CN107621319B - 一种弓网接触力测量方法及其测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弓网接触力测量方法及其测量装置，属于电气化铁路接触网安全技术领域。其基本思想是将受电弓弓头视为梁模型，建立弓头应变与接触力间对应关系；根据弓头滑板由于弓网动态相互作用而产生的应变与加速度数据，得到实时的弓网动态接触力与拉出值。该装置包括传感器单元、信号采集单元和数据处理单元。本发明测量弓头的应变以获取接触力，涉及的变量少，降低了由中间变量产生的误差；测量接触力的同时还能测得接触网拉出值；安装设备简单；采用光纤应变传感器，体积小，质量轻，可嵌入受电弓滑板内部，对受电弓本身结构影响小；用于测量接触网‑受电弓系统动态接触力与拉出值。
Description
技术领域
本发明属于电气化铁路接触网检测技术领域，尤其涉及受电弓接触网系统安全监测与故障诊断领域。
背景技术
在高速电气化铁路中，安装于列车车顶的受电弓与架设在轨道线路旁的接触网通过滑动接触实现电能的传输，而接触网-受电弓之间的动态接触力直接反映了弓网系统的受流质量。为了合理评估弓网系统设计参数的匹配关系，掌握高速列车正常服役过程中受流质量的演变规律，需要通过在线监测的方式对弓网系统的动态接触力进行准确监测。
目前较为常用的方法是通过力传感器和加速度传感器进行接触力检测，基于受电弓弓头空间力系平衡原理，测量弓头与支架的相互作用力后考虑惯性修正得到弓网接触力，包括文献《铁路技术创新》的《弓网接触力检测关键技术》；《铁道技术监督》的《弓网动态接触力测量方法研究》。但这种方法受弓头滑板弹性变形的影响，需要考虑惯性力、空气动力、摩擦力等诸多因素，而传感器多采用电传感器，易受电磁干扰，高速运行情况下测量精度有限；同时需要考虑高压侧信号采集单元与低压侧信号处理单元间的数据传输、电磁屏蔽等问题，实验装置较为复杂。且常用技术的传感器体积较大，只能通过适当的工装安装在受电弓弓头的外部，从而对受电弓与接触网系统的动力学会有一定的影响。
相比国内的测量方法，在《Quarterly Report of Railway Technical ResearchInstitute》中2014年发表的《Measurement of the Contact Force of the Pantographby Image Processing Technology》中，采用摄像机测出运动中弓头悬挂弹簧的振动位移，由此计算弓头与支架之间的内力以及振动加速度，从而通过内力和惯性力推导出接触力。另有《Proceedings of SPIE》中2010年发表的《An approach to monitor railwaypantograph-catenary interaction with fiber optic sensors》，通过扫频实验的方式得到由0-200Hz的6个传递函数极值、零点和增益定义的一个离散滤波器，即接触力与光栅应变响应之间的传递函数，以实现对接触力的确定。与上述以受电弓为研究对象的测量方法不同，《Quarterly Report of Railway Technical Research Institute》中2007年发表的《The Pantograph Contact Force Measurement Method in Overhead CatenarySystem Vehicle System Dynamics》，将接触网系统理想化为无限长的柔索，通过在测点位置处布置应变片测量吊弦力以及接触线张力，利用接触网系统在测点处垂直方向的力系平衡原理，实现了测试区间的接触力测量。但就上述接触力测量方法而言，测试精度还有待提高，特别是高速运行时，而且实验装置较为复杂，安装的限制条件也较多。
发明内容
本发明的目的是提供一种弓网接触力测量方法，它能有效地解决弓网动态接触力的实时监测问题，为弓网安全受流提供保障。
本发明的另一个目的是提供一种弓网接触力测量装置，它能有效地解决弓网动态接触力的实时监测问题。
本发明为实现目的采用的技术方案是：一种弓网接触力测量方法，
将受电弓弓头视为梁模型，推导出弓头应变动态响应方程，
弓头应变动态响应方程如下式：
式中：ε是受电弓滑板纵向应变，F是弓网间接触力，m为弓头的簧上质量，ai是滑板底部第i个加速度传感器的加速度，n是加速度传感器的个数，k是气动力比例系数，v为列车运行速度，xp是接触点位置的横坐标，x是沿滑板纵向任一点的横坐标，E、W和L分别是滑板的弹性模量、弯曲截面系数和等效长度；
建立弓头应变与接触力间对应关系；根据弓头滑板由于弓网动态相互作用而产生的应变与加速度数据，代入弓头应变动态响应方程，得到实时的弓网动态接触力与拉出值。
通过静态试验对弓头应变动态响应方程中常量参数滑板等效长度L、弯曲截面系数W和滑板的弹性模量E，进行标定；
理论模型是将受电弓弓头考虑成简支梁模型，但不限于简支梁模型，也可以是弹性支撑梁模型，其弓网应变动态响应方程没有变化。
