CN101672875B - 电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统，包括计算机主机、与计算机主机信号连接的单片机控制单元和数据采集处理单元、一个气动控制装置和一个碳滑板粘结电阻检测装置。单片机控制单元通过数据采集处理单元实现对测试数据的采集并将其送至计算机主机进行处理；通过气动控制装置实现对碳滑板粘结电阻检测装置的测量电极进行动作控制。碳滑板粘结电阻检测装置采用四电极接线方式，利用电阻测试稳压源、分流电阻Rs、功率电阻R_W、以及待测电阻Rx所组成的串联测量回路，实现对碳滑板条粘接处的待测电阻Rx的测量。本发明所涉及的系统安全可靠，精度和自动化程度高，可以快速地对碳滑板条粘接处的微电阻进行测试和记录。

Description

电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于伏安法的微弱电阻检测系统和方法，特别涉及一种电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统及检测方法。

背景技术

受电弓滑板是电力机车获得动力来源的重要集电元件，安装在受电弓的最上部，直接与弓网电线接触。滑板在静止或滑动状态下从接触网导线上获得电流，为机车供应动力。受电弓滑板在大自然环境中工作，并且在运行中与接触网导线不断产生冲击力。因此受电弓滑板和接触导线这一接触系统的受流质量决定了电力机车能否获得足够的牵引动力并安全可靠地运行，而滑板质量是影响受流质量的一个关键因素。

目前在我国，应用于电力机车的滑板主要有粉末冶金滑板、浸金属碳滑板和碳滑板。碳滑板由于自润滑性能优良，对接触导线磨耗低，电磁噪声小，可耐高温，耐弧性强，不易和接触导线发生焊附现象，可延长导线使用寿命等诸多优点而得以广泛生产应用。粘结电阻是碳滑板质量的重要性能指标之一，滑板阻值越大，电流流过滑板产生的热量就越多，这样不仅严重损耗滑板，而且会造成弓网导线的异常磨损，使用期大大缩短，甚至导致停车事件。为确保行车安全，铁道部要求碳滑板的粘结电阻不超过2mΩ，其电阻值很小，属于微弱电阻的范畴。目前，尚无测量碳滑板粘接电阻的专用仪器。国内外碳滑板生产厂家是通过手工操作毫欧表或者使用简易的直流线路配合毫伏表的测量方法对碳滑板粘接电阻进行出厂检测的。使用这些传统的测量方法测量滑板的粘接电阻(不超过2mΩ)时，结果很不尽如人意。测量的电阻值很不精确，误差很大，根本达不到精度的要求。另一方面，由于所有的测量过程完全靠人工完成，使得测量效率很低。这严重影响了我国电力机车的发展。

发明内容

为了克服现有碳滑板粘结电阻测量技术的不足，满足碳滑板生产厂家对碳滑板进行快速、高效质量检测的需要，基于伏安法的测量原理，本发明提供了一种能够对碳滑板的粘结电阻进行测试、记录和质量检验的检测系统，并同时提供了一种检测方法。

为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统，包括带有显示屏的计算机主机、与计算机主机信号连接的单片机控制单元和数据采集处理单元，单片机控制单元通过数据采集处理单元实现对测试数据的采集及送至计算机主机进行处理的控制，其特征在于，检测系统还包括一个气动控制装置、一个带有电阻测试稳压源的碳滑板粘结电阻检测装置；单片机控制单元通过气动控制装置实现对碳滑板粘结电阻检测装置的测量电极进行动作控制；所述碳滑板粘结电阻检测装置采用四电极接线方式，利用电阻测试稳压源、分流电阻Rs、功率电阻R_W、以及待测电阻Rx所组成的串联测量回路，实现对碳滑板条粘接处的待测电阻Rx的测量。其中，待测电阻R_X和分流电阻Rs两端通过连接导线与数据采集处理单元中的电压采集电路连接。

