基于電渦流傳感器的鋼軌形變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虞賽君,劉 永,錢 敏

(1.合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司,安徽合肥 230000;2.合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司,安徽合肥 230000;3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引言

列車在實(shí)際運(yùn)行中,鋼軌由于車輪與其接觸面持續(xù)摩擦,非接觸面臟污,生銹等原因?qū)е落撥壐鲄?shù)發(fā)生變化,由于列車在運(yùn)行期間人工檢修困難,鋼軌狀態(tài)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)鋼軌狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致列車停車等問(wèn)題,甚至?xí)斐梢粭l線路的停滯。所以能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)信息,建立起一套完善的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)保證城市軌道交通運(yùn)行的安全具有重要意義。

目前對(duì)于鋼軌形變監(jiān)測(cè)大多采用在鋼軌表面粘貼應(yīng)變片等接觸式測(cè)量的形式[1],由于粘貼工藝等影響,接觸式測(cè)量會(huì)改變列車運(yùn)行時(shí)鋼軌的受力狀態(tài),進(jìn)而對(duì)測(cè)量值的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。本設(shè)計(jì)提出通過(guò)電渦流位移傳感器非接觸式測(cè)量列車經(jīng)過(guò)時(shí)鋼軌形變量,通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)將形變數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái),通過(guò)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車行駛過(guò)程中的鋼軌狀態(tài),進(jìn)而預(yù)防列車行駛異常情況的發(fā)生。

1 系統(tǒng)方案

1.1 測(cè)量點(diǎn)選擇

一般脫軌事故主要發(fā)生于小半徑區(qū)段、夾直線區(qū)段等列車運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣的路段[2-3]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,測(cè)試點(diǎn)選擇在合肥市軌道交通某1 km區(qū)間,共選擇5個(gè)測(cè)量點(diǎn),每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的左右軌道分別放置2個(gè)傳感器進(jìn)行鋼軌橫向變形和縱向變形的監(jiān)測(cè),則測(cè)試共需20臺(tái)傳感器,5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置坐標(biāo)和特征如圖1和表1所示。

圖1 測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

表1 測(cè)試點(diǎn)位置具體參數(shù)

1.2 測(cè)量點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)及指標(biāo)

根據(jù)對(duì)脫軌理論的研究,脫軌預(yù)測(cè)主要依據(jù)2個(gè)參數(shù):脫軌系數(shù)和輪重減載率。

脫軌系數(shù)定義為

(1)

式中:Q為作用在車輪上的橫向力;P為作用在車輪上的垂向力;μ為輪緣處的摩擦系數(shù);α為最大輪緣接觸角。

輪重減載率定義為

輪重減載率=ΔP/P0

(2)

式中:P0為平均靜軸重;ΔP為輪軌垂向力相對(duì)平均輪重減載量。

GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[4]按曲線段半徑R評(píng)定的脫軌系數(shù)如表2所示。

表2 脫軌系數(shù)評(píng)定限值表

輪重減載率評(píng)定按速度分類如下:

當(dāng)列車行駛速度v≤160 km/h時(shí),輪重減載率≤0.65;當(dāng)列車行駛速度v>160 km/h時(shí),輪重減載率≤0.8。

綜上所述,根據(jù)測(cè)試列車實(shí)際情況以及實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛過(guò)程中的安全性問(wèn)題進(jìn)行合理評(píng)估,監(jiān)測(cè)指標(biāo)如表3所示。

表3 列車穩(wěn)定運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)

1.3 測(cè)量方案

以一個(gè)測(cè)量點(diǎn)為例,使用4個(gè)電渦流傳感器,共分為2組,分別測(cè)量左右鋼軌形變量,每組傳感器通過(guò)夾具實(shí)現(xiàn)單軌橫向形變和垂向形變的測(cè)量,如圖2所示。

圖2 測(cè)量位置示意圖

該測(cè)量點(diǎn)共輸出4路傳感器采集數(shù)據(jù),將該4路數(shù)據(jù)送至MCU端,MCU接收后通過(guò)串口和NB-IoT模塊交互,通過(guò)AT指令將接收數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺(tái),利用OneNET View數(shù)據(jù)可視化工具設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面,實(shí)現(xiàn)鋼軌位移量、鋼軌受力狀態(tài)以及脫軌系數(shù)和輪重減載率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量點(diǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電渦流傳感器原理

電渦流位移傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的,其中電渦流的大小與金屬導(dǎo)體厚度、材料、線圈激勵(lì)電流頻率以及金屬導(dǎo)體表面距離等相關(guān),如圖4所示,當(dāng)控制線圈與金屬表面距離以外的參數(shù)恒定不變,通過(guò)阻抗的變化即可測(cè)量出位移的變化[5]。

