靴軌平順性測(cè)試及靴軌視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
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城市軌道交通供電電壓通常采用DC1500V或DC750V，其車輛的主要受電方式分為架空接觸網(wǎng)受流和第三軌受流。第三軌受流根據(jù)受流靴和供電軌的相對(duì)位置,又可分為上受流、下受流和側(cè)受流3種方式。上海軌道交通浦江線是采用中間導(dǎo)向膠輪路軌的自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng),采用第三軌側(cè)面受流(DC±375V),接地軌上受流作為接地，與傳統(tǒng)的地鐵三軌受流差異較大。因此，有必要對(duì)浦江線APM系統(tǒng)的靴軌關(guān)系進(jìn)行深入研究,確保受流可靠,列車正常運(yùn)行。
本文通過采用德維創(chuàng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備,對(duì)該線的靴軌平順性進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn),對(duì)安全隱患進(jìn)行預(yù)判，及時(shí)整改。同時(shí),通過對(duì)靴軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用,定位靴軌沖突事件并及時(shí)檢修，為線路日常的運(yùn)維提供了技術(shù)支持和保障。
1 浦江線APM系統(tǒng)靴軌關(guān)系特點(diǎn)分析
上海軌道交通浦江線APM系統(tǒng)與傳統(tǒng)的城市軌道交通線路不同,采用橡膠輪胎,中間設(shè)置導(dǎo)向軌導(dǎo)向運(yùn)行,在導(dǎo)向軌上通過絕緣支架架設(shè)2根C型鋼鋁復(fù)合軌、1根接地軌，供電電壓為DC±375v,其供電軌、接地軌斷面圖如圖1所示。浦江線APM系統(tǒng)采用全自動(dòng)無人駕駛方式運(yùn)行。每個(gè)轉(zhuǎn)向架上設(shè)置了2個(gè)集電靴和1個(gè)接地靴,集電靴在DC±375V供電軌槽內(nèi)取電運(yùn)行,接地靴通過接地軌安全接地。供電軌、接地軌并不連續(xù),設(shè)有絕緣接頭、膨脹接頭及在道岔位置處的分?jǐn)啵我馓幍陌惭b偏差維護(hù)不到位均有可能導(dǎo)致集電靴、接地靴經(jīng)過時(shí)的不平順，嚴(yán)重時(shí)甚至可能發(fā)生集電靴滑出供電軌,對(duì)供電軌絕緣罩造成損傷，導(dǎo)致出現(xiàn)單級(jí)接地故障。因此，需要研究一種有效的試驗(yàn)檢測(cè)方法，在系統(tǒng)投用前檢測(cè)供電軌、接地軌安裝精度是否達(dá)標(biāo)，集電靴、接地靴運(yùn)行是否平順，系統(tǒng)運(yùn)營期間用以檢測(cè)供電軌、接地軌維護(hù)是否到位，以及集電靴、接地靴運(yùn)行是否平順。本文的靴軌平順性試驗(yàn),采用振動(dòng)加速度傳感器采集集電靴、接地靴的振動(dòng)加速度,通過其振動(dòng)加速度值來判斷集電靴、接地靴運(yùn)行是否平順，并通過定位系統(tǒng)確定不平順的位置。
2 靴軌平順性試驗(yàn)研究
2.1 試驗(yàn)概況
1)試驗(yàn)內(nèi)容為上海軌道交通浦江線APM系統(tǒng)的靴軌平順性。2)試驗(yàn)區(qū)間為沈杜公路站至匯臻路站上下行。3)試驗(yàn)車輛為浦江線4節(jié)編組車輛,采用空載形式,集電靴、接地靴碳刷磨耗小于10%,靜態(tài)接觸壓力≥45N。4)在APM車輛其中一個(gè)轉(zhuǎn)向架的2個(gè)集電靴和1個(gè)接地靴上分別安裝三軸加速度傳感器作為測(cè)試點(diǎn)，在車頂安裝一個(gè)全球定位系統(tǒng)(GPS)。5)試驗(yàn)工況按正常的運(yùn)行圖行車,在沈杜公路站至匯臻路站全線區(qū)間以全自動(dòng)無人駕駛模式進(jìn)行3個(gè)往返。6)試驗(yàn)設(shè)備包括德維創(chuàng)數(shù)據(jù)采集儀DEWE3-A4、三軸加速度傳感器.全球定位系統(tǒng)、以及筆記本電腦一臺(tái)、導(dǎo)線若干。試驗(yàn)設(shè)備架構(gòu)如圖2所示。
2.2 試驗(yàn)過程
本試驗(yàn)主要在APM列車車輛上進(jìn)行,在其轉(zhuǎn)向架的2個(gè)集電靴和1個(gè)接地靴上分別安裝了三軸加速度傳感器。其試驗(yàn)過程如下:1)檢查確認(rèn)選擇的集電靴、接地靴碳刷磨耗小于10%,靜態(tài)接觸壓力≥45N。2)將三軸加速度傳感器分別固定在2個(gè)集電靴和1個(gè)接地靴上。4)將3個(gè)三軸加速度傳感器的9個(gè)接頭和GPS接頭分別接入Dewetron數(shù)據(jù)采集的10個(gè)通道。7)調(diào)試完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)采集;預(yù)采集后在正線進(jìn)行3個(gè)往返的運(yùn)行,分別采集3個(gè)三軸加速度傳感器各軸向的加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和GPS位置數(shù)據(jù)。