上述方案中，所述碳滑板粘结电阻检测装置包括固定的电流电极及电压电极，连接气动控制装置的活动的电流电极及电压电极，所述电流电极与电压电极之间由回转体件同轴绝缘连接；固定和活动的电流电极串联接入分流电阻Rs、功率电阻R_W后，接电阻测试稳压源；碳滑板条置于活动电极与固定电极之间，电压电极与碳滑板条接触处的粘结电阻即为待测电阻Rx；当电流电极与碳滑板条接触，测量电回路接通。

所述回转体件的一端设置有盲孔，盲孔中通过弹簧与电压电极连接。

所述的气动控制装置包括依次连接的空气过滤器、调压阀、节流调速阀、电磁换向阀和气缸，汽缸的活塞杆与活动的电流电极连接，电磁换向阀受单片机控制单元的输出信号的控制用于气缸的气路换向，汽缸活塞杆带动活动的电流电极运动，使测试碳滑板条自动、快速被夹持在同轴的活动电压电极与固定电压电极之间，接着活动电极进一步向前运动，使活动和固定的电流电极与碳滑板条两侧接触，接通测量回路。

所述活动电极与固定电极之间的碳滑板条周围区域设置有感应探测器，测量电回路接通前，感应探测器对该区域内的遮挡物进行扫描，当遮挡物不存在或离开时，气缸动作，测量电回路接通。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能自动测试碳滑板条的粘接电阻，同时通过上位机软件参数的设置自动判断工件的合格情况，系统自动保存测试数据；

2、利用四端法测试技术确保微电阻的测试精度，同时针对碳滑板的特殊需求设计了四电极结构的测试探头，能够快速良好地对碳滑板进行接触性测试；

3、检测系统以计算机主机为控制核心，具有较强的测试数据管理功能，可对先前的测试数据及结论进行查阅、存档、打印等操作；

4、检测系统稳定可靠，测量结果的系统误差小，测量精度高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明检测系统的功能结构框图。

图2是图1中的气动控制装置、碳滑板粘结电阻检测装置的结构以及测试电路原理图。

具体实施方式

基于伏安法的基本原理，本发明构建了一种适合于测量碳滑板条粘结电阻的系统和方法，通过同步采集粘结电阻和分流电阻两端的电压信号，可以通过比较得到碳滑板条上电极接触点处的粘结电阻。配合上位计算机软件，系统可以完成对测试结果的记录、保存和打印，并能够对碳滑板粘结电阻是否合格给出评价。

如图1所示，本发明电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统包括计算机主机(上位计算机)、气动控制装置、单片机控制单元、数据采集处理单元(包括电压采集电路、滤波放大电路、A/D转换电路)和碳滑板粘结电阻检测装置，其功能结构关系为：计算机主机通过单片机控制单元实现对气动控制装置以及数据采集处理单元的控制；气动控制装置实现对碳滑板粘结电阻检测装置的动作控制；电阻测试专用稳压源负责给碳滑板粘结电阻检测装置的测试电路部分供电；通过碳滑板粘结电阻检测装置得到的检测信号经数据采集处理单元后传送至计算机主机处理，处理后的结果通过连接在计算机主机上的显示器得以显示，亦可通过连接在计算机主机上的打印机进行打印输出。

单片机控制单元包括单片机电路，看门狗电路，实现单片机与上位计算机的数据通信的串口电平转换电路，气动控制电路，电子开关控制电路以及指示灯控制电路。单片机可采用51系列单片机(如型号为AT89S52的单片机)。看门狗电路可采用MAX813芯片，保证系统的安全检测和进行异常处理。电平转换电路可采用MAX232芯片。为防止干扰脉冲对单片机的影响，可采用光电耦合电路对单片机进行保护(如TOSHIBA公司的TLP521-4型光电耦合器)。单片机发出的信号经过光电耦合器无法直接驱动电磁换向阀，因此在光电耦合器和电磁换向阀之间设计有功率放大电路(可采用ULN2804功率放大器)。单片机控制单元其他电路可采用现有常规技术予以实现。

