黄庆吒 王 健

（广州地铁运营事业总部，广东广州510000）

0 引言

广州地铁四、五、六号线运用的是直线电机车辆，与以旋转电机为牵引动力的传统轨道交通不同，直线电机车辆的牵引电机定子与转子分开，定子（即直线电机）安装在地铁车辆的转向架上，转子则铺设在轨道道床的正中间，被称为“感应板”。在线路施工阶段，已严格控制感应板顶面高于钢轨水平面mm，而直线电机与感应板之间需留有一定的空间距离作为励磁间隙，称为“气隙”。若气隙过大，会增大直线电机运行的能耗；若气隙过小，列车运行过程中受电磁吸力、橡胶关节蠕变、轮对磨耗等因素的影响，可能出现直线电机与感应板接触碰撞的现象，存在较大的运行安全隐患。因此，如何控制气隙值在合理的范围内，是直线电机节能增效的重要课题之一。

1 基本结构

气隙在线监测系统主要由激光测距模块和温度监测模块、车号识别模块、主机控制管理模块及DCC终端显示模块等组成，其中激光测距模块采用三角激光测距原理，如图1所示，以半导体激光器作为光源，由光源产生的光束照射不透明被测物体表面，经被测物表面反射（或散射）后，由面阵CCD摄像机接收，光点在CCD像平面上的位置将会反映出表面在法线方向上的变化。

图1 三角激光测距原理

车号识别系统采用射频识别技术（Radio Frequency Identification Devices，RFID），RFID是基于射频信号和空间耦合的自动识别技术，主要由车辆电子标签、车号识别天线和车号识别主机组成，具有全天候工作的特点，相对运行可靠，有较强的环境适应能力。主机控制管理系统通过以太网或光纤的方式相连接收监测数据，以数据库的方式管理监测数据，能够实时对探测站采样数据进行分析处理，形成处理文件、检索文件，并存储原始报文。系统采用TCP/IP协议与现场数据采集单元进行通信，现场采集单元运行状态的状态值通过数据采集软件发送给数据处理软件，数据处理软件通过发送特定指令给现场PLC进行控制。系统具有整理、存档、统计等功能，能够根据用户需要实时监测直线电机的运行状态。DCC终端显示系统作为远程访问终端，可以控制探测站软件的复位、启动，为用户执行数据、配置文件下载，以及升级程序、配置文件上传等操作。

2 系统功能

2.1 工作原理

当列车驶入直线电机气隙在线监测系统，首先触发轮对传感器，由轮对传感器将来车信号发生给PLC，PLC发送信号打开车号识别系统完成对车号的识别，同时打开激光测距传感器和红外温度传感器探测直线电机气隙和温度信号。当列车驶离气隙在线监测系统时，关闭监测车号识别主机、激光测距传感器和红外温度传感器，完成对直线电机气隙和温度的数据采集。数据采集完成后由服务器主机对采集的数据进行处理，得到直线电机气隙和温度参数，并根据气隙在线监测系统设定的预报警阈值进行判定，若分析采集数据存在超限，服务器会将预报警信息进行存储，同时通过网络上传至DCC终端显示。监测流程图如图2所示。

图2 气隙系统工作原理流程图

直线电机气隙和温度监测模块是系统的核心模块，两个激光测距传感器同步扫描直线电机得到多组距离值，经处理后得到沿直线电机长度方向两条气隙曲线波形，对采集的信息进行分析处理，得到直线电机气隙高度和槽楔高度波形曲线；红外线温度传感器对直线电机下表面进行扫描，采集温度信息，并将信息传输到数据处理单元，对温度数据进行处理，判断电机温度是否超限，对温度超限的电机进行预报警。直线电机气隙波形、电机温度波形分别如图3、图4所示。

2.2 主要功能

直线电机气隙在线监测系统的主要运用功能有：电机高度预报警功能、槽楔高度预报警功能、四角高度超差预报警功能、电机高度历史趋势超差预报警功能、直线电机温度预报警功能。

2.3 系统精度

图3 直线电机气隙波形

图4 直线电机温度波形

由于需要对直线电机气隙高度进行精确的监测，因此对直线电机气隙在线监测系统的测量精度要求非常高，系统测量精度需满足＜±0.30 mm。

本文所选的测量位置为第7、73根硅钢片，这两根硅钢片位于直线电机调整装置正下方，在正线运行过程中第7、73根硅钢片的形变量相对较小。对广州地铁四号线8个直线电机高度进行监测，系统监测值如表1所示。

