鐵路接觸網(wǎng)振動頻率檢測控制系統(tǒng)設計

李宗蔭，郭迎慶，郭子杰，朱云貴

（南京林業(yè)大學機械電子工程學院，南京，210037）

引 言

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。在電氣鐵路系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)是鐵路牽引供電設備的一個重要組成部分，由于鐵路接觸網(wǎng)沿鐵路露天布置，工作環(huán)境惡劣，并且它是通過與受電弓的滑動接觸為火車提供動力，所以一旦故障停電將中斷行車。另一方面，接觸網(wǎng)沿鐵軌線路布置于上空特定位置，從而使檢修人員檢查起來非常不方便[1-2]。目前在中國用于檢測鐵路接觸網(wǎng)的方式主要分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩種[3]。李文豪等設計出一系列能夠用于不同時速要求的接觸網(wǎng)振動檢測的接觸網(wǎng)檢測車，采用動態(tài)檢測完成對接觸網(wǎng)的檢測工作[4]。李育冰等提出一種基于激光圖像處理的測量方法，其具體實現(xiàn)是激光進行扇形掃描，在接觸網(wǎng)上形成光斑，并在相應相機成像，通過對光斑像素的處理獲得光斑在相機中的視角方向，利用相機、激光器的幾何關系，采用坐標轉(zhuǎn)換原理獲得接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，以此來判斷接觸網(wǎng)的好壞[5]。然而這些檢測方法結(jié)構(gòu)比較復雜，檢測范圍也相對較窄。為此本文設計了一種能自由在接觸網(wǎng)上行走且可檢測接觸網(wǎng)內(nèi)部振動頻率的巡檢機器人，該振動頻率檢測控制系統(tǒng)以51 單片機為微處理器，通過藍牙通信進行振動頻率的無線傳輸，利用數(shù)據(jù)顯示模塊實時顯示出對應的振動頻率。該裝置結(jié)構(gòu)設計精巧、操作簡單且通用性較強，極大地方便工作人員有針對性地對檢測到接觸網(wǎng)振動頻率異常的部分進行維修或保護。

1 鐵路接觸網(wǎng)的概述

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，它由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎等幾部分組成[6-7]。其中接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接零件，接觸懸掛通過支持裝置架設在支柱上，其功用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機車。支持裝置用以支持接觸懸掛，并將其負荷傳給支柱或其他建筑物，根據(jù)接觸網(wǎng)所在區(qū)間、站場和大型建筑物有所不同，支持裝置包括腕臂、水平拉桿、懸式絕緣子串，棒式絕緣子及其他建筑物的特殊支持設備。定位裝置包括定位管和定位器，其功用是固定接觸線的位置，使接觸線在受電弓滑板運行軌跡范圍內(nèi)，保證接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的水平負荷傳給支柱；支柱與基礎用以承受接觸懸掛、支持和定位裝置的全部負荷，并將接觸懸掛固定在規(guī)定的位置和高度上。

2 移動裝置的基本組成

根據(jù)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點以及振動頻率檢測作業(yè)的任務分析，綜合考慮設計出一種可以自由移動的巡檢機器人，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

該裝置主要由底板、支撐架、滑輪及夾線夾4 部分組成，其中底板主要用于單片機、電源和紅外探頭的安裝；而支撐架是豎直固定在底板上，本身作為夾線夾和滑輪的固定架用來支撐整個裝置，使裝置形成一個剛性架構(gòu)。滑輪則由外輪及套筒組成，外輪槽寬度略微比接觸網(wǎng)線寬一點，有利于裝置線上的穩(wěn)定性，采用組合形式組裝滑輪，套筒與外輪間相對轉(zhuǎn)動，與外輪直接與接觸網(wǎng)之間的滑動相比，可以減小兩接觸體間的摩擦，從而減小裝置前進的阻力。夾線夾是由兩片相同結(jié)構(gòu)的半圓弧組合而成，圓弧直徑略大于線的直徑，在夾線夾開口處設計插銷扣，當在接觸網(wǎng)上安裝裝置時要插上固定銷，防止裝置移動時出現(xiàn)意外掉落。

