否处于运行状态。2.2.3车地通信系统软件定义车地通信根据项目的不同可分为 3 种类型:车端主动模式,在此模式下,车载端主动将数据推送至地面服务;地面主动模式,数据请求由地面发起请求,车载端进行响应;中转模式,在此情况下存在1个私有云服务器,由服务器进行数据中转。2.2.4地面专家系统软件定义地面系统由3部分组成,分别为数据库、车地数据接收
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