一種接觸線振動在線監(jiān)測方法

程宏波,張 偉,倫 利,徐學平,王 勛

(1.華東交通大學電氣與自動化工程學院,南昌 330013； 2.中國鐵路武漢局集團襄陽供電段,湖北襄陽 441000)

受電弓的高速滑行會對接觸線產(chǎn)生沖擊，使接觸線振動，影響受電弓的正常取流，進而影響電力機車的正常運行[1]。對接觸線的振動情況進行監(jiān)測可有效判斷受電弓的運行狀態(tài)，可為接觸網(wǎng)運行維護的調(diào)整提供依據(jù)[2]。

接觸線的振動測量有接觸式與非接觸式兩種。目前接觸式測量主要有模擬測量法和傳感器檢測法[3]。模擬測量法是通過受電弓的高度與電阻器電壓之間的變化關系，達到測量接觸線振動的目的[4]。傳感器檢測法一般將傳感器安裝在受電弓上，與接觸線直接接觸來記錄其振動位移，目前在檢測車上的應用較為廣泛。接觸式測量對受電弓的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，且只能記錄弓網(wǎng)接觸點處的振動情況。非接觸式測量一般在車頂安裝高速相機進行測量[5]，檢測設備與接觸線之間不接觸，但由于車體的振動，其誤差的補償關系較難確定，因此測量誤差較大。為減小車體振動的影響，文獻[6]將高速相機固定于支柱上，其測量精度相對較高，但只適用于特定位置的振動監(jiān)測，無法滿足對接觸線大規(guī)模監(jiān)測的需要。

從上面的研究可以看出，目前的監(jiān)測無法實現(xiàn)接觸線振動的全范圍實時監(jiān)測。檢測車只能記錄該車所在點處接觸線的抬升情況，無法測量此時其他位置處接觸線的振動，且不能反映實際列車運行時接觸線振動的真實情況。支柱上安裝相機只能記錄有限位置處的接觸線振動，對全線其他位置處的接觸線振動無法反映。

因此，開發(fā)簡單有效的接觸線振動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對接觸線振動的實時在線監(jiān)測十分有必要[7]。從接觸線的特點出發(fā)，提出一種新的接觸線振動監(jiān)測方法，以加速度計為核心設計一套接觸線振動監(jiān)測裝置，并設計了監(jiān)測裝置的安裝結(jié)構(gòu)，給出了接觸線振動信號分析處理的流程及實現(xiàn)方法，通過試驗驗證了該方法的可行性和有效性，實現(xiàn)了對接觸線振動的在線監(jiān)測。

1 接觸線振動監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 振動監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

接觸線的振動監(jiān)測主要是獲取架空接觸線的振動數(shù)據(jù)，由于接觸線工作條件的特殊性，該振動監(jiān)測裝置不能對接觸線下運行的機車受電弓產(chǎn)生影響，因此，考慮采用傳感器終端加無線發(fā)送的方式來獲取接觸線的振動數(shù)據(jù)。

接觸線振動監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由無線振動監(jiān)測器、無線數(shù)據(jù)接收端以及PC端數(shù)據(jù)處理軟件組成。振動監(jiān)測器利用加速度計獲取接觸線的振動加速度值，為節(jié)省電量，延長其工作壽命，只有當列車運行，振動數(shù)值超過某一設定閾值時才觸發(fā)無線發(fā)送模塊，將振動監(jiān)測數(shù)據(jù)、時間以及對應的標記信息(監(jiān)測器位置標號，電池當前電量值)通過無線射頻通訊方式發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端。當數(shù)據(jù)接收端處于忙碌狀態(tài)時，傳感器終端會將數(shù)據(jù)暫時保存到本地存儲，處于匹配接收端狀態(tài)，待匹配成功后發(fā)送，發(fā)送完畢后清除本地存儲信息，釋放存儲空間。數(shù)據(jù)接收端利用無線射頻通訊接收監(jiān)測器發(fā)送的數(shù)據(jù)并通過串口通訊將數(shù)據(jù)導入PC端數(shù)據(jù)處理軟件。PC端數(shù)據(jù)處理軟件將接收的振動加速度信號進行兩次積分后得到接觸線的振動位移信息。

圖1 接觸線振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 接觸線振動監(jiān)測器硬件設計

接觸線振動監(jiān)測器主要由MEMS傳感模塊、主控MCU模塊、電源管理模塊、無線通信模塊組成。MEMS傳感模塊實時輸出加速度與歐拉角數(shù)據(jù)用于監(jiān)測接觸線當前的振動狀態(tài)與運動姿態(tài)。主控MCU模塊為中央處理器，負責整個系統(tǒng)的邏輯控制，完成無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、讀取電源狀態(tài)等功能。鋰電池電源管理模塊負責提供穩(wěn)定的電源，同時監(jiān)測輸出端電壓，預防電源故障。無線通訊模塊負責振動信息的發(fā)送與接收，監(jiān)測器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接觸線振動監(jiān)測器硬件結(jié)構(gòu)