圖4 電渦流傳感器作用原理[6]

2.2 電渦流傳感器設(shè)計(jì)

由于使用環(huán)境的特殊性,用于地鐵軌道測(cè)量的探頭有諸多限制,文中根據(jù)實(shí)際情況制作了適用于該系統(tǒng)的專用探頭。制作了直徑25 mm、量程為10 mm的探頭。軌道下方空間有限,因此探頭整體長(zhǎng)度較短,且采用了側(cè)出線方案,探頭導(dǎo)線長(zhǎng)5 m,探頭結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 探頭結(jié)構(gòu)示意圖

由于地鐵隧道內(nèi)部溫度不恒定,而電渦流傳感器的輸出隨溫度變化較大,導(dǎo)致對(duì)軌道振動(dòng)的測(cè)量誤差,從而導(dǎo)致脫軌系數(shù)計(jì)算誤差,因此需要對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。文中在電路中內(nèi)置了溫度傳感器并設(shè)計(jì)了補(bǔ)償程序,根據(jù)變溫試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在恒溫箱中進(jìn)行了變溫試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如下:

(1)固定探頭到目標(biāo)板之間的距離;

(2)設(shè)定溫度為10、30、50 ℃,每個(gè)溫度持續(xù)一段時(shí)間,直到傳感器輸出穩(wěn)定;

(3)記錄試驗(yàn)過(guò)程中的溫度和傳感器位移數(shù)據(jù);

(4)改變探頭到目標(biāo)板的距離,重復(fù)上述3個(gè)步驟。

圖6為變溫試驗(yàn)中傳感器的輸出,20 ℃的溫度變化造成傳感器溫漂0.26 mm,占總量程的2.6%。

(a)傳感器輸出曲線

(b)溫度變化曲線圖6 變溫試驗(yàn)傳感器輸出

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,得到圖7的數(shù)據(jù),20 ℃的溫度變化造成傳感器溫漂0.05 mm,占總量程的0.5%,溫漂縮小到原來(lái)的1/5?？紤]到地鐵隧道內(nèi)的溫度波動(dòng),傳感器實(shí)際漂移可能小于0.2%,通過(guò)溫度補(bǔ)償很大程度上提高了對(duì)軌道振動(dòng)的測(cè)量精度,從而減小了脫軌系數(shù)的計(jì)算誤差。

圖7 溫度補(bǔ)償后傳感器輸出

2.3 傳感器夾具設(shè)計(jì)

為了滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需要,傳感器探頭安裝夾具在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮因素:

(1)滿足軌底空間≤7 cm的安裝需要;

(2)在安裝后不影響列車的正常運(yùn)行;

(3)滿足傳感器測(cè)量距離要求;

(4)能根據(jù)實(shí)際工況對(duì)探頭位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

傳感器夾持工作結(jié)構(gòu)主要分為定位結(jié)構(gòu)和傳感器安裝結(jié)構(gòu)。如圖8(a)所示,其中3為定位面,傳感器安裝部分位于1、2兩個(gè)位置,其中位置1為測(cè)量鋼軌橫向形變傳感器安裝孔,位置2為測(cè)量鋼軌縱向形變傳感器安裝孔。

(a)傳感器夾具設(shè)計(jì)

(b)傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖8 傳感器夾具設(shè)計(jì)及安裝示意圖

圖8(b)為傳感器夾持機(jī)構(gòu)安裝示意圖,由鋼軌、傳感器探頭、傳感器安裝夾具組成。其中傳感器探頭尾部采用螺紋結(jié)構(gòu),當(dāng)傳感器置于安裝孔中,通過(guò)2片螺母旋緊固定。定位面與地面之間選用DP460高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂膠固定,該膠滿足MIL-A-23941A標(biāo)準(zhǔn),擁有良好的剝離和剪切強(qiáng)度,粘合的材料類型廣泛,適用于玻璃、電子元件、石材類、水泥制品等的粘合,另一方面也可以避免打孔固定等方式造成列車運(yùn)行環(huán)境的破壞,減少列車行駛過(guò)程中的干擾因素。

2.4 硬件電路設(shè)計(jì)方案

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)所用設(shè)備的硬件電路主要包括電源模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、RS422轉(zhuǎn)TTL模塊、MCU主控芯片、通訊模塊等,硬件電路的設(shè)計(jì)方案如圖9所示。

圖9 調(diào)試接口設(shè)計(jì)