数据采集及处理单元包括电压采样电路、滤波放大电路、A/D转换电路。碳滑板粘结电阻和标准电阻两端的电压通过多路模拟开关(可采用AD公司生产的ADG408)进行电压选择之后，连到电压跟随器，再通过差动放大器把差分电压信号转换为对地的电压信号，方便后续的滤波放大；放大电路可采用OPA2277(亦可采用其他电路实现)，滤波电路可采用两个电容与两个电阻构成的二阶低通滤波器；A/D转换可使用数据采集卡来完成(例如北京宏拓控制技术公司的数据采集卡PCI-7222)。

计算机主机(上位机)配合软件，可实现以下功能：(1)滑板电阻自动测量控制；(2)数据通讯；(3)数据的接收和显示；(4)数据存储和打印；(5)异常处理。

如图2所示，碳滑板粘结电阻检测装置包括铝材连接件2、为回转体零件的尼龙连接件3和尼龙连接件9，为空心圆柱形零件的电流电极4和电流电极7，为实心圆柱形零件的电压电极11和电压电极12。电压电极和电流电极的材料均为紫铜。尼龙连接件3、电流电极4、电压电极12和弹簧13构成活动电极部分；尼龙连接件9、电流电极7、电压电极11和弹簧10构成固定电极部分；活动电极部分的具体连接形式是：空心圆柱形的电流电极4与尼龙连接件3的外圆通过配合关系连接，尼龙连接件3的窝座内先安装弹簧13，然后放置了电压电极12，此时电压电极12与电流电极4同轴。固定电极部分的连接形式与活动电极部分相同。

铝材连接件2的一端与气动控制装置气缸1的活塞杆通过螺纹连接，铝材连接件2的另一端通过螺钉与尼龙连接件3连接，这样活动电极部分就与气缸连为一体，可以在气缸的带动下往复运动。尼龙连接件9通过螺钉与固定块8连接，这样固定电极部分就被固定下来。电流电极4、7引出导线中串连接入分流电阻R_S(标准电阻)和功率电阻R_W后，接电阻测试稳压源。将待测碳滑板条5放置于活动电极部分与固定电极部分之间，气动控制装置发生动作，首先电压电极11、12与碳滑板条5的某一点接触，随着活动电极部分进一步向前运动，电流电极4、7与碳滑板条5接触，使得待测碳滑板条5被夹持，并保持一定的夹持力，此时，测量电回路接通，电压电极11、12引出线两端的电压即为待测碳滑板条5被测试点处粘结电阻R_X两端的电压U_X。在测试区域6装有感应探测器，气缸1动作前感应探测器对区域内的遮挡物(如人手)进行扫描，只有当遮挡物不存在或离开时气缸1才动作。

在图2的测试电路部分中，R_W是功率电阻，通过调整功率电阻R_W的大小可调节整个回路中电流的大小；R_S和R_X分别是分流电阻和待测电阻，它们均采用四端法的接线方式。分流电阻R_S为阻值已知的标准电阻(阻值在1mΩ～2mΩ左右)。基于伏安法的基本原理，通过比较待测电阻R_X两端电压U_X和分流器电阻R_S两端电压U_S的大小求得待测电阻R_X的阻值。即：

$R_X=\frac{U_X}{U_S}{R}_S$

气动控制装置主要由依次连接的空气过滤器17，调压阀16，节流调速阀15，电磁换向阀14，压力表18和气缸1组成。调压阀16最大工作压力为1Mpa，调压范围为0.05～0.85Mpa。电磁换向阀14受单片机控制单元的输出信号的控制用于气缸1的气路换向，其使用压力为0.15～0.8MPa。气缸1选用固定型式的标准复动型(拉杆式)气缸，其使用压力为0.1～0.9MPa，最大承受的气压为1.35MPa。气动控制装置其他各零部件采用现有常规设计方式实现。

