受電弓慣性力檢測(cè)方法的研究

受電弓慣性力檢測(cè)方法的研究

0接觸壓力的影響在高速鐵路上，與列車(chē)速度直接相關(guān)的重要參數(shù)之一是電氣車(chē)的流量參數(shù)。受電弓與接觸線之間的可靠接觸和相互作用，是保證電力機(jī)車(chē)良好受流的重要條件。即受電弓與接觸線間要有一定的接觸壓力，當(dāng)接觸壓力過(guò)大時(shí)，會(huì)增加受電弓和接觸線的異常磨損，縮短其使用壽命；接觸壓力過(guò)小時(shí)，會(huì)使它們之間接觸不良，使供電時(shí)斷時(shí)續(xù)，甚至引起火花或電弧，以致燒損接觸線。因此，為發(fā)展我國(guó)的高速鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)，經(jīng)常檢測(cè)受電弓和接觸線間的接觸壓力是十分必要的。但是，由于我國(guó)以前的鐵路運(yùn)行速度都很低，弓線間的受流問(wèn)題反映不明顯，因此對(duì)于接觸壓力的檢測(cè)和評(píng)價(jià)都沒(méi)有引起足夠的重視，關(guān)于這方面的研究相對(duì)較少，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)十分缺乏。本文在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了適合于我國(guó)“六大干線”鐵路的弓網(wǎng)接觸壓力的檢測(cè)方法，以及如何評(píng)價(jià)接觸壓力的具體算法。1受電弓上的氣動(dòng)載荷在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，受電弓將受到各種內(nèi)在與外在力的影響。除了受到抬升力的作用外，受電弓高度變化迅速，因而產(chǎn)生較大的慣性力，它的自身結(jié)構(gòu)還產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力，還有加于受電弓上的空氣動(dòng)力，如圖1所示。根據(jù)力的平衡，弓網(wǎng)間的接觸壓力F可由下式表示：式中：F0,FR,Faer分別為受電弓所受的抬升力、摩擦阻力和空氣動(dòng)力；Fdyn為慣性力，它由受電弓的歸算質(zhì)量m及垂直加速度a決定；Faer取決于機(jī)車(chē)速度；±表示受電弓向下運(yùn)動(dòng)和向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的取值符號(hào)?？諝鈩?dòng)力在列車(chē)速度為300km/h以上時(shí)才比較明顯，因此，空氣動(dòng)力及摩擦力的影響可以忽略。2弓網(wǎng)耦合振動(dòng)目前，國(guó)內(nèi)在弓網(wǎng)壓力檢測(cè)方面的研究較少，已有的檢測(cè)方法主要是在受電弓滑板兩端安裝壓力傳感器，測(cè)得抬升力，便認(rèn)為它是弓網(wǎng)接觸力。這種方法忽略了慣性力的影響，在低速運(yùn)行狀態(tài)下還是可行的。但是，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，在速度大于120km/h時(shí)，機(jī)車(chē)—軌道耦合振動(dòng)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系的影響加劇，在受電弓垂直方向上產(chǎn)生較大的加速度，慣性力對(duì)弓網(wǎng)接觸力的影響已經(jīng)不能忽視。為了測(cè)量慣性力，多數(shù)研究是在弓體中央加裝一只加速度計(jì)，日本還開(kāi)發(fā)了在弓體部位安裝多只加速度計(jì)的方法，以在彈性振動(dòng)作用顯著的高頻率區(qū)域，提高慣性力的測(cè)量精度。而德國(guó)則采用了把4個(gè)加速度計(jì)分別跟壓力傳感器附在一起安裝在弓體與支架間的方法，大大提高了高速鐵路運(yùn)行下的壓力檢測(cè)精度。我國(guó)“六大干線”鐵路運(yùn)行速度還在200km/h以下，遠(yuǎn)不及日本的新干線鐵路和德國(guó)高速鐵路的速度。因此，為了適應(yīng)我國(guó)較高速度鐵路檢測(cè)的需要，又能提高測(cè)量準(zhǔn)確度，本文通過(guò)測(cè)量靜態(tài)抬升力及與速度有關(guān)的慣性力Fdyn來(lái)得到弓網(wǎng)間的接觸壓力，于是有：2.1安裝傳感器的測(cè)量力由于各個(gè)時(shí)刻接觸線壓在受電弓上的位置不同，受電弓各處所受到的壓力也不盡相同，如果只對(duì)受電弓某一固定位置處進(jìn)行力的測(cè)量，很難反映出受電弓真正的抬升力。因此，考慮到接觸線在受電弓滑板上的不確定位置以及受電弓的結(jié)構(gòu)，在受電弓滑板與支撐裝置之間的4個(gè)角上裝設(shè)4個(gè)相同的壓力傳感器來(lái)測(cè)量抬升力，如圖2所示。受電弓的抬升力，就是這4個(gè)力傳感器測(cè)得的信號(hào)之和。