基于FBG和EMD的悬挂式永磁磁浮轨道厢梁应力检测技术研究.pdf

52U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT基于FBG和EMD的悬挂式永磁磁浮轨道厢梁应力检测技术研究贺航宇1，2，王岁儿1，2，吴春晓1，2，王 晟1，2，李 擎1，2（1北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2先进轨道交通工业互联网北京市工程研究中心，北京 100070）摘要：提出一种基于经验模态分解方法（EMD）的悬挂式永磁磁浮轨道厢梁光纤布拉格光栅（FBG）应力检测技术，用于检测过车时轨道厢梁应力，检测应力是否在安全范围内，保证行车安全性和平稳性。考虑到强磁场以及电磁干扰影响，采用轨上无电的 FBG 光栅传感应力检测方案，在上/下导向轮行径位置处分别布置一个测试点。FBG 测试点受低频挠曲应力和高频导向轮应力双重作用，采用 EMD 方法分离两种应力，实验结果表明过车应力测试结果符合预期，可以有效确保轨道厢梁健康以及车辆的行驶安全。关键词：悬挂式永磁磁悬浮轨道交通；经验模态分解方法（EMD）；光纤布拉格光栅（FBG）；应力检测中图分类号：U237 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)08-0052-07Research on Stress Detection Technology for Suspended Permanent-magnet Maglev Track Box Girder Based on FBG and EMDHe Hangyu1,2,Wang Suier1,2,Wu Chunxiao1,2,Wang Sheng1,2,Li Qing1,2(1.CRSC Research&Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)(2.Advanced Rail Transit Industrial Internet Beijing Engineering Research Center,Beijing 100070,China)Abstract:This paper proposes a Fiber Bragg Grating(FBG)stress detection technology based on Empirical Mode Decomposition(EMD)for suspended permanent magnet maglev box girder,which is used to detect the stress of the track box girder when the vehicle passes through,check whether the stress is within the safe range,and ensure the operation safety and stability of vehicles.Considering the infl uence of strong magnetic fi eld and electromagnetic interference,the FBG grating sensing stress detection scheme without electricity on the track is adopted,and a test point is respectively arranged at the travel position of the upper and lower guide wheels.The FBG test point is subject to both low-DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.08.011收稿日期：2023-04-12；修回日期：2023-08-10基金项目：国家重点研发计划资助项目（2022YFB4300600）第一作者：贺航宇（1981），男，高级工程师，硕士，主要研究方向：铁路信号，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月，第20卷第8期53城轨交通URBAN RAIL TRANSITfrequency flexure stress and high-frequency guide wheel stress,and the EMD method is used to separate the two stresses.The experimental results show that the test results of vehicle passing stress in line with expectations.The stress detection technology for track box girder described in this paper can eff ectively ensure the health of track box girder and the operation safety of vehicles.Keywords:suspended permanent-magnet maglev rail transit;Empirical Mode Decomposition(EMD);Fiber Bragg Grating(FBG);stress detection悬挂式单轨是国内近年来轨道交通发展到一定规模和覆盖面的情况下兴起的一种新型轨道交通制式，在某些适用条件下具有特殊的优越性。