考慮到信號(hào)處理的快速性,傳感器采用數(shù)字量輸出模式,即輸出422信號(hào)。因此采用RS422/TTL模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換,提高信號(hào)采集和處理的速度。

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6主控芯片,其最高工作頻率72 MHz,在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25 DIPS/MHz,且可實(shí)現(xiàn)單周期乘法和硬件除法,數(shù)據(jù)處理性能強(qiáng)大[7]。該模塊主要功能是接收傳感器輸出的信號(hào)并進(jìn)行處理,通過(guò)AT指令控制通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)。

系統(tǒng)中NB-IoT模塊采用BC26模組,BC26模塊支持全球頻段,且該NB模組體積小,同時(shí)BC26還支持低供電電壓,更適合本系統(tǒng)場(chǎng)景需求。在設(shè)計(jì)方面,BC26采用LCC封裝,提供豐富的外部接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[8],支持OneNET云平臺(tái),為使用者提供了極大的便利。本系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)外圍器件連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸算法設(shè)計(jì)

為充分利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件功能,開(kāi)發(fā)配套的算法軟件。本系統(tǒng)除了要滿足監(jiān)測(cè)列車狀態(tài)的功能外,還需要考慮列車行駛過(guò)程中的干擾,故該系統(tǒng)需具備工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

以1個(gè)測(cè)量點(diǎn)為例,該采集點(diǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分是以MCU為基礎(chǔ)的,通過(guò)相應(yīng)串口協(xié)議校驗(yàn)提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。傳感器采集數(shù)據(jù)后,通過(guò)相應(yīng)內(nèi)部電路運(yùn)算處理,并將數(shù)據(jù)封裝,傳輸至MCU端,MCU通過(guò)串口中斷服務(wù)函數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,并按照協(xié)議格式解析,進(jìn)行校驗(yàn),若格式正確即傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)未失真, 則MCU將從數(shù)據(jù)包中解析出傳感器采集的原始數(shù)據(jù),并按照表4(Json字符串格式)封裝。

3.2 數(shù)據(jù)上傳

3.2.1 MQTT協(xié)議簡(jiǎn)介

MQTT(message queuing telemetry transport,消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議)是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級(jí)通訊協(xié)議,也是一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的即時(shí)通信協(xié)議[9]。

MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成,在通訊過(guò)程中,MQTT協(xié)議中有3種身份:發(fā)布、代理、訂閱者[10]。其中,在本系統(tǒng)中的NB-IoT模組為發(fā)布者,OneNET云平臺(tái)為訂閱者。并通過(guò)該協(xié)議實(shí)現(xiàn)將線下采集數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)端。

3.2.2 數(shù)據(jù)上傳OneNET

當(dāng)MCU上電后,在MCU初始化過(guò)程中,通過(guò)串口打印AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)NB-IoT模塊的初始化工作,初始化工作為測(cè)試AT指令,MCU通過(guò)判別模塊返回值來(lái)確定當(dāng)前狀態(tài),初始化完成后,模塊處于登錄成功狀態(tài),等待數(shù)據(jù)上傳,當(dāng)MCU串口接收到傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)且校驗(yàn)正確后,通過(guò)封裝函數(shù)將數(shù)據(jù)封裝為Json格式字符串,并通過(guò)串口和NB-IoT模塊交互,NB-IOT模塊接收后將該數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺(tái)。其Json格式字符串如表4所示。

表4 Json字符串格式示意表

表4中“id”命名為采集點(diǎn)位置,數(shù)據(jù)流中value數(shù)據(jù)點(diǎn)為采集點(diǎn)的鋼軌形變量數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

NB-IoT通訊模塊將數(shù)據(jù)值上傳OneNET云平臺(tái)后,云端會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)流與之對(duì)應(yīng),通過(guò)OneNET View數(shù)據(jù)可視化工具,調(diào)用對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流的API接口將上傳至OneNET的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,并采用編寫函數(shù)過(guò)濾器來(lái)從數(shù)據(jù)流中提取展示信息,如時(shí)間、位移值等?？梢暬O(shè)計(jì)如圖12所示。

圖12 鋼軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化界面

在該界面中各圖表分別顯示測(cè)量點(diǎn)的左、右兩側(cè)鋼軌的形變量、受力狀態(tài)、脫軌系數(shù)和輪重減載率,并根據(jù)GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中的規(guī)定設(shè)置了各個(gè)指標(biāo)的警戒值,當(dāng)測(cè)量參數(shù)超過(guò)限定時(shí),界面會(huì)進(jìn)行彈窗警報(bào),提示相關(guān)人員進(jìn)行進(jìn)一步操作。