在整個裝置設計過程中，底板、支撐架及夾線夾作為固定部分，滑輪為機構(gòu)的從動部分。當滑輪掛在線上時，整個裝置由電機帶動主動輪轉(zhuǎn)動，從動輪通過主動輪傳遞的動力轉(zhuǎn)動，從而帶動整個裝置在線上前進。滑輪及夾線夾的安裝位置和底板的中心線在一條直線上，從而保證裝置能夠平穩(wěn)地在線上實現(xiàn)前進或后退等功能。另一方面，由于接觸網(wǎng)線本身具有一定的承載能力，且線路較平緩無障礙，檢測裝置可沿接觸網(wǎng)線為作業(yè)線路進行自由移動。因此本文采用一種纜車式單側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)，選擇平直的一條接觸網(wǎng)線作為作業(yè)路徑，利用滑輪將裝置懸掛在接觸網(wǎng)上，裝置帶動控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)等設備在線路上自由移動來完成檢測作業(yè)任務。

圖1 自由移動小機器人的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of small free-moving robot

3 控制系統(tǒng)硬件設計

對于鐵路接觸網(wǎng)振動頻率檢測控制系統(tǒng)的硬件設計，主要包含自由移動控制模塊、控制器模塊和檢測模塊的硬件設計。其自由移動控制模塊的硬件主要是直流伺服電機及其驅(qū)動器[8]、無線遙控器以及接收器的設計?？刂破髂K主要包含數(shù)據(jù)處理模塊、藍牙模塊、頻率顯示模塊和主控制器模塊的硬件設計。檢測模塊主要包含探頭線圈、前置器以及壓電晶體的設計。該鐵路接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control system hardware structure diagram

3.1 振動檢測模塊硬件設計

由于鐵路接觸網(wǎng)是一個復雜的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)也會受到接觸網(wǎng)質(zhì)量、列車運行速度等其他相關因素的影響，所以接觸網(wǎng)的振動是一個復雜的隨機振動。本文主要是從受電弓和接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)上分析接觸網(wǎng)的振動規(guī)律，以簡單鏈形懸掛結(jié)構(gòu)為計算模型[9]，此處只考慮接觸懸掛的豎向振動，其承力索和接觸 線 第i階 振 型[10]為

式中：x為x軸向的計算長度，n為模態(tài)振型階次，Ai(t)、Bi(t)分別為承力索第i階振動幅度，t為時間變量。根據(jù)式（1，2）建立一個3 跨的簡單鏈形懸掛有限元模型并利用ANSYS 軟件進行模態(tài)分析，接觸網(wǎng)整體的固有頻率的計算結(jié)果如表1 所示，根據(jù)計算結(jié)果可以看出，接觸網(wǎng)的固有頻率最低為1.08 Hz，并且在低頻區(qū)內(nèi)固有頻率的數(shù)值比較集中，其18 階振型的固有頻率值也僅為6.81 Hz，所以接觸網(wǎng)系統(tǒng)為一低頻系統(tǒng)。一般來說，接觸網(wǎng)的自由振蕩都屬于低頻振動，接觸網(wǎng)的振動主要取決于低頻振型。

接觸網(wǎng)振動頻率信號檢測模塊主要分為傳感器和其相關的信號調(diào)理電路，綜合考慮本系統(tǒng)傳感器安裝環(huán)境以及接觸網(wǎng)的低頻振動特性，最終檢測探頭主要采用新型電渦流位移傳感器的檢測模塊。當其工作時作用力施加在彈性元件上，并且在其彈性元件上粘貼壓電元件[11-12]，其中壓電元件是頻率檢測系統(tǒng)的核心，它的性能直接影響到檢測性能的好壞，綜合考慮接觸網(wǎng)頻率檢測的精度和檢測范圍，壓電元件選用具有正壓電效應和逆壓電效應的壓電陶瓷片。工作時，當彈性元件受到電磁力作用并將其變形傳遞到壓電陶瓷片上，壓電陶瓷片會伴隨彈性元件一起振動，此時片內(nèi)的電偶極矩會因其正壓電效應產(chǎn)生壓縮而變短，由此將會在材料相對的表面上產(chǎn)生等量正負電荷，并且壓電陶瓷片由于正壓電效應將產(chǎn)生持續(xù)的交流電信號，波形趨近正弦波[13]。隨著被測對象靠近傳感器，它的有效電阻增加，反射電感減小，從而使線圈的電感品質(zhì)因數(shù)Q值下降，其振蕩也慢慢衰減，直到被測對象停止振蕩(如圖3 所示)。振蕩信號被信號調(diào)理電路處理并轉(zhuǎn)換成開關量來控制驅(qū)動器件，從而實現(xiàn)非接觸式檢測目的。