一种弓网接触力测量装置，包括传感器单元、应信号采集单元和数据处理单元，传感器单元由设置在受电弓滑板铝托下隔板内表面的应变传感器和设置在受电弓滑板铝托下方的加速度传感器组成，其信号输出通过光纤连接到信号处理单元，经过解调，再经网线从车顶高压端传输到车内低压端的数据处理单元。
所述应变传感器的个数是不少于二个。
至少有二个应变传感器，布置在接触网拉出值范围以外，分别靠近左、右两端弓头弹性支撑位置。
所述应变传感器嵌入安装在受电弓滑板铝托内部空心层，但不限于铝托内部空心层，也可以安装在受电弓滑板铝托底部外表面或侧面。
所述加速度传感器的个数不少于二个，安装在受电弓滑板铝托下表面，也可以安装在弓头与弹性支撑铰接处。
本发明的有益效果是：
1、本发明的弓网接触力测量方法建立接触力与弓头滑板应变间的直接对应关系，测量受电弓弓头的应变以获取接触力，涉及的变量少，降低了由中间变量产生的误差。
2、本发明测量接触力的同时还能测得接触网拉出值，省去了拉出值测量装置。
3、本发明的弓网接触力测量装置，安装设备简单；采用光纤应变传感器，体积小，质量轻，可嵌入受电弓滑板内部，与滑板作为一体，对受电弓本身结构影响小；同时光纤传感器耐高温，抗干扰性好，由环境造成的测量误差小，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的接触力测量方法示意图；
图2是本发明的接触力测量装置连接关系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
实施例1
现结合附图1对本发明作进一步说明。
一种弓网接触力测量方法，是将受电弓弓头视为梁模型，推导出弓头应变动态响应方程，
弓头应变动态响应方程如下式：
式中：ε是受电弓滑板纵向应变，由应变传感器测得；F是弓网间接触力；m为弓头的簧上质量，在此实施例中使用TSG22型受电弓，m＝4.8kg；ai是滑板底部第i个加速度传感器的加速度，由加速度传感器测得；n是加速度传感器的个数，在此实施例中n＝2；k是气动力比例系数，这里k＝0.00228；v为列车运行速度，xp是接触点位置的横坐标；x是沿滑板纵向任一点的横坐标，此实施例中，应变传感器对称安装于滑板底部距离滑板中央300mm的位置，x＝±0.3m；E、W和L分别是滑板的弹性模量、弯曲截面系数和等效长度，由静态试验标定后得到，L＝1.2m，EW＝2.54×105。
建立弓头应变与接触力间对应关系；根据弓头滑板由于弓网动态相互作用而产生的应变与加速度数据，代入弓头应变动态响应方程，得到实时的弓网动态接触力与拉出值。
一种弓网接触力测量方法及其装置的基本思想是采用应变传感器直接测量受电弓滑板由于弓网动态接触力产生的应变，而非传统测量方法中的使用力传感器测量受电弓弓头与支架的相互作用力。
采用附图2所示的实现接触力和拉出值的测量：
一种弓网接触力测量装置，包括传感器单元3、应信号采集单元4和数据处理单元5，传感器单元3由设置在受电弓滑板铝托底部外表面的两个应变传感器1和设置在受电弓滑板铝托下方的两个加速度传感器2组成，其信号输出通过光纤连接到信号采集单元4，经过解调，再经网线从车顶高压端传输到车内低压端的数据处理单元5。其中应变传感器1采用带温度补偿的光纤应变传感器(测量误差小于1％，质量约10g,尺寸为20mm*5mm*1mm)，对称安装在距离滑板中央300mm处。加速度传感器2采用三轴加速度传感器(量程100g)，对称安装在滑板底部外表面，靠近受电弓弓头弹性支撑处。当受电弓与接触网相互作用时，受电弓滑板因接触力作用产生应变和加速度，通过应变传感器1和加速度传感器2测量后由信号采集单元4采集和解调后经网线从车顶高压端传输到车内低压端数据处理单元5。数据处理单元5基于受电弓弓头应变动态响应方程，将输入的应变数据、加速度数据处理成实时接触力数据和拉出值数据。其中静态标定在实验台上完成，通过在不同接触位置加载恒定的接触力，同时采集不同工况的应变，利用受电弓弓头应变动态响应方程，将受电弓滑板纵向应变，弓网间接触力、接触点位置的横坐标和应变测点位置作为已知量，得出方程中的常量参数，滑板等效长度L和弯曲截面系数W。
Claims (3)
1.一种弓网接触力测量方法，其特征在于：将受电弓弓头视为梁模型，推导出弓头应变动态响应方程，弓头应变动态响应方程如下式：
式中：ε是受电弓滑板纵向应变，F是弓网间接触力，m为弓头的簧上质量，ai是滑板底部第i个加速度传感器的加速度，n是加速度传感器的个数，k是气动力比例系数，v为列车运行速度，xp是接触点位置的横坐标，x是沿滑板纵向任一点的横坐标，E、W和L分别是滑板的弹性模量、弯曲截面系数和等效长度；
建立弓头应变与接触力间对应关系；根据弓头滑板由于弓网动态相互作用而产生的应变与加速度数据，代入弓头应变动态响应方程，得到实时的弓网动态接触力与拉出值。
2.根据权利要求1所述的一种弓网接触力测量方法，其特征在于：通过静态试验对弓头应变动态响应方程中常量参数滑板等效长度L、弯曲截面系数W和滑板的弹性模量E，进行标定。
3.根据权利要求1所述的一种弓网接触力测量方法，其特征在于：理论模型是将受电弓弓头考虑成简支梁模型或者是弹性支撑梁模型，其弓网应变动态响应方程没有变化。
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