表1 系统监测值与实测值

Zi为气隙在线监测系统的监测值，Zj为使用直线电机高度测量尺人工测量的电机高度值（i、j取值分别为1，2，3，…，32），用Z表示人工测量值Zi与系统监测值Zj之差，即Z=Zi-Zj，绘制Z值曲线的波形如图5所示。

图5 Z值曲线波形图

对比人工测量电机高度值与气隙在线监测系统监测值，两者之差为0～0.4 mm，线性关系Zl=0.25。由于直线电机在经过气隙在线监测装置时受电磁吸力的作用，气隙在线监测系统的监测值会低于列车静态时人工测量值。由于所选测量点直线电机形变量较小，可以忽略不计，Z值线性关系值Zl=0.25可以视为直线电机受吸力作用的下沉量。Z-Zl的绝对值为系统测量精度，|Z-Zl|＜0.30 mm。

3 主要作用

3.1 节能作用

为探究气隙与能耗关系，本文收集了广州地铁四号线101102车、109110车2018年1月1日和2月28日的电机高度数据，如表2所示。

从2018年1月至2018年2月28日，101102车直线电机平均高度由24.06 mm下降为22.86 mm，电机运行平均高度值为23.46 mm；109110车直线电机平均高度由25.22 mm下降为23.94 mm，电机运行平均高度值为24.58 mm。由此可知，两车电机气隙高度差为1.12 mm。

收集2018年1月1日至2018年2月28日列车能耗和运行公里数数据，101102车列车总能耗为285 185 kW·h，运行公里数为34 431 km；109110车列车总能耗为327 685 kW·h，运行公里数为35 508 km。由此可计算101102车、109110车的每公里能耗分别为8.282 8 kW·h/km、9.228 5 kW·h/km。两车每公里总能耗之差为0.945 7 kW·h/km。101102车与109110车除气隙高度有差异之外，其他运行条件基本一致，由此得出列车每公里牵引能耗与气隙高度之间的比值关系：0.945 7:1.12≈0.844 4 kW·h/（km·mm）

传统的检修方式主要通过定期测量直线电机高度，检查直线电机高度是否在安全范围内。出于安全裕量考虑，广州地铁四号线将直线电机高度运用范围设定为25.3～26.3 mm。在气隙在线监测设备投入使用后，由于可以实时了解直线电机的运行状态，电机平均高度运用下沉至24.0 mm仍可保证电机安全运行。由此列车电机运行平均高度可下降0.65 mm，列车每公里节省能耗0.544 0 kW·h，平均能耗下降6.21%。

3.2 增效作用

气隙在线监测系统投入使用前，广州地铁四号线直线电机高度运用标准为25.3～26.3 mm。受轮对磨耗和电机重力影响，电机高度会随运行公里数增加而逐渐下沉。据统计，直线电机下沉量与运行公里数的关系为：

表2 电机高度数据 单位：mm

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

按列车每年运行10万公里计算，每个电机每年需要调整3.5次。在气隙在线监测设备投入使用后，电机平均高度运用下限可放宽至24.0 mm。直线电机气隙下沉量由1 mm提高至2.3 mm，可供运行公里数由28 201 km增加到64 862 km，每个电机每年只需调整1.5次，效率提高了1.3倍。以广州地铁四号线为例，在气隙在线监测技术推广运用前，直线电机每年需要调整高度3～4次；气隙在线监测技术推广运用后，直线电机每年只需调整1～2次。电机高度调整1次需要4个人，人均工时约为2 h，即调整一个电机每次需要8个工时，四号线共有57列车，每列车安装有8台电机，按每年可以减少2次电机高度调整计算，气隙在线监测系统可以减少人力工时为：8×8×57×2=7 296 h。由此可见，气隙在线监测系统投入使用后，广州地铁四号线可以节约人力工时超过7 000 h，大大提高了生产运作的效率。

4 结语

气隙在线监测技术运用在直线电机上，可以实时监测直线电机与感应板之间的气隙高度，避免电机高度过高导致牵引能耗增大，并及时对电机高度的异常沉降进行报警，有利于提高直线电机运行的安全性，达到直线电机节能增效的目的。