MEMS傳感模塊選用JY901模塊，該模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器，同時內(nèi)部集成姿態(tài)解算器，配合卡爾曼濾波算法能快速求解出當前接觸導線的運動狀態(tài)，同時可設置其片上系統(tǒng)時間使各模塊同步時程輸出。MCU選用LQFP工業(yè)級STC89C52RC主控芯片，其特點是體積小、質(zhì)量輕、功耗低，特別適合用在接觸線監(jiān)測這類對體積和功耗要求嚴格的場合。無線傳輸模塊選用Nordic nRF24L01+無線射頻芯片，發(fā)送器加裝微型彎頭棒狀天線，接收器加裝2.4G高增益天線以增強傳輸距離[8]。當前配置下，采樣頻率為200 Hz，通信穩(wěn)定傳輸距離達500 m。接觸線在受電弓沖后，接觸線振動頻率集中1 Hz左右的低頻振動狀態(tài)，一般不超過20 Hz[9-10]，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，本裝置采樣頻率滿足對接觸線振動數(shù)據(jù)采樣的要求。

為保證監(jiān)測裝置安裝的方便和工作的可靠，采用與接觸線外形相適應的結(jié)構(gòu)設計，接觸線振動無線監(jiān)測裝置的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，其下半部分設計成與接觸線截面類似，以便于采用現(xiàn)有接觸線線夾進行安裝，其上部分設計成半圓環(huán)結(jié)構(gòu)，以便于與接觸線吊弦結(jié)合。這樣的設計在保證安裝方便的同時，還能確保在列車的高速沖擊下不脫落，以確保不會對列車的運行產(chǎn)生危害。

圖3 接觸線振動監(jiān)測器安裝結(jié)構(gòu)

1.3 接觸線振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

振動監(jiān)測系統(tǒng)要將傳感器終端中的振動信息無線發(fā)送至無線數(shù)據(jù)接收端，然后控制無線數(shù)據(jù)接收端接收并傳輸至PC數(shù)據(jù)處理軟件。

圖4 無線數(shù)據(jù)發(fā)送流程

傳感器終端無線數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖4所示。首先系統(tǒng)初始化時鐘，定位器，SPI口等。采用閾值中斷方法喚醒MCU，在nRF24L01+的PowerDown模式下初始化配置，MCU通過SPI口把數(shù)據(jù)寫入TX_FIFO緩存，配置PWR_UP=1且MCU控制引腳CE置高大于10 μs后，經(jīng)過130 μs的晶振穩(wěn)定時間，nRF24L01+進入TX模式發(fā)送數(shù)據(jù)幀；控制位TX_DS=置位，引腳IRQ產(chǎn)生中斷信號，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送，此時應立即使nRF24L01+進入PowerDown模式以節(jié)省能量。無線數(shù)據(jù)接收流程如圖5所示。配置方式與發(fā)送類似，由于接收端不需要考慮節(jié)省能量的因素，因此接收器一直處于接收狀態(tài)，在接收到振動數(shù)據(jù)后直接通過串口將振動數(shù)據(jù)導入PC端數(shù)據(jù)處理軟件中進行處理。

圖5 無線數(shù)據(jù)接收流程

2 接觸線振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方法

2.1 數(shù)據(jù)預處理

MEMS傳感器在實際測量時，一般存在零點漂移與高頻噪聲兩種誤差，本文選用零點標定與低頻濾波的方法對這兩種誤差進行預處理，同時，振動監(jiān)測器在監(jiān)測振動時，由于加速度計測量的是“比力”，是重力加速度和運動加速度矢量和，而接觸線在受電弓的抬升作用下處于姿態(tài)的動態(tài)變化中，使振動監(jiān)測器的加速度計產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)偏移，導致重力加速度會在各軸產(chǎn)生分量誤差，這個分量誤差與接觸線的運動加速度疊加，使獲取的運動加速度產(chǎn)生細微的偏差[11-12]。而最終是獲取接觸線振動位移信號，這個細微的偏差在經(jīng)過兩次積分運算累計后，會導致較大的位移誤差。因此，求得并去除重力加速度在各軸的分量誤差就顯得極為重要。

圖6 三軸組合旋轉(zhuǎn)動態(tài)變化

(1)

得知四元數(shù)q后，利用四元數(shù)坐標旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)振動監(jiān)測裝置載體坐標與地理坐標之間的轉(zhuǎn)換[14-16]

p′=q*pq

(2)

得出重力分量誤差

(3)

(4)