表1 接觸網(wǎng)固有振動頻率Table 1 Natural vibration frequency of catenary Hz

圖3 電渦流式檢測探頭振蕩電路輸出電流示意圖Fig.3 Schematic diagram of output current of oscillating circuit of eddy current detector

3.2 控制模塊硬件設計

紅外傳感和紅外遙控模塊。由于檢測巡檢機器人懸掛于接觸網(wǎng)線下段完成振動頻率的檢測，可以考慮裝載紅外線傳感器完成對接觸線位置的定位工作，并通過無線模塊將其位置信息發(fā)送至地面接收端，其工作原理是通過檢測紅外傳感器反射光光強大小來判斷傳感器所處環(huán)境[14]。此外由于紅外遙控技術具備抗干擾能力強、無線化操作和構(gòu)造簡單等優(yōu)勢，再綜合考慮鐵路接觸網(wǎng)檢測工作環(huán)境，最終自由移動控制模塊采用紅外無線遙控來操作自由移動小機器人，其有效操作距離為20 m。

故障語音報警模塊。巡檢機器人在接觸網(wǎng)上遇到故障致使電機異常時，報警模塊蜂鳴器發(fā)出警報，報警信號由主控制器模塊傳至工作人員智能手機上并語言通知及時前去處理。

頻率檢測系統(tǒng)控制器模塊硬件電路設計。根據(jù)檢測模塊輸出的電信號進行放大和濾波處理，然后通過橋式整流電路進行全波整流后形成單向脈動電流，同時將該單向脈沖電流輸入到NPN 三極管的基極上，另外將發(fā)射極進行接地處理，同時將三極管的集電極與單片機的外部中斷接口進行連接，發(fā)射集進行接地處理。由于單向脈動電流會隨電壓一起發(fā)生變化，當其電壓超過三極管的導通電壓時開啟三極管，否則三極管關閉，從而形成開關電路。最后利用單片機系統(tǒng)的外部中斷功能，測量1 s 內(nèi)三極管開關的次數(shù)，從而完成對接觸網(wǎng)振動頻率的檢測，其原理如圖4 所示。

圖4 頻率檢測系統(tǒng)硬件電路原理圖Fig.4 Hardware schematic diagram of frequency detection system control module

4 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件設計主要包含控制器程序和數(shù)據(jù)處理程序兩部分的軟件設計，其中控制器程序主要包含藍牙通信模塊、人機交互模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊的程序設計，而數(shù)據(jù)處理程序則主要是完成數(shù)據(jù)濾波處理和數(shù)據(jù)擬合修正的程序編寫。

4.1 控制器軟件設計

振動頻率檢測系統(tǒng)的控制器軟件設計主要是包含數(shù)據(jù)處理模塊、人機交互模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊3 部分的軟件設計。通過人機交互模塊完成對巡檢機器人的運行、調(diào)試以及故障的處理；數(shù)據(jù)處理模塊主要是完成對檢測數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換工作，從而實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的傳送與存儲；數(shù)據(jù)顯示模塊是顯示出經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換后所得振動頻率的數(shù)值。根據(jù)本設計的控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，該控制器的流程設計如圖5所示。

系統(tǒng)啟動后，完成相應的初始化工作，通過人機交互模塊使巡檢機器人勻速前行。頻率檢測系統(tǒng)啟動，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始進行數(shù)據(jù)的采集，然后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開始進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。當數(shù)據(jù)傳輸串口接收到傳送過來的數(shù)據(jù)，此時把測得數(shù)據(jù)送至LCD 顯示模塊進行顯示，同時通過無線模塊傳輸給地面接收單元，從而完成了一次完整的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)倪^程。通過對流程圖的程序功能分解，采取了模塊化的設計思路，將其分為Main（）主模塊和數(shù)碼管LCD.h 顯示以及無線藍牙bluetooth.h 傳輸3 個軟件程序模塊，結(jié)合單片機的底層驅(qū)動完成整個控制器的軟件設計。

圖5 控制器軟件系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of controller software system