悬挂式单轨行走轮如果采用橡胶轮胎，行驶过程中会与钢梁接触摩擦增加电能的损耗，此外橡胶轮需要经常更换导致维护成本高，而电磁悬浮和超导磁浮又无法解决断电情况下的安全性问题，能克服上述不利因素的永磁磁浮轨道交通系统研究成为热点。永磁悬挂式单轨交通系统相比于悬挂式单轨（The suspended monorail transit），钢梁和车体采用稀土永磁体，具有高悬浮效率，非接触的走行方式。悬浮零功率不消耗电能，运行成本低，绿色环保，舒适静音，可广泛适用于景区、沿江、环湖、特色小镇、交通接驳，以及环境优美、地形起伏的中小型丘陵城市发展公共交通兼城市景观建设。永磁磁浮轨道交通系统的走行控制模块主要由悬浮架导向轮来控制，通过轨道箱梁约束导向轮进行控制列车平稳运行，导向轮通过弹簧机构始终与轨道箱梁紧贴，列车在行驶时需要导向轮对轨道箱梁一定预设的应力保证车辆的控制。轨道梁为底部开口的薄壁箱梁，车辆磁浮板在列车载荷作用机理与传统钢轮钢轨也有较大的差异。由此可见，相比常规铁路系统，悬挂式磁浮车辆与轨道梁桥动力相互作用特性、车辆和轨道梁桥力学特性及行车安全性评估均有较大的不同。在车辆运行过程中振动、环境尤其是风、乘客移动导致横向摇摆和横向振动较为显著，这也导致车辆导向轮与钢梁间应力会发生变化；为了保障列车安全运行，需要对导向轮对轨道箱梁的应力进行检测，检测导向轮对轨道箱梁应力是否在设计安全范围内，对保障行车安全性具有重要意义。针对悬挂式永磁磁浮轨新制式轨道交通，考虑到应力检测适用范围和轨道电气防护要求，传统的电应变片应力检测精度及电气特性不满足需求，因而应力检测采用光纤布拉格光栅（FBG）传感器。FBG 安装在轨道箱梁外壁上，光源及光信号解调布置在室内，光信号通过光缆传输至室内，传输距离可达 km 以上。轨道厢梁在过车时，FBG 受到导向轮的压应力和车重引起的轨道厢梁的挠曲应力同时作用，其中导向轮压过 FBG 接触时间短（为高频信号）相对于车辆通过完整一节轨道厢梁时间长（属于较低频信号），但是这两种信号周期远小于采样周期，传统的 FIR、IIR 滤波器不太适用，因此引入经验模态分解方法（EMD）分离这两种信号。通过对轨道厢梁应力的检测，可以确保轨道厢梁健康以及车辆的行驶安全。1FBG永磁磁浮轨道交通应力检测1.1FBG原理简介应力检测传感器是光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）。FBG 是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于 FBG 的反射特性，入射进 FBG 的宽带光只有满足一定条件的光才能被反射回来，其余的光都被透射出去。当一束宽光谱光经过 FBG 时，满足 FBG 布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过 FBG 继续传输。FBG 反射光的波长 Bragg由光栅的栅距 决定，两者之间的关系由公式（）决定：Bragg 2neff （）其中 neff 是光栅的有效折射率。基于 FBG 应力检测传感器原理是将钢梁微应变FBG 中心波长的移动，通过检测光栅反射的中心波长移动实现对钢梁应力的检测。其中心波长变化与No.8贺航宇，王岁儿，吴春晓，王晟，李擎：基于FBG和EMD的悬挂式永磁磁浮轨道厢梁应力检测技术研究54U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT轴向应变均是线性关系，如公式（）所示：K KTT （）式中：为 FBG 中心波长变化量；K为应变灵敏度系数，代表应变变化。以使用最为广泛的中心波长在 C 波段的 FBG 裸栅为例，K为.pm/。1.2永磁磁浮轨道交通试验线试验线约 m，两端设有一处车站和一处静调库，在车站进站处设有一处道岔，试验线采用双线吊梁 Y 型柱子，两个悬挂支撑柱空间距约为 m。车体由两节直通的车体组合而成，车体控制和悬浮由四个悬浮架上下 个导向轮和 个永磁磁浮板实现，车体总长度约 m，钢制轨道厢梁上每隔一段距离加装加强筋，车辆最高运行速度 km/h，如图 所示。1.3轨道厢梁应力分析为了对轨道厢梁进行应力检测，需要对其主要受力特性进行简要分析，本文选取两个 Y 型柱间的一截轨道厢梁进行分析。