2.2 加速度信號的頻域積分運算

由上節(jié)可得接觸線各軸方向上的實際運動加速度信號，但在弓網(wǎng)運行狀態(tài)分析過程中一般關注接觸線抬升方向上的振動位移情況，因此需對加速度信號進行積分得到位移信號。

加速度時域信號中夾雜著一定的趨勢項及高頻噪聲等干擾誤差，即使對信號進行預處理，誤差也不可能完全消除，加上時域積分本身所產(chǎn)生的常數(shù)項，會使位移曲線產(chǎn)生較大漂移。因此采用頻域積分方法，以去除低頻趨勢項和高頻干擾項的影響。

頻域積分是將時域信號Fourier變換轉(zhuǎn)到頻域，在頻域中實現(xiàn)積分，再通過Fourier逆變換返回時域的過程，在進行頻域積分過程中可將低于最小截止頻率與高于最大截止頻率成分置為零，可有效去除低頻趨勢項和高頻等干擾誤差[17，18]。

(5)

(6)

其中

(7)

式中，a(k)為實際運動加速度信號采樣序列的Fourier變換；v(r)為該序列的速度信號；x(r)為該序列的位移信號；Δf為頻率分辨率；fu和fd分別為上、下限截止頻率，可根據(jù)實際情況設定截止頻率，以濾除信號中趨勢項及高頻干擾的影響。

3 試驗驗證與分析

為對設計的接觸線振動在線監(jiān)測裝置及其數(shù)據(jù)處理方法進行驗證，在我校軌道技術創(chuàng)新試驗基地對不同懸掛形式的接觸線進行了測試和分析。

3.1 試驗設計

軌道交通技術創(chuàng)新實驗基地有高鐵、普速各類型線路下的多種典型接觸網(wǎng)形式，為驗證方法的適用性，對簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛兩種典型的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的接觸線進行了振動測試，懸掛基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

為驗證測量裝置對不同接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的適應性，分別對簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛設計3組測量方案，每組測量方案設置3個監(jiān)測點，測量方案如圖7所示。為確保準確性，消除隨機性，試驗對每組方案測量3次，取3次測量結(jié)果均值為本次測量方案最終結(jié)果。

設計的3種方案中，既有測量定位裝置處的振動信息，又有測量跨距中心處的振動信息，使獲得接觸線的振動信息具有一定的代表性。

圖7 試驗方案設計

3.2 試驗結(jié)果分析

通過試驗分別測得簡單鏈型與彈性鏈型懸掛下不同方案的測量結(jié)果。以方案1的測量結(jié)果為例，圖8是簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛監(jiān)測點處的接觸線抬升方向上最大振動位移變化曲線。

從圖8可以看出，在人工施加外力作用后，監(jiān)測點1處的接觸線振動幅值最大達50 mm，由于彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)張力補償作用較好，彈性鏈型懸掛測點2與測點3處的最大振幅明顯比簡單鏈型懸掛小。

圖8 接觸線監(jiān)測點處振動位移

圖9是監(jiān)測點處接觸線振動的起振曲線段。根據(jù)圖9，采用坐標最大值標定方法，可獲得不同監(jiān)測點處的起振時間差，由監(jiān)測點之間的距離及起振時間差，可算出該段接觸線上的波動傳播速度，結(jié)果如表2所示。

圖9 起振曲線

懸掛類型簡單鏈型彈性鏈型方案編號計算均值/(km/h)1496.22494.33495.91492.12494.63491.4理論值/(km/h)562差異率/%11.7112.0511.7612.4411.9912.56

由表2可以看出，根據(jù)裝置所獲取的振動信號計算出的波動傳播速度與理論計算值基本一致，且呈現(xiàn)一定的差異穩(wěn)定性，可反映出監(jiān)測裝置的有效性與可靠性。差異的原因是由于實驗中監(jiān)測點之間的距離較近，監(jiān)測裝置的采樣頻率相對較低，而且理論計算公式中沒有考慮實際外部環(huán)境的干擾以及外部阻尼的影響，也沒有考慮實際工況下接觸線結(jié)構(gòu)的復雜性[19-20]，造成了實際測量值與理論計算值存在一定的偏差。

4 結(jié)語

接觸網(wǎng)的工作具有一定的特殊性，利用加速度傳感器可以方便獲得接觸線在不同方向的振動情況，通過四元數(shù)旋轉(zhuǎn)可消除重力分量的影響提高振動加速度信號監(jiān)測的準確性，通過小型化及與吊弦相結(jié)合的設計，可提高振動監(jiān)測裝置工作的可靠性。實際接觸網(wǎng)上的振動監(jiān)測試驗驗證了該系統(tǒng)的可行性與有效性，可為接觸線振動監(jiān)測提供一種新的方法。