利用上述碳滑板粘结电阻的检测系统对碳滑板粘结电阻进行检测的方法，其步骤为：

(1)打开系统电源，将待测碳滑板5放置于测试区域6；打开测试开关，当测试区域6没有遮挡物时，气缸1动作，带动活动的电流电极4运动，使测试碳滑板条5自动、快速被夹持在同轴的活动电压电极12与固定电压电极11之间，电压电极与碳滑板条两侧接触，接着活动电极4进一步向前运动，使活动的电流电极4和固定的电流电极7分别与碳滑板条两侧接触，并保持一定的夹持力，此时测量回路接通，同时得到测试点待测电阻Rx两端的电压信号U_X和分流电阻R_S两端的电压信号U_S；

(2)数据采集及处理单元对步骤(1)得到的两路电压信号U_X、U_S进行同步采集、滤波放大、A\D转换后，传送至计算机主机；

(3)计算机主机软件完成对测试数据的处理，并以窗口界面的形式显示；测试数据同时以文件的形式保存，方便以后查阅或打印。

本发明的检测系统，不局限于测量电力机车受电弓碳滑板条的粘结电阻。本领域技术人员在不脱离本发明公开技术方案的前提下，所做出非显而易见的改型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统，包括带有显示屏的计算机主机、与计算机主机信号连接的单片机控制单元和数据采集处理单元，单片机控制单元通过数据采集处理单元实现对测试数据的采集及送至计算机主机进行处理的控制，其特征在于，检测系统还包括一个气动控制装置、一个带有电阻测试稳压源的碳滑板粘结电阻检测装置；单片机控制单元通过气动控制装置实现对碳滑板粘结电阻检测装置的测量电极进行动作控制；所述碳滑板粘结电阻检测装置采用四电极接线方式，利用电阻测试稳压源、分流电阻Rs、功率电阻R_W、以及待测电阻Rx所组成的串联测量回路，实现对碳滑板粘接处的待测电阻Rx的测量，其中，待测电阻R_X和分流电阻Rs两端通过连接导线与数据采集处理单元中的电压采集电路连接。

2.如权利要求1所述的电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统，其特征在于，所述碳滑板粘结电阻检测装置包括固定电极部分、连接于气动控制装置的活动电极部分，其中，固定电极部分包括固定的电流电极及电压电极，活动电极部分包括活动的电流电极及电压电极，所述固定的电流电极与固定的电压电极之间由回转体件同轴绝缘连接，所述活动的电流电极与活动的电压电极之间由回转体件同轴绝缘连接；固定的电流电极和活动的电流电极的引出导线中串联接入分流电阻Rs、功率电阻R_W及电阻测试稳压源；碳滑板置于活动电极部分与固定电极部分之间，活动的电压电极和固定的电压电极与碳滑板接触处的粘结电阻即为待测电阻Rx；当活动的电流电极和固定的电流电极与碳滑板接触时，测量电回路接通。

3.如权利要求2所述的电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统，其特征在于，所述的气动控制装置包括依次连接的空气过滤器、调压阀、节流调速阀、电磁换向阀和气缸，汽缸的活塞杆与活动电极部分连接，电磁换向阀受单片机控制单元输出信号的控制用于气缸的气路换向，汽缸活塞杆带动活动电极部分运动，使测试碳滑板自动、快速被夹持在同轴的活动电压电极与固定电压电极之间，接着活动的电流电极进一步向前运动，使活动的电流电极和固定的电流电极与碳滑板两侧接触，接通测量回路。

4.如权利要求2所述的电力机车受电弓碳滑板粘结电阻的检测系统，其特征在于，所述活动电极部分与固定电极部分之间的碳滑板周围区域设置有感应探测器，测量回路接通前，感应探测器对该区域内的遮挡物进行扫描，当遮挡物不存在或离开时，气动控制装置的气缸动作，测量回路接通。

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