如图 所示，可以看出在O-xy 平面，轨道厢梁主要受导向轮沿 x 轴水平方向的应力 Fs，从图 2 中可以看出上下 个导向轮对轨道厢梁侧壁的应力，上导向轮的应力为 Fsu，下导向轮的应力为 Fsd，车辆导向轮由上下 个导向轮组合。正视图，FBG 安装在上导向轮行径位置处，而 FBG 安装在下导向轮的行径位置处，该节轨道厢梁可以简化成简支梁模型，车辆自重载荷 q 加载在轨道向量上时，轨道厢梁会在 O-yz 平面产生挠曲变形，而上下导向轮行径位置在轨道厢梁侧壁的中性层的上边和下边，在车重载荷作用下，FBG 处图车辆应力俯视及正视图Fig.2 Top and front view of the stress on vehicleYZOXvFsFsFsFsFsFsFsFsFBGqABYXOFFFFFBGFBGF（a)车辆应力俯视（a)Top view of the stress on vehicle（b)车辆应力正视（b)Front view of the stress on vehicle图试验线及FBG安装布置Fig.1 Test line and FBG installation layout(a)试验线外观图(a)Test line appearance(b)试验线外观图(b)Test line appearance(c)FBG安装布置(c)FBG installation layout铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月55城轨交通URBAN RAIL TRANSIT会有沿 y 轴方向的压应力 F，而在 FBG 处则会有沿 y 轴方向的压应力 F。1.4经验模态分解EMD 方法将信号分解成多个不同频率信号分量和余量。不同频率信号也称本征模函数（Intrinsic Mode Functions，IMFs），本质通过信号的时间尺度特征来获得其本征波动模式，该分解过程可以称之为“筛选（sifting）”过程。在 EMD 分解之后，原始信号 x(t)可以表示为公式（）：（）EMD 主要步骤如下：第一步，找出信号 x(t)中的所有的局部极值；第二步，分别利用极大值、极小值经三次样条插值得上下包络信号 u0(t)、d0(t)；第三步，计算平均包络如公式（）所示：m0(t)u0(t)d0(t)/（）第四步，从信号 x(t)减去平均包络 m0(t)，如公式（）所示：h1(t)x(t)m0(t)（）第五步，若 h1(t)满足 IMF 筛选规则，则 IMF1h1(t)；否则 h1(t)为筛选过程的数据，并重复第一步至第四步。该过程将重复进行，直到 h1k(t)满足IMF 筛选规则或某个终止条件为止。第六步，从 x(t)中减去 IMF1以获得残差，如公式（）所示：r1(t)x(t)IMF1 （）第七步，将 r1(t)视为新信号，重复第一步至第六步，可以获得其他 IMF 分量，直到 rN(t)变为常数、单调函数或只有一个极值的函数，分解完成。筛选规则：）总的极端点和零交叉点应相等，或至多相差一个；）在任何时候，由局部极值点形成的上下包络线的均值为零。2测试及结果分析2.1测试点布置现场测试选取一段直线轨道厢梁进行应力测试。FBG 轨道应变检测共选取 个安装位置（如图 所示），FBG、FBG 分别安装于轨道厢表面上、下两导向轮经过位置。2.2应力检测算法如图 所示，为车辆 km/h 通过图 布置的应力检测点 FBG、FBG 时中心波长变化量，其中红色曲线为 FBG 受外界应力波长变化量，从图3 中可明显看出波长变化量主要是由向下低频波形叠加几个高频波形两部分组成，从 FBG 受力分析（详见图）低频波形是由车辆自重挠曲应变产生的，FBG 在轨道厢梁中性层的上面因而受压应力，挠曲应力引起的波长会减小，而高频波形则是车辆通过测试位置时导向轮对 FBG 直接应力作用结果。同理，蓝色曲线为 FBG 过车时应力引起的波长变化量，FBG 在轨道厢梁中性层的下面因而受拉应力，挠曲应力引起的波长会变大。图过车FBG、FBG曲线Fig.3 FBG1 and FBG2 curves after the vehicle passes-采样点.L/pm图例：FBG FBG从 FBG 力学分析及如图 所示中 FBG 应力引起的波长变化量曲线可知，车辆自重引起的波长变化量属于低频信号或者趋势项，而导向轮作用在FBG 上时间较短为高频信号。经验模态分解方法可将信号分解成不同频率的本征模态函数，如图 所示为 FBG 应力测试数据的经验模态分解结果，可以看出 FBG 应力测试波长变化量被分解为 个本征模态函数，从 IMF 至 IMF 信号的频率依次降低，IMF 为趋势项。图 为 FBG 应力测No.8贺航宇，王岁儿，吴春晓，王晟，李擎：基于FBG和EMD的悬挂式永磁磁浮轨道厢梁应力检测技术研究56U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT试数据的经验模态分解结果，可以看出 FBG 应力测试波长变化量被分解为 个本征模态函数，从IMF 至 IMF 信号的频率依次降低，IMF、IMF 为趋势项。