2.3 數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)
試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)為2個(gè)集電靴、1個(gè)接地靴上的3個(gè)加速度傳感器在x、y、z3個(gè)方向上正線全線的實(shí)時(shí)加速度值。通過分析其加速度曲線發(fā)現(xiàn)，集電靴的振動(dòng)加速度主要在水平方向,接地靴的振動(dòng)加速度主要在垂直方向。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致出現(xiàn)集電靴水平方向的振動(dòng)峰值主要原因是:①供電軌水平方向的對(duì)齊度不滿足要求;②絕緣接頭磨耗嚴(yán)重。通過調(diào)整供電軌水平方向的對(duì)齊度和更換磨耗過度的絕緣接頭后,集電靴水平方向的振動(dòng)峰值明顯減少。供電軌調(diào)整前后振動(dòng)加速度對(duì)比數(shù)據(jù)如圖3所示。
產(chǎn)生接地靴垂直方向振動(dòng)峰值的主要原因是接地軌垂直方向的對(duì)齊度不滿足要求，通過調(diào)整接地軌垂直方向的對(duì)齊度,接地靴垂直方向的振動(dòng)峰值明顯減少，調(diào)整前后振動(dòng)加速度對(duì)比數(shù)據(jù)如圖4所示。
3 靴軌視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能、組成及原理
3.1 系統(tǒng)功能
車載靴軌視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用非接觸式的電流傳感器監(jiān)測(cè)方式,可實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)牽引電流的變化情況來判斷是否出現(xiàn)靴軌異常。一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)的分析服務(wù)器將發(fā)送信號(hào)給視頻監(jiān)控系統(tǒng),由視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集視頻和圖像通過車地?zé)o線傳輸通道把告警信息、視頻.圖像發(fā)送到運(yùn)營控制中心。靴軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。運(yùn)營控制中心調(diào)度人員通過查看監(jiān)控屏幕推送的報(bào)警信息及圖像,確認(rèn)故障信息和圖像;根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，安排現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置人員,并根據(jù)相應(yīng)流程實(shí)施應(yīng)急處置。
3.2 系統(tǒng)組成
靴軌視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由車下視頻采集、電流傳感器與傳輸設(shè)備、車內(nèi)電源模塊、交換機(jī)、分析服務(wù)器與視頻采集服務(wù)器、地面中心服務(wù)器等組成。所有從車下視頻采集模塊采集到的數(shù)據(jù),通過網(wǎng)線傳輸?shù)礁鬈噧?nèi)的交換機(jī)內(nèi)。交換機(jī)與車載主控服務(wù)器通信,主控服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理，并通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)與控制中心的服務(wù)器進(jìn)行通信。
3.3 靴軌異常邏輯判斷原理
靴軌監(jiān)測(cè)邏輯判斷的關(guān)鍵是當(dāng)出現(xiàn)集電靴異常情況時(shí)必須準(zhǔn)確無誤地做出判斷和報(bào)警，且不能在未出現(xiàn)靴軌異常時(shí)由于正、負(fù)集電靴電流的不平衡面判斷為異常報(bào)警。因此,在邏輯計(jì)算中,要根據(jù)車輛輔助負(fù)載設(shè)計(jì)電流邏輯閾值是否高于負(fù)載電流值進(jìn)行判斷和計(jì)算;另外,在車輛非靜態(tài)或惰行情況下進(jìn)行的邏輯判斷結(jié)果更加準(zhǔn)確，并能夠減少誤報(bào)警。按此原則進(jìn)行設(shè)計(jì),其邏輯判斷應(yīng)包括:1)單節(jié)車輛正極性或負(fù)極性單個(gè)集電靴脫靴報(bào)警。對(duì)所有集電靴的電流監(jiān)測(cè)適用。如果正極性或負(fù)極性的集電靴電流總值在55A以上,監(jiān)測(cè)到其中有集電靴電流值在1A以下，且持續(xù)時(shí)間超過5s,其異常集電靴則進(jìn)行脫靴報(bào)警。2)單節(jié)車輛正極性或負(fù)極性單側(cè)集電靴脫靴報(bào)警。