4 設(shè)備安裝與功能測(cè)試

4.1 設(shè)備安裝

4.1.1 電渦流傳感器夾具、探頭及線夾安裝

傳感器夾具、探頭及線夾安裝步驟如下:

(1)確認(rèn)夾具安裝位置,并在相應(yīng)位置涂刷DP460高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂膠;

(2)將傳感器探頭安裝在夾具的定位孔上,通過(guò)兩片螺母夾緊固定;

(3)將傳感器夾具輕放在已涂膠位置表面,微調(diào)螺母,保證滿足探頭的測(cè)量距離;

(4)確認(rèn)信號(hào)線固定位置,每隔30 cm膠粘線夾,將信號(hào)線固定;

(5)靜置3 h待膠凝固。

圖13為傳感器夾具、探頭及線夾安裝。

圖13 傳感器夾具、探頭及線夾安裝

4.1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝步驟如下:

(1)將左右兩側(cè)探頭的信號(hào)線引到消防疏散平臺(tái),并將對(duì)應(yīng)探頭線連接對(duì)應(yīng)傳感器;

(2)使用線夾將信號(hào)線走線固定,防止對(duì)列車運(yùn)行造成干擾;

(3)將系統(tǒng)箱體放置平臺(tái)靠墻一側(cè),并在對(duì)應(yīng)墻面區(qū)域刷涂熱熔膠,進(jìn)行膠粘固定;

(4)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉電,完成系統(tǒng)供電。

圖14為系統(tǒng)箱體現(xiàn)場(chǎng)安裝圖。

圖14 系統(tǒng)箱體現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

4.2 功能測(cè)試

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后,采用OneNET View數(shù)據(jù)可視化界面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)列車行駛過(guò)程中的鋼軌狀態(tài),對(duì)本系統(tǒng)功能測(cè)試,當(dāng)有列車經(jīng)過(guò)時(shí),鋼軌數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面如圖15所示。

本次列車運(yùn)行過(guò)程中鋼軌的最大變形量、最大受力值、輪重減載率及輪軌系數(shù)可由圖15中各系數(shù)最大值顯示區(qū)域獲得。

經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能多次測(cè)試,測(cè)試時(shí)刻選擇為2022-12-07 20∶40～21∶30,該時(shí)間段內(nèi)共采集到7次列車經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù),結(jié)果整理如表5、表6所示。

表5 鋼軌形變和受力測(cè)試數(shù)據(jù)

表6 脫軌評(píng)判系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)合表3給出的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼軌狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在列車運(yùn)行過(guò)程中鋼軌的各系數(shù)均在安全范圍內(nèi),無(wú)脫軌風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

鋼軌形變數(shù)據(jù)系統(tǒng)是通過(guò)嵌入式ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境,對(duì)城市軌道交通夾直線區(qū)段和小半徑區(qū)段等重點(diǎn)地段的鋼軌狀態(tài)進(jìn)行在線測(cè)量,該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力,依托NB-IOT網(wǎng)絡(luò)和OneNET云平臺(tái)等現(xiàn)代通訊手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)以及分析監(jiān)測(cè)結(jié)果,并通過(guò)OneNET View數(shù)據(jù)可視化工具對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行更直觀的展示,本系統(tǒng)對(duì)于鋼軌的維護(hù)和檢修以及提高列車運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性具有重要意義。本文的主要工作如下:

(1)鋼軌形變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)地鐵運(yùn)行復(fù)雜環(huán)境的分析,確定測(cè)量點(diǎn)選擇、監(jiān)測(cè)參數(shù)指標(biāo)以及整體測(cè)量方案,綜合考慮了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度、使用環(huán)境以及抗干擾穩(wěn)定性。

(2)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)?？紤]到列車行駛過(guò)程中的復(fù)雜環(huán)境,本文針對(duì)該系統(tǒng)使用環(huán)境對(duì)傳感器參數(shù)選擇進(jìn)行了合理的分析,并對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試。

(3)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)MCU端接收傳感器采集數(shù)據(jù),軟件算法進(jìn)行校驗(yàn),并對(duì)不失真的數(shù)據(jù)組進(jìn)行發(fā)送格式封裝,實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺(tái),并后續(xù)通過(guò)可視化工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)。

(4)為本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。首先搭建測(cè)試環(huán)境,完成系統(tǒng)各模塊現(xiàn)場(chǎng)安裝,通過(guò)OneNET數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行時(shí)的各鋼軌系數(shù),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,最終實(shí)現(xiàn)鋼軌狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。