对信号分解后，将分解的趋势项和低频信号进行重构分离出挠曲应力波长变化量，对剩余的信号进行重构获得导向轮应力波长变化量，对 FBG 分解的 IMF、IMF 两个趋势项和 IMF、IMF两个低频信号项进行重构，可以获得 FBG 处挠曲应变（如图 中黑色曲线所示），从原信号中可有效分离挠曲应变。分离完挠曲应变后，对信号分解剩余的 IMF 项进行重构得到导向轮应力波长变化量，图 分别为FBG、FBG 导向轮波长变化量，通过标定获得波长量与应力间的转换系数，FBG 的标定系数为.N/pm（pm 110-m），FBG 的标图FBG测试数据分解Fig.4 FBG2 test data decompositionIMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-采样点采样点图FBG测试数据分解Fig.5 FBG1 test data decompositionIMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-IMF-采样点采样点铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月57城轨交通URBAN RAIL TRANSIT定系数为.N/pm，将如图 所示中 FBG、FBG 波长变化量转成应力，结果统计如表 所示，FBG 处导向轮最大应力为.kN，而 FBG处导向轮最大应力为.kN，此次行车导向轮的应力均在设计安全范围内，其中上导向轮处挠曲应变应力为.kN，下导向轮处挠曲应变应力为.kN。3结论本文所述悬挂式永磁磁浮轨道厢梁应力检测技图FBG挠曲应变Fig.6 FBG2 flexural strain diagram-L/pm采样点.图例：挠曲应变 FBG应变图FBG、FBG导向轮应力引起波长变化量Fig.7 Wavelength variation caused bythe stress on FBG1 and FBG2 guide wheelsL/pmL/pm采样点.(a)FBG导向轮应力引起波长变化量(a)Wavelength variation caused bythe stress on FBG1 guide wheels(b)FBG导向轮应力引起波长变化量(b)Wavelength variation caused bythe stress on FBG2 guide wheels表1过车试验轨道厢梁应力统计Tab.1 Statistical table for the stress on track box girder in train passing test序号上导向轮处应力/kN 下导向轮处应力/kN11.9911.21216.444.8739.7812.5840.0016.83511.240.00612.8814.0478.1613.2189.3310.75最大值（Max）16.4416.83术，可以有效地检测过车时轨道厢梁应力。通过检测上导向轮的最大应力为.kN，下导向轮的最大应力为.kN，表明检测的应力值均在轨道厢梁正常运行阈值内。通过分析发现所测车辆第四个上导向轮和第五个下导向轮最小应力为，表明该导向轮与轨道厢梁没有紧密接触，需要调整优化。进一步的研究工作将开展全线轨道厢梁关键应力检测部署，构建相应数据库并进行数据挖掘，从而实现轨道厢梁全线应力检测，保障行车安全。参考文献1 余浩伟，徐银光，李涛，等.悬挂式单轨交通在国内的适应性研究 J.铁道工程学报，2019，36（4）：70-74.Yu Haowei,Xu Yinguang,Li Tao,et al.Research on the Adaptability of Suspended Monorail in ChinaJ.Journal of Railway Engineering Society,2019,36(4):70-74.2 过振宇，杨杰.永磁悬浮轨道侧向力控制系统的 DMC-PID 控制策略 J.铁道科学与工程学报，2021，18（6）：1373-1381.Guo Zhenyu,Yang Jie.The DMC-PID Control Strategy of the Lateral Force Control System of Permanent Magnetic Levitation TrackJ.Journal of Railway Science and Engineering,2021,18(6):1373-1381.3 王盼盼，杨杰，邹吉强，等.基于改进自抗扰No.8贺航宇，王岁儿，吴春晓，王晟，李擎：基于FBG和EMD的悬挂式永磁磁浮轨道厢梁应力检测技术研究58U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT控制器的磁浮列车速度跟踪控制研究 J.