黃慶吒 王 健

（廣州地鐵運營事業(yè)總部，廣東廣州510000）

0 引言

廣州地鐵四、五、六號線運用的是直線電機車輛，與以旋轉(zhuǎn)電機為牽引動力的傳統(tǒng)軌道交通不同，直線電機車輛的牽引電機定子與轉(zhuǎn)子分開，定子（即直線電機）安裝在地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架上，轉(zhuǎn)子則鋪設(shè)在軌道道床的正中間，被稱為“感應(yīng)板”。在線路施工階段，已嚴(yán)格控制感應(yīng)板頂面高于鋼軌水平面mm，而直線電機與感應(yīng)板之間需留有一定的空間距離作為勵磁間隙，稱為“氣隙”。若氣隙過大，會增大直線電機運行的能耗；若氣隙過小，列車運行過程中受電磁吸力、橡膠關(guān)節(jié)蠕變、輪對磨耗等因素的影響，可能出現(xiàn)直線電機與感應(yīng)板接觸碰撞的現(xiàn)象，存在較大的運行安全隱患。因此，如何控制氣隙值在合理的范圍內(nèi)，是直線電機節(jié)能增效的重要課題之一。

1 基本結(jié)構(gòu)

氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由激光測距模塊和溫度監(jiān)測模塊、車號識別模塊、主機控制管理模塊及DCC終端顯示模塊等組成，其中激光測距模塊采用三角激光測距原理，如圖1所示，以半導(dǎo)體激光器作為光源，由光源產(chǎn)生的光束照射不透明被測物體表面，經(jīng)被測物表面反射（或散射）后，由面陣CCD攝像機接收，光點在CCD像平面上的位置將會反映出表面在法線方向上的變化。

圖1 三角激光測距原理

車號識別系統(tǒng)采用射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification Devices，RFID），RFID是基于射頻信號和空間耦合的自動識別技術(shù)，主要由車輛電子標(biāo)簽、車號識別天線和車號識別主機組成，具有全天候工作的特點，相對運行可靠，有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。主機控制管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)或光纖的方式相連接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)庫的方式管理監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r對探測站采樣數(shù)據(jù)進行分析處理，形成處理文件、檢索文件，并存儲原始報文。系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元進行通信，現(xiàn)場采集單元運行狀態(tài)的狀態(tài)值通過數(shù)據(jù)采集軟件發(fā)送給數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理軟件通過發(fā)送特定指令給現(xiàn)場PLC進行控制。系統(tǒng)具有整理、存檔、統(tǒng)計等功能，能夠根據(jù)用戶需要實時監(jiān)測直線電機的運行狀態(tài)。DCC終端顯示系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程訪問終端，可以控制探測站軟件的復(fù)位、啟動，為用戶執(zhí)行數(shù)據(jù)、配置文件下載，以及升級程序、配置文件上傳等操作。

2 系統(tǒng)功能

2.1 工作原理

當(dāng)列車駛?cè)胫本€電機氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)，首先觸發(fā)輪對傳感器，由輪對傳感器將來車信號發(fā)生給PLC，PLC發(fā)送信號打開車號識別系統(tǒng)完成對車號的識別，同時打開激光測距傳感器和紅外溫度傳感器探測直線電機氣隙和溫度信號。當(dāng)列車駛離氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)時，關(guān)閉監(jiān)測車號識別主機、激光測距傳感器和紅外溫度傳感器，完成對直線電機氣隙和溫度的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完成后由服務(wù)器主機對采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到直線電機氣隙和溫度參數(shù)，并根據(jù)氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)報警閾值進行判定，若分析采集數(shù)據(jù)存在超限，服務(wù)器會將預(yù)報警信息進行存儲，同時通過網(wǎng)絡(luò)上傳至DCC終端顯示。監(jiān)測流程圖如圖2所示。

圖2 氣隙系統(tǒng)工作原理流程圖

直線電機氣隙和溫度監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的核心模塊，兩個激光測距傳感器同步掃描直線電機得到多組距離值，經(jīng)處理后得到沿直線電機長度方向兩條氣隙曲線波形，對采集的信息進行分析處理，得到直線電機氣隙高度和槽楔高度波形曲線；紅外線溫度傳感器對直線電機下表面進行掃描，采集溫度信息，并將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，對溫度數(shù)據(jù)進行處理，判斷電機溫度是否超限，對溫度超限的電機進行預(yù)報警。直線電機氣隙波形、電機溫度波形分別如圖3、圖4所示。

2.2 主要功能

直線電機氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要運用功能有：電機高度預(yù)報警功能、槽楔高度預(yù)報警功能、四角高度超差預(yù)報警功能、電機高度歷史趨勢超差預(yù)報警功能、直線電機溫度預(yù)報警功能。

2.3 系統(tǒng)精度

圖3 直線電機氣隙波形

圖4 直線電機溫度波形

由于需要對直線電機氣隙高度進行精確的監(jiān)測，因此對直線電機氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度要求非常高，系統(tǒng)測量精度需滿足＜±0.30 mm。

