CN108663112A - 一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法，包括：步骤一、布置出站传感器、线阵相机和控制系统；步骤二、控制由受测刚性接触网供电的列车从A站由静止出发，经由列车运行路线向B站行进；通过控制系统控制线阵相机；步骤三、按照预设的采样频率，对线阵相机在步骤二拍摄得到的图像进行采样，并将采样得到的图像按拍摄时间顺序合成为谐振检测图像；步骤四、提取出谐振波形。本发明采用线阵相机对受测刚性接触网的汇流排进行高清度拍摄，以获得记录了汇流排在谐振过程中微变形的谐振检测图像，并从中提取出谐振波形，实现了对刚性接触网弓网谐振的在线检测，具有能够持续方便的进行检测且检测精度高的优点。

Description

一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法

技术领域

本发明设计一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法，应用于地铁列车安全运行在线检测。

背景技术

中国城市轨道交通快速发展，刚性接触网自2002年广州地铁2#从国外引进后已被广泛应用于城市轨道交通牵引供电系统。

目前国内外对刚性网的谐振测量介绍不多，国内最先研究的是在对广州地铁3#正线进行的弓网关系试验，受电弓沿不平顺的刚性接触网运行时，会产生垂直方向的强迫振动，而且高速阶段弓网之间存在共振现象(见文献1：孙睿于2011年发表的《刚性接触网环境下的弓网性能试验》)；为改善刚性悬挂不能缓冲外界振动和冲击的特质，增加受电弓刚性悬挂的跟随性(见文献2：付俊武于2007年发表的《刚性与柔性接触网若干功能差异及标准的讨论》)，深圳地铁进行了刚性网使用新型刚性悬挂零部件研究(见文献3：胡舜于2014年发表的《架空刚性悬挂接触网新型零部件结构及其优势探讨》)；天津大学对刚性悬挂接触网进行了有限元建模和ANSYS分析(见龚金真于2007年发表的《刚性悬挂弓网系统的动态仿真研究》；见文献4：毕继红、张锋、刘峰涛于2007年8月发表的《刚性悬挂接触网/受电弓系统动力分析》，介绍了弓网动力学的系统计算与详细仿真结果。见文献5：王胜于2005年发表的《刚性悬挂自由振动特性分析》；文献6：江洪泽于2010年8月发表的《城市轨道交通刚性接触网弓网受流理论探析》，介绍了南京地铁的刚性网理论研究与经验数据，提出了刚性网集合不平顺的限制安装工艺指标。见文献7：关金发、吴积钦于2016年发表的《城市轨道交通弓网系统现状分析与建议》，总结国内外相关研究文献，发现弓网设计阶段对弓网接口的设计不足，弓网维修阶段存在机械故障较多，弓网仿真缺少实测数据确认等问题。

刚性接触网存在的使用问题及原因分析

文献记载：地铁刚性接触网在使用中存在的各种问题及其危害，根据各自经验进行了大量的探讨和研究，这些宝贵经验与实验数据已广泛应用于全国地铁的设计、建设和运维。现将其归纳总结如下：

1、存在问题

1.1、电气拉弧

文献资料普遍从各角度介绍了该种类的故障损害。其集中表现由于离线率增加使受电弓碳滑板的电气磨损急剧增加；刚性网接触线的非规则磨损与脱离；悬挂绝缘等接地连接损伤；锚段关节处与道岔位置、刚柔过度位置产生损伤。

1.2、器件失效

悬挂紧固件松脱；刚性网垂直与横向变形；

2、问题的危害

刚性网存在的问题直接影响了地铁运营-使刚性网、受电弓的运维成本大幅增加；动车的受流情况变坏且影响了牵引设备的电源安全性。

3、原因分析

3.1、振动影响

文献3、4、5均给出了刚性网的悬挂自由振动频率大致相同的计算结果。计算了悬挂刚度、列车速度、跨距、单弓和多弓的弓网耦合动力学仿真结果：即跨距是影响自振频率的关键因素，振动幅度则受悬挂刚度、速度等主要影响，文献1录得的60公里/h、80公里/h车载实测数据验证了弓网压力波动性与速度的关联性。

注：这些结论也被本项目谐振监测装置准确测量验证。

3.2、安装工艺

文献6重点给出了刚性网安装平顺度(凹凸)的安全受流计算公式：

(α/λ^2)<＝(g/4π^2)*1/v^2*(P0/W)[6]

式中:W＝mg，为受电弓的等质质量；α为施工误差，v为设计速度，P0为抬升力。式[6]是不离线受流约束的数学模型，即凹凸程度(α)、抬升力(P0)、受电弓质量(W)、支撑间隔(λ)与不离线速度(v)的相互约束关系。