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊軟件設計

4.2.1 數(shù)據(jù)濾波處理

在交流電氣化鐵道系統(tǒng)工作的過程中，由于交流和直流系統(tǒng)中的高次諧波容易產(chǎn)生交變磁場，而交變磁場在電纜中又可以引起感應電流，從而影響檢測結(jié)果不準確。濾波器可以根據(jù)有用信號和噪聲的不同特性，消除或減弱噪聲信號，提取有用信號，而數(shù)字濾波器是其中一種利用有限精度算法實現(xiàn)濾波功能的離散時間線性時不變系統(tǒng)[15]。對于數(shù)字濾波器，它既可以利用特定的數(shù)字硬件電路或信號處理器來實現(xiàn)，也可以編寫計算機程序來實現(xiàn)數(shù)字濾波器。由于本檢測系統(tǒng)對所設計的數(shù)字濾波器不要求線性相移，并且在相同的條件下，F(xiàn)IR 數(shù)字濾波器比IIR 數(shù)字濾波器階數(shù)的階數(shù)要高[16]。綜合考慮設計的合理性和檢測系統(tǒng)所要求的頻率特性，本設計選用巴特沃斯低通數(shù)字濾波器并通過編寫軟件程序?qū)π盘栠M行數(shù)字濾波。

根據(jù)確定好的濾波器類型，首先將其轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的模擬指標，利用MATLAB 工具箱中提供的Buttord 函數(shù)和確定濾波器的最小階數(shù)，然后使用Butter 函數(shù)來完成數(shù)字濾波器的設計。最后將其中一組在實驗室接觸網(wǎng)模擬中采集到的振動數(shù)據(jù)，經(jīng)過設計好的濾波器進行濾波處理，其原始數(shù)據(jù)波形、濾波后的波形如圖6 所示。由圖6 可以看出本次設計的濾波器達到了很好的降噪效果，剔除了一些無用數(shù)據(jù)，完成了對實驗數(shù)據(jù)的濾波作用。

4.2.2 數(shù)據(jù)擬合修正

在實際的鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，接觸線張力會隨著外界條件的變化而發(fā)生明顯變化，為了保證接觸線的張力在空載情況下恒定，高速鐵路的接觸線均采用全補償懸掛，一般棘輪補償是應用最為廣泛的補償方式[10]。然而在實驗室進行測試時鑒于實驗過程中存在著接觸線張力、密度以及檢測系統(tǒng)本身等因素的影響，使測量結(jié)果具有一定的非線性誤差，并且在不同激振頻率下的測量誤差有所不同。為了降低測量誤差，獲得準確的測量值，故而采用最小二乘法[17-18]原理進行系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的曲線擬合。

在激振頻率為10～20 Hz的范圍內(nèi)選擇12，14，16，18 Hz來測試振動頻率，檢測點為Xi，對應頻率輸出值為Yi，由此可得 4 組在不同激振下對應的數(shù)組 (XAi,YAi)、(XBi,YBi)、(XCi,YCi)、(XDi,YDi)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化的趨勢選取三次多項式進行擬合，尋找出能使最小的擬合函數(shù)φ3(x)，利用MATLAB 分別對上述4 組不同激振頻率下檢測到的振動頻率值進行曲線擬合，得到具體擬合函數(shù)的圖線如圖7 所示。

圖6 數(shù)字濾波器濾波前后波形對比圖Fig.6 Digital filter before and after filtering waveform comparison diagram

由于選取三次多項式完成曲線的擬合，固模擬函數(shù)表達式為

根據(jù)仿真曲線模擬后得到模擬函數(shù)中的系數(shù)a1～a3、b的值，各系數(shù)值如表2 所示。由表2 中的系數(shù)可以得到如下10～20 Hz 內(nèi)的4 個三次多項式模擬函數(shù)

最后利用MCS-51 單片計算機的匯編語言程序編制修正程序，并且根據(jù)給予的激振頻率大小選擇合適的保存在E-PROM 中4 條曲線擬合函數(shù)來修正非線性誤差。

圖7 測量初始值和三次擬合多項式曲線圖Fig.7 Initial measured values and obtained cubic fitting polynomial curves

表2 三次多項模擬函數(shù)系數(shù)Table 2 Coefficients of cubic multinomial simulation functions