铁道科学与工程学报，2023，20（1）：310-320.Wang Panpan,Yang Jie,Zou Jiqiang,et al.Design Maglev Train Speed Tracking System Based on Improved Active Disturbance Rejection ControllerJ.Journal of Railway Science and Engineering,2023,20(1):310-320.4 彭月，苏芷玄，杨杰，等.基于 PSO-BP-PID 单点混合悬浮球控制算法研究 J.铁道科学与工程学报，2022，19（6）：1511-1520.Peng Yue,Su Zhixuan,Yang Jie,et al.On Hybrid Single-Point Magnetic Levitation Ball Control Algorithm Based on BP-PIDJ.Journal of Railway Science and Engineering,2022,19(6):1511-1520.5 黄晓翠，贾小平，傅茂海，等.悬挂式单轨车辆悬吊系统横向刚度优化设计与验证 J.机车电传动，2022（5）：9-16.Huang Xiaocui,Jia Xiaoping,Fu Maohai,et al.Optimal Design and Verifi cation of Lateral Stiff ness of Suspension System for Suspended Monorail TrainJ.Electric Drive for Locomotives,2022(5):9-16.6 李靖，刘诗文，祝兵，等.风力作用下悬挂式单轨车辆-桥梁系统耦合振动仿真研究 J.都市快轨交通，2022，35（5）：104-110.Li Jing,Liu Shiwen,Zhu Bing,et al.Simulation Research on Coupling Vibration of Suspended Monorail Vehicular-Bridge System Exposed to WindJ.Urban Rapid Rail Transit,2022,35(5):104-110.7 柴文浩，杨雅勋，张宇航，等.基于经验模态分解的预应力孔道缺陷信号分析 J.兰州大学学报(自然科学版)，2023，59（1）：129-135，142.Chai Wenhao,Yang Yaxun,Zhang Yuhang,et al.Analysis of Pre-Stressed Tendon Duct Signals Based on Empirical Modal DecompositionJ.Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),2023,59(1):129-135,142.8 杨友涛，刘国祥，刘成龙，等.高速铁路轨道不平顺参数多尺度相关性分析 J.吉林大学学报(工学版)，2019，49（2）：416-425.Yang Youtao,Liu Guoxiang,Liu Chenglong,et al.Multi-Scale Correlation Analysis of Track Irregularities of High Speed RailwayJ.Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2019,49(2):416-425.9 张晖，鲁明明，丁华平，等.基于经验模态分解法的桥梁应变信号降噪方法研究 J.电子测量技术，2016，39（10）：166-170.Zhang Hui,Lu Mingming,Ding Huaping,et al.Research of De-Noising Method of Bridge Strain Signal Based on Empirical Mode Decomposition MethodJ.Electronic Measurement Technology,2016,39(10):166-170.（上接 40页）的应用和实践 J.中国铁路，2016（5）：106-110.Kong Lingxin.Application and Practice of Cloud Storage,Cloud Computing and New Video Technology in RailwayJ.China Railway,2016(5):106-110.7 沈朝.铁路高清视频监控系统的应用研究 D.南京:南京邮电大学，2020.8 王玉强.铁路综合视频监控系统云存储的测试研究 J.铁道通信信号，2020，56（5）：55-58.Wang Yuqiang.Test Study on Cloud Storage of Video Surveillance System for RailwayJ.Railway Signalling&Communication,2020,56(5):55-58.*铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月