對(duì)4節(jié)車輛之間的集電靴電流總和進(jìn)行對(duì)比,如有車輛電流的平均值在1A以下，同時(shí)有其他車輛所有集電靴正極性或負(fù)極性電流總值在50A以上，持續(xù)時(shí)間為5s以上時(shí)，對(duì)應(yīng)的單節(jié)車輛所有集電靴脫靴報(bào)警。3)單節(jié)車輛正極性或負(fù)極性單側(cè)集電靴脫靴接地報(bào)警。對(duì)每個(gè)車輛的集電靴電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到單個(gè)集電靴的電流值在600A以上，則立刻脫靴報(bào)警;如果監(jiān)測(cè)到正極性電流值總和與負(fù)極電流值總和不等，且兩個(gè)總和的差值在50A以上,則可以判斷總和值比較大的那邊極性有集電靴接地問題。取2個(gè)同極性集電靴中電流值較小的判斷為集電靴脫落接地，啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制。4)單節(jié)車輛正極性或負(fù)極性單側(cè)集電靴脫靴受流不穩(wěn)報(bào)警的第1種情況。對(duì)所有集電靴的電流監(jiān)測(cè)適用。如正極性或負(fù)極性的集電靴電流總值在50A以上、監(jiān)測(cè)到其中有集電靴電流值在1A以下且在1min內(nèi)累計(jì)持續(xù)時(shí)間在5s以上時(shí),其異常集電靴進(jìn)行異常預(yù)警類型報(bào)警。5)單節(jié)車輛正極性或負(fù)極性單側(cè)集電靴脫靴受流不穩(wěn)報(bào)警的第2種情況。如果單側(cè)電流值急速下降，其電流值的導(dǎo)數(shù)為接近于無窮大(電流值微分處理)，即電流值急速下降，則可以判斷集電靴有脫落風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)進(jìn)行脫靴預(yù)警。6)單節(jié)車輛正極性或負(fù)極性單側(cè)集電靴脫靴受流不穩(wěn)報(bào)警的第3種情況。將車內(nèi)不同集電靴的數(shù)據(jù)離散程度進(jìn)行分析，獲取差異化，基于差異化進(jìn)行分析，按照離散差異超過20%進(jìn)行脫靴預(yù)警。
3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)上述靴軌異常邏輯判斷原理，對(duì)相關(guān)邏輯判斷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。限于篇幅，本文僅給出實(shí)車測(cè)試中單個(gè)集電靴脫靴的電流數(shù)據(jù)。對(duì)單節(jié)車輛中的4個(gè)集電靴分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)集電靴。在列車運(yùn)行過程中，通過絕緣傳動(dòng)裝置使3號(hào)集電靴脫離供電軌,滿足了上文第1種邏輯判斷:正負(fù)集電靴電流總值在55A以上，3號(hào)集電靴電流值在1A以下，且持續(xù)時(shí)間5s以上，集電靴電流曲線如圖6所示，因而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)3號(hào)集電靴脫靴報(bào)警，并將報(bào)警信息及圖像值推送至控制中心。
4 結(jié)語
本文通過靴軌平順性試驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果是:在連續(xù)的供電軌、接地軌區(qū)段，靴軌平順性指標(biāo)良好;而在道岔分段處，靴軌的平順性受供電軌、接地軌的對(duì)齊精度影響較大。通過定期進(jìn)行靴軌平順性試驗(yàn)，對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出其振動(dòng)加速度峰值數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，可極大地降低靴軌沖突事件的發(fā)生。本文通過對(duì)靴軌視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人駕駛APM系統(tǒng)列車靴軌狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別并監(jiān)測(cè)絕大部分靴軌運(yùn)行的異常現(xiàn)象，可利用車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)向控制中心推送故障報(bào)警信息和故障視頻及圖像，再由控制中心對(duì)所有列車進(jìn)行集中管控。靴軌平順性測(cè)試為預(yù)防性維護(hù)提供了依據(jù)，結(jié)合運(yùn)營過程中靴軌視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可極大地提高APM系統(tǒng)靴軌運(yùn)營安全監(jiān)測(cè)和管理維護(hù)效率。
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