5 實驗調(diào)試與結(jié)果分析

在完成該頻率檢測系統(tǒng)的設計后，將設計的巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)各部分組裝好，并將相關設備裝配在設計好的可自由移動的機械結(jié)構(gòu)平臺上，完成頻率檢測裝置的校準和傳感器固定工作，防止檢測系統(tǒng)測量過程中產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。通過無線遙控器完成對巡檢機器人自由準確移動的控制，再通過為移動巡檢機器人配載的頻率檢測設備完成接觸網(wǎng)對應檢測點振動頻率的檢測任務。該巡檢機器人實驗測試現(xiàn)場如圖8 所示。

由于接觸網(wǎng)跨距不僅影響接觸網(wǎng)的靜態(tài)剛度和模態(tài)，還對弓網(wǎng)系統(tǒng)的工作頻率起決定性作用[19]。所以在實驗測試現(xiàn)場利用巡檢機器人分別對跨距為3 m 和6 m 的兩組鐵路接觸網(wǎng)線進行檢測，并且將其劃分10 個檢測點（其中檢測點3 處有破損，其余檢測點均無破損），并以支柱的一端為起點，跨過最后一個檢測點后的末尾處作為終點。由表1 知接觸網(wǎng)的固定頻率在1～7 Hz，為了防止被測對象發(fā)生共振，激振器給予的振動頻率為10～20 Hz，開始實驗時分別對不同跨距接觸網(wǎng)使用激振器給其施加一定形式和大小的振動量激振1，并同時控制移動小機器人按照預定的時間和固定的速度從起點依次通過檢測點直至終點，并依次將測得數(shù)據(jù)傳輸給下位機進行顯示，人工記錄下每個檢測點的振動頻率。再利用無線遙控將巡檢機器人重新移動到起點，給予接觸網(wǎng)另外4 種不同的激振2～4，重復以上的實驗3次并完成數(shù)據(jù)的記錄，對比兩組實驗發(fā)現(xiàn)兩組測得頻率值有一定的差距，但檢測點3 處的振動頻率值相較于其他檢測點都要小，以跨距為6 m 的接觸網(wǎng)對應檢測點振動頻率的結(jié)果為例，其最終結(jié)果如圖9 所示，根據(jù)曲線圖發(fā)現(xiàn)檢測點3 處的振動頻率均比較小，由于當有破損時，引起共振的振動部分就會變長，帶動了頻率變慢，從而可以初步判斷檢測點3 處有破損，后期還可以根據(jù)測量的振動頻率為評估接觸網(wǎng)的健康狀態(tài)提供重要的參考依據(jù)。

圖8 巡檢機器人與實驗測試現(xiàn)場圖Fig.8 Inspection robot and experimental test field diagram

圖9 不同激振下鐵路接觸網(wǎng)線的振動頻率曲線圖Fig.9 Vibration frequency curves of railway catenary cables under different excitations

6 結(jié)束語

本文通過設計的檢測控制系統(tǒng)來完成鐵路接觸網(wǎng)振動頻率檢測工作，并結(jié)合接觸網(wǎng)的模態(tài)分析初步判斷鐵路接觸網(wǎng)的健康狀態(tài)。與傳統(tǒng)的人工檢測和圖像檢測方法相比，上述設計結(jié)構(gòu)簡單，不需要復雜的儀器就可完成對鐵路接觸網(wǎng)振動頻率的檢測任務，有效地降低檢修成本，而且操作簡單，大大減輕了檢修人員的工作難度，提高了檢修工作效率。另外本文設計的機械裝置可以根據(jù)接觸網(wǎng)的實際檢測要求在其安裝平臺上裝配不同檢測設備對相應零部件進行檢測，從而得到所需接觸網(wǎng)的參數(shù)特性，使得該裝置具有很好的通用性。雖然該檢測系統(tǒng)通過硬件和軟件濾波以及結(jié)合最小二乘法引入修正值等方法減少了系統(tǒng)的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，但是仍不可避免地存在著一定系統(tǒng)誤差，需要引入灰色預測GM(1,1)模型[20]進行誤差補償來進一步減小誤差，但本文設計的檢測控制系統(tǒng)基本也達到了預期的檢測效果?？傊?本文的設計是將傳統(tǒng)檢測技術與無線通信技術進行融合，初步建立了一套融合檢測數(shù)據(jù)與無線通信相互支撐的檢測體系，對于提高電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢測的檢測效率以及鐵路接觸網(wǎng)檢測技術的研究具有很重要的現(xiàn)實意義和參考價值。