為了使測(cè)量同時(shí)適應(yīng)單滑板受電弓，首先對(duì)被檢測(cè)到的1號(hào)和3號(hào)力傳感器信號(hào)進(jìn)行疊加，再對(duì)2號(hào)和4號(hào)力傳感器信號(hào)進(jìn)行疊加（見(jiàn)圖3），最后合成得到：式中：F1～F4分別為1～4號(hào)力傳感器測(cè)得的力。為了測(cè)量慣性力，首先測(cè)量出受電弓的垂直加速度a，再乘以受電弓的歸算質(zhì)量m，便可求取慣性力ma。圖4是安裝傳感器的實(shí)物圖。把類(lèi)似這樣的支架伸長(zhǎng)到弓體中央位置，便可安裝加速度傳感器。2.2應(yīng)變傳感檢測(cè)裝置壓力傳感器是壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分。在弓網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于有高電壓的存在周?chē)袕?qiáng)電磁干擾，為了避免干擾，本文采用應(yīng)變電阻式壓力傳感器。測(cè)量時(shí)，壓力敏感元件將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而測(cè)得壓力。它有如下優(yōu)點(diǎn)：1）測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精確度高。2）測(cè)量范圍廣。從彈性形變一直可測(cè)至塑性形變，變形范圍從1%～20%，可測(cè)10-2～107N的力。3）頻率響應(yīng)特性好。響應(yīng)時(shí)間10-7～10-11s，可以測(cè)量幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)赫茲的動(dòng)態(tài)過(guò)程。4）尺寸小，質(zhì)量小，對(duì)試件工作狀態(tài)的應(yīng)力小，既可用于靜態(tài)測(cè)量，又可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。5）能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，可以在高溫、超低壓、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射等惡劣環(huán)境下使用。壓力檢測(cè)主要特性參數(shù)如表1所示。為了測(cè)量加速度，也采用壓阻式加速度傳感器。它是在內(nèi)部懸臂梁上貼應(yīng)變片，所以具有相當(dāng)高的靈敏度。3空氣隔離和低電壓側(cè)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)—數(shù)據(jù)傳輸由于接觸網(wǎng)有27.5kV的高電壓，安裝在弓頭上的傳感器檢測(cè)出的信號(hào)與27.5kV等電位，要傳到低電壓側(cè)，必須采取高低壓隔離措施。隔離（絕緣）變壓器方式體積大，安置和維修困難，不宜使用；無(wú)線電發(fā)送和接收方式易受干擾，尤其在27.5kV的高電壓下，抗干擾難度更大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，空氣隔離的光傳輸方式可較好地解決接觸網(wǎng)的電磁干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可靠的高低電壓隔離和數(shù)據(jù)信號(hào)的安全傳輸，其空氣隔離距離800mm。最后，傳送到低電壓側(cè)的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)屏蔽電纜送到機(jī)車(chē)司機(jī)室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。本文采用FSO(FreeSpaceOpticalCommunication）信號(hào)傳輸系統(tǒng)在高低電壓側(cè)之間發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。FSO是自由空間光通信或無(wú)線光通信的簡(jiǎn)稱(chēng)，是用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號(hào)的通信系統(tǒng)。FSO技術(shù)與傳統(tǒng)的銅線或光纖技術(shù)不同的是，它以激光為載體，以空氣為介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸。其帶寬高，誤碼率低，鏈路部署簡(jiǎn)單，無(wú)電磁干擾，無(wú)需頻譜許可證，價(jià)格低廉（通常是鋪設(shè)光纖的）；能以較靈活的無(wú)線方式，在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)與光纖技術(shù)具有相同的帶寬的傳輸。