本文所選的測量位置為第7、73根硅鋼片，這兩根硅鋼片位于直線電機調(diào)整裝置正下方，在正線運行過程中第7、73根硅鋼片的形變量相對較小。對廣州地鐵四號線8個直線電機高度進行監(jiān)測，系統(tǒng)監(jiān)測值如表1所示。

表1 系統(tǒng)監(jiān)測值與實測值

Zi為氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測值，Zj為使用直線電機高度測量尺人工測量的電機高度值（i、j取值分別為1，2，3，…，32），用Z表示人工測量值Zi與系統(tǒng)監(jiān)測值Zj之差，即Z=Zi-Zj，繪制Z值曲線的波形如圖5所示。

圖5 Z值曲線波形圖

對比人工測量電機高度值與氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測值，兩者之差為0～0.4 mm，線性關(guān)系Zl=0.25。由于直線電機在經(jīng)過氣隙在線監(jiān)測裝置時受電磁吸力的作用，氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測值會低于列車靜態(tài)時人工測量值。由于所選測量點直線電機形變量較小，可以忽略不計，Z值線性關(guān)系值Zl=0.25可以視為直線電機受吸力作用的下沉量。Z-Zl的絕對值為系統(tǒng)測量精度，|Z-Zl|＜0.30 mm。

3 主要作用

3.1 節(jié)能作用

為探究氣隙與能耗關(guān)系，本文收集了廣州地鐵四號線101102車、109110車2018年1月1日和2月28日的電機高度數(shù)據(jù)，如表2所示。

從2018年1月至2018年2月28日，101102車直線電機平均高度由24.06 mm下降為22.86 mm，電機運行平均高度值為23.46 mm；109110車直線電機平均高度由25.22 mm下降為23.94 mm，電機運行平均高度值為24.58 mm。由此可知，兩車電機氣隙高度差為1.12 mm。

收集2018年1月1日至2018年2月28日列車能耗和運行公里數(shù)數(shù)據(jù)，101102車列車總能耗為285 185 kW·h，運行公里數(shù)為34 431 km；109110車列車總能耗為327 685 kW·h，運行公里數(shù)為35 508 km。由此可計算101102車、109110車的每公里能耗分別為8.282 8 kW·h/km、9.228 5 kW·h/km。兩車每公里總能耗之差為0.945 7 kW·h/km。101102車與109110車除氣隙高度有差異之外，其他運行條件基本一致，由此得出列車每公里牽引能耗與氣隙高度之間的比值關(guān)系：0.945 7:1.12≈0.844 4 kW·h/（km·mm）

傳統(tǒng)的檢修方式主要通過定期測量直線電機高度，檢查直線電機高度是否在安全范圍內(nèi)。出于安全裕量考慮，廣州地鐵四號線將直線電機高度運用范圍設(shè)定為25.3～26.3 mm。在氣隙在線監(jiān)測設(shè)備投入使用后，由于可以實時了解直線電機的運行狀態(tài)，電機平均高度運用下沉至24.0 mm仍可保證電機安全運行。由此列車電機運行平均高度可下降0.65 mm，列車每公里節(jié)省能耗0.544 0 kW·h，平均能耗下降6.21%。

3.2 增效作用

氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)投入使用前，廣州地鐵四號線直線電機高度運用標(biāo)準(zhǔn)為25.3～26.3 mm。受輪對磨耗和電機重力影響，電機高度會隨運行公里數(shù)增加而逐漸下沉。據(jù)統(tǒng)計，直線電機下沉量與運行公里數(shù)的關(guān)系為：

表2 電機高度數(shù)據(jù) 單位：mm

（1.20+1.28）:（34 431+35 508）≈1:28 201 mm/km

按列車每年運行10萬公里計算，每個電機每年需要調(diào)整3.5次。在氣隙在線監(jiān)測設(shè)備投入使用后，電機平均高度運用下限可放寬至24.0 mm。直線電機氣隙下沉量由1 mm提高至2.3 mm，可供運行公里數(shù)由28 201 km增加到64 862 km，每個電機每年只需調(diào)整1.5次，效率提高了1.3倍。以廣州地鐵四號線為例，在氣隙在線監(jiān)測技術(shù)推廣運用前，直線電機每年需要調(diào)整高度3～4次；氣隙在線監(jiān)測技術(shù)推廣運用后，直線電機每年只需調(diào)整1～2次。電機高度調(diào)整1次需要4個人，人均工時約為2 h，即調(diào)整一個電機每次需要8個工時，四號線共有57列車，每列車安裝有8臺電機，按每年可以減少2次電機高度調(diào)整計算，氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)可以減少人力工時為：8×8×57×2=7 296 h。由此可見，氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)投入使用后，廣州地鐵四號線可以節(jié)約人力工時超過7 000 h，大大提高了生產(chǎn)運作的效率。

4 結(jié)語

氣隙在線監(jiān)測技術(shù)運用在直線電機上，可以實時監(jiān)測直線電機與感應(yīng)板之間的氣隙高度，避免電機高度過高導(dǎo)致牽引能耗增大，并及時對電機高度的異常沉降進行報警，有利于提高直線電機運行的安全性，達到直線電機節(jié)能增效的目的。