受電弓慣性力檢測方法的研究

受電弓慣性力檢測方法的研究

0接觸壓力的影響在高速鐵路上，與列車速度直接相關(guān)的重要參數(shù)之一是電氣車的流量參數(shù)。受電弓與接觸線之間的可靠接觸和相互作用，是保證電力機車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)接觸壓力過大時，會增加受電弓和接觸線的異常磨損，縮短其使用壽命；接觸壓力過小時，會使它們之間接觸不良，使供電時斷時續(xù)，甚至引起火花或電弧，以致燒損接觸線。因此，為發(fā)展我國的高速鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)，經(jīng)常檢測受電弓和接觸線間的接觸壓力是十分必要的。但是，由于我國以前的鐵路運行速度都很低，弓線間的受流問題反映不明顯，因此對于接觸壓力的檢測和評價都沒有引起足夠的重視，關(guān)于這方面的研究相對較少，實際測量數(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“六大干線”鐵路的弓網(wǎng)接觸壓力的檢測方法，以及如何評價接觸壓力的具體算法。1受電弓上的氣動載荷在列車高速運行時，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取決于機車速度；±表示受電弓向下運動和向上運動時的取值符號。空氣動力在列車速度為300km/h以上時才比較明顯，因此，空氣動力及摩擦力的影響可以忽略。2弓網(wǎng)耦合振動目前，國內(nèi)在弓網(wǎng)壓力檢測方面的研究較少，已有的檢測方法主要是在受電弓滑板兩端安裝壓力傳感器，測得抬升力，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，在低速運行狀態(tài)下還是可行的。但是，隨著列車運行速度的提高，在速度大于120km/h時，機車—軌道耦合振動對弓網(wǎng)動態(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，慣性力對弓網(wǎng)接觸力的影響已經(jīng)不能忽視。為了測量慣性力，多數(shù)研究是在弓體中央加裝一只加速度計，日本還開發(fā)了在弓體部位安裝多只加速度計的方法，以在彈性振動作用顯著的高頻率區(qū)域，提高慣性力的測量精度。而德國則采用了把4個加速度計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行下的壓力檢測精度。我國“六大干線”鐵路運行速度還在200km/h以下，遠(yuǎn)不及日本的新干線鐵路和德國高速鐵路的速度。因此，為了適應(yīng)我國較高速度鐵路檢測的需要，又能提高測量準(zhǔn)確度，本文通過測量靜態(tài)抬升力及與速度有關(guān)的慣性力Fdyn來得到弓網(wǎng)間的接觸壓力，于是有：2.1安裝傳感器的測量力由于各個時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，如果只對受電弓某一固定位置處進(jìn)行力的測量，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個角上裝設(shè)4個相同的壓力傳感器來測量抬升力，如圖2所示。受電弓的抬升力，就是這4個力傳感器測得的信號之和。為了使測量同時適應(yīng)單滑板受電弓，首先對被檢測到的1號和3號力傳感器信號進(jìn)行疊加，再對2號和4號力傳感器信號進(jìn)行疊加（見圖3），最后合成得到：式中：F1～F4分別為1～4號力傳感器測得的力。為了測量慣性力，首先測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是安裝傳感器的實物圖。把類似這樣的支架伸長到弓體中央位置，便可安裝加速度傳感器。2.2應(yīng)變傳感檢測裝置壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)中的重要組成部分。在弓網(wǎng)運行時，由于有高電壓的存在周圍有強電磁干擾，為了避免干擾，本文采用應(yīng)變電阻式壓力傳感器。測量時，壓力敏感元件將壓力信號轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而測得壓力。它有如下優(yōu)點：1）測量應(yīng)變的靈敏度和精確度高。2）測量范圍廣。從彈性形變一直可測至塑性形變，變形范圍從1%～20%，可測10-2～107N的力。3）頻率響應(yīng)特性好。響應(yīng)時間10-7～10-11s，可以測量幾萬到十幾萬赫茲的動態(tài)過程。4）尺寸小，質(zhì)量小，對試件工作狀態(tài)的應(yīng)力小，既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。5）能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，可以在高溫、超低壓、高壓、強磁場以及輻射等惡劣環(huán)境下使用。壓力檢測主要特性參數(shù)如表1所示。為了測量加速度，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出的信號與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)實驗證明，空氣隔離的光傳輸方式可較好地解決接觸網(wǎng)的電磁干擾問題，實現(xiàn)可靠的高低電壓隔離和數(shù)據(jù)信號的安全傳輸，其空氣隔離距離800mm。最后，傳送到低電壓側(cè)的檢測信號，經(jīng)屏蔽電纜送到機車司機室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。本文采用FSO(FreeSpaceOpticalCommunication）信號傳輸系統(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線光通信的簡稱，是用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號的通信系統(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)，實現(xiàn)點對點及點對多點的傳輸。其帶寬高，誤碼率低，鏈路部署簡單，無電磁干擾，無需頻譜許可證，價格低廉（通常是鋪設(shè)光纖的）；能以較靈活的無線方式，在短距離內(nèi)實現(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數(shù)據(jù)傳送到車內(nèi)處理系統(tǒng)后，把信號還原并用曲線形式將各個運行距離處的接觸壓力顯示出來。接觸壓力是否正常，是否存在隱患點，需要一系列評價標(biāo)準(zhǔn)及隱患點查找辦法。4.1接觸壓力參數(shù)評價在接觸網(wǎng)的運行中，通過接觸力的變化可以評價出接觸網(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，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)行評價。只要檢測到的實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，為了考慮各點接觸壓力不同對受流特性的影響，常用接觸壓力的不均勻系數(shù)作為評價受流的指標(biāo)，其表達(dá)式為：其中Fimax和Fimin分別為某一跨距或某一個檢測區(qū)段采樣點處的接觸壓力的最大值和最小值，n為采樣點數(shù)。對于一個跨距而言，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曲線的異常點，如出現(xiàn)過大的峰值，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或者不良狀態(tài)點。當(dāng)在接觸壓力曲線上有突現(xiàn)點，其突現(xiàn)點的值約為平均值的1.8倍時，應(yīng)該核查該點。但是，軌道線路的欠缺，如三角坑、不平順等，同樣會引起機車包括受電弓在內(nèi)的附加振動。在速度較高時（>160km/h），這類振動產(chǎn)生的激擾對弓網(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，必須找出因線路軌道欠缺造成的凸、凹峰值。所以，還需在機車頂部或受電弓基座上安裝一個加速度傳感器，如果該處的加速度傳感器值過大，則說明是線路軌道有欠缺，這時，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。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。對每一檢測區(qū)段，首先計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倍平均值以內(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，這時需要進(jìn)一步判斷這個不正?，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，繪制加速度計的輸出值曲線，判斷該點接觸壓力所處的位置上的加速度值是否出現(xiàn)異常尖峰，如果沒有出現(xiàn)，則表明此點軌道線路沒有缺陷，那么接觸壓力過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，則表明此點軌道線路有欠缺，這時再用此點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倍平均值以內(nèi)，則接觸懸掛正常，受流性能良好。同時，計算每一區(qū)段的接觸壓力