用FSO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑砣鐖D5所示。4原并線模式下接觸壓力的顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到車(chē)內(nèi)處理系統(tǒng)后，把信號(hào)還原并用曲線形式將各個(gè)運(yùn)行距離處的接觸壓力顯示出來(lái)。接觸壓力是否正常，是否存在隱患點(diǎn)，需要一系列評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及隱患點(diǎn)查找辦法。4.1接觸壓力參數(shù)評(píng)價(jià)在接觸網(wǎng)的運(yùn)行中，通過(guò)接觸力的變化可以評(píng)價(jià)出接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式和受電弓的結(jié)構(gòu)質(zhì)量及受流質(zhì)量。接觸壓力是按高斯定律分布的，其標(biāo)準(zhǔn)偏差值在平均值上下波動(dòng)，一般用采樣區(qū)段的接觸壓力算術(shù)和的平均值F、標(biāo)準(zhǔn)偏差值S、最大接觸壓力Fimax、最小接觸壓力Fimin等參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。只要檢測(cè)到的實(shí)際接觸壓力處于最大值與最小值之間，即Fimax>F>Fimin，則認(rèn)為受流性能良好。另外，為了考慮各點(diǎn)接觸壓力不同對(duì)受流特性的影響，常用接觸壓力的不均勻系數(shù)作為評(píng)價(jià)受流的指標(biāo)，其表達(dá)式為：其中Fimax和Fimin分別為某一跨距或某一個(gè)檢測(cè)區(qū)段采樣點(diǎn)處的接觸壓力的最大值和最小值，n為采樣點(diǎn)數(shù)。對(duì)于一個(gè)跨距而言，Ch的值越接近于1，表示受流特性越好。4.2軌道線路的欠缺為了保證良好受流，要求經(jīng)常查找接觸壓力檢測(cè)曲線的異常點(diǎn)，如出現(xiàn)過(guò)大的峰值，或出現(xiàn)極限谷值，或者不均勻程度特別明顯，這些地方一定是隱患點(diǎn)或者不良狀態(tài)點(diǎn)。當(dāng)在接觸壓力曲線上有突現(xiàn)點(diǎn)，其突現(xiàn)點(diǎn)的值約為平均值的1.8倍時(shí)，應(yīng)該核查該點(diǎn)。但是，軌道線路的欠缺，如三角坑、不平順等，同樣會(huì)引起機(jī)車(chē)包括受電弓在內(nèi)的附加振動(dòng)。在速度較高時(shí)（>160km/h），這類(lèi)振動(dòng)產(chǎn)生的激擾對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)是不可忽視的。因此，為了準(zhǔn)確的找出接觸懸掛的異常點(diǎn)，必須找出因線路軌道欠缺造成的凸、凹峰值。所以，還需在機(jī)車(chē)頂部或受電弓基座上安裝一個(gè)加速度傳感器，如果該處的加速度傳感器值過(guò)大，則說(shuō)明是線路軌道有欠缺，這時(shí)，即使接觸壓力出現(xiàn)異常峰值，也可以判定是由于軌道線路引起的接觸壓力的異常變化。如果該處加速度傳感器的數(shù)值很平順，無(wú)異?，F(xiàn)象，那么，就可以斷定，在出現(xiàn)異常峰值的地方就是接觸懸掛要維修的隱患點(diǎn)。4.3受流狀態(tài)正常根據(jù)以上分析，本文提出具體算法如圖6所示。對(duì)每一檢測(cè)區(qū)段，首先計(jì)算接觸壓力的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差值、最小值和最大值，再判斷這個(gè)接觸壓力是否處于最大值和最小值之間。如果Fimax≥Fi≥Fimin，則進(jìn)一步判斷Fi是否處于1.8倍平均值以?xún)?nèi)，如果是，則可判定接觸懸掛狀態(tài)正常，弓網(wǎng)受流良好。如果Fi大于1.8倍平均值，則與接觸壓力處于最大值和最小值范圍之外的情況一樣，表明接觸壓力不正常，這時(shí)需要進(jìn)一步判斷這個(gè)不正?，F(xiàn)象是由軌道線路欠缺引起的還是由接觸懸掛引起的。判斷時(shí)，繪制加速度計(jì)的輸出值曲線，判斷該點(diǎn)接觸壓力所處的位置上的加速度值是否出現(xiàn)異常尖峰，如果沒(méi)有出現(xiàn)，則表明此點(diǎn)軌道線路沒(méi)有缺陷，那么接觸壓力過(guò)大就是由于接觸懸掛引起的，此段線路受流性能不好。如果出現(xiàn)了異常尖峰，則表明此點(diǎn)軌道線路有欠缺，這時(shí)再用此點(diǎn)的接觸壓力值減去由軌道線路導(dǎo)致的慣性力值，如果得到的值還大于1.8倍平均值，則接觸懸掛不正常，受流性能不好；如果處于1.8倍平均值以?xún)?nèi)，則接觸懸掛正常，受流性能良好。同時(shí)，計(jì)算每一區(qū)段的接觸壓力