文献6给出了刚性网汇流排安装坡度0.2％-0.5％的建议性控制指标。

注：文献6的α判断因子关注了刚性网的静态指标，而未考虑谐振的动态指标。

4、值得关注的谐振原因

4.1、谐振产生条件

刚性网谐振条件--必须是刚性网悬挂产生的固有自振频率与弓网耦合动力相互作用。

即在一定临界速度、压力条件下比如满足10公里时速和60N压力，谐振频率不再与速度，弓网压力关联。

4.2、谐振判断条件

刚性网谐振判断条件—振动能够被传递和蔓延至较大区间，并非局限于过车段小区间。

4.3、谐振产生原因

刚性网的刚度不平顺(悬挂区域内约为8～10倍变化)产生了谐振，并且被发明人首次准确动态测量，对比于刚性网的几何不平顺能在静态测量，项目的意义是明显易见的。

4.4、谐振的危害性

如同铁路轨道、精密车床、电网、航空器等，避开固有的自振频率成为安全设计和运行的首要考虑，刚性网谐振治理的重要性是不言而喻的。现有的大多数文献与工程实践，是假设刚性网没有弹性或弹性可以忽略不计同时工程上也缺乏对谐振的测量手段，受电弓产品也未针对现场测量工况考虑谐振压力最优补偿等减振弹簧适配刚度系数，已经严重障碍了刚性接触网的进一步推广应用。刚性网谐振需要被设计和研究、生产部门重新审视和测量计算，以建立新的设计规范、安装工艺与弓网产品减振标准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法，以解决刚性接触网弓网谐振在线检测便利性与检测精度难以兼顾的问题。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法，用于在线检测相邻两个列车车站之间的受测刚性接触网的谐振波，该相邻两个列车车站记为A站和B站，其特征在于：所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法包括：

步骤一、布置出站传感器、线阵相机和控制系统，使得：

所述出站传感器布置在所述A站与B站之间的列车运行路线上，且所述出站传感器靠近所述A站的出站端布置；

所述线阵相机安装在位于所述受测刚性接触网侧方的固定建筑物上，所述线阵相机的拍摄方向朝向所述受测刚性接触网的汇流排，将所述汇流排被所述线阵相机拍摄到的狭长位置记为检测面，该检测面在所述列车运行路线中与所述出站传感器之间的里程距离L在0.5km至2km之间，且该检测面与所述受测刚性接触网的悬挂点之间的最短距离在2m至6m之间；并且，所述线阵相机的拍摄画面的水平方向平行于所述汇流排在所述检测面处的延伸方向，所述拍摄画面的垂直方向与水平面成40°至90°之间的夹角；

所述控制系统分别与所述出站传感器和线阵相机电性连接；

步骤二、控制由所述受测刚性接触网供电的列车从所述A站由静止出发，经由所述列车运行路线向所述B站行进；

并且，通过所述控制系统控制所述线阵相机，包括：在所述列车到达所述出站传感器时，所述控制系统启动计时、并在经过预设的延时时间后结束计时，且所述列车在所述延时时间内至少达到一次最高运行速度；在所述延时时间内，所述控制系统控制所述线阵相机连续的进行拍照；

步骤三、按照预设的采样频率，对所述线阵相机在步骤二拍摄得到的图像进行采样，并将采样得到的图像按拍摄时间顺序合成为谐振检测图像；

步骤四、将所述汇流排的检测面中的一个点记为检测点，从所述谐振检测图像中，提取出所述检测点按所述拍摄时间顺序的位置变化轨迹，即为所述受测刚性接触网在所述延时时间内的谐振波形。

作为本发明的优选实施方式：所述步骤一，在所述列车运行路线中，所述出站传感器与所述A站的出站端之间的里程距离在1m至10m之间。

作为本发明的优选实施方式：所述线阵相机的像素分辨率：在垂直方向上为2048像素，在水平方向上为1像素或2像素或4像素。

作为本发明的优选实施方式：所述线阵相机的像元为0.007mm、镜头焦距为130mm、物距为1.9m。

作为本发明的优选实施方式：所述线阵相机的行频在16Hz至40Hz之间，所述步骤三中，所述预设的采样频率在9.6Hz至28.8Hz之间。

作为本发明的优选实施方式：所述步骤一中，还布置有500W的补光线阵光源，并使所述补光线阵光源对准所述汇流排的检测面。

作为本发明的优选实施方式：所述线阵相机的拍摄画面覆盖所述汇流排的上边缘和下边缘；所述步骤四中，所述检测点为所述汇流排在其上边缘或下边缘上的点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明采用线阵相机对受测刚性接触网的汇流排进行高清度拍摄，以获得记录了汇流排在谐振过程中微变形的谐振检测图像，并从中提取出谐振波形，实现了对刚性接触网弓网谐振的在线检测，具有能够持续方便的进行检测且检测精度高的优点。

第二，本发明采用线阵相机进行检测，其储存空间小、传输时间快，能够适应在线检测的要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为应用本发明的受测刚性接触网所在场地的俯视图；

图2为图1的C-C剖视图；

图3为图1的D向示意图；

图4为通过本发明步骤三得到的谐振检测图像举例；

图5为通过本发明步骤三得到的谐振波形举例。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明公开的是一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法，用于在线检测相邻两个列车车站之间的受测刚性接触网的谐振波，该相邻两个列车车站记为A站和B站。

本发明的发明构思为：本发明的刚性接触网弓网谐振在线检测方法包括：

步骤一、布置出站传感器1、线阵相机2和控制系统，使得：

出站传感器1布置在A站与B站之间的列车运行路线上，且出站传感器1靠近A站的出站端布置；

线阵相机2安装在位于受测刚性接触网侧方的固定建筑物3上，例如：对于地铁系统中的受测刚性接触网，该固定建筑物3可以是A站与B站之间的隧道壁；线阵相机2的拍摄方向D朝向受测刚性接触网的汇流排4，将汇流排4被线阵相机2拍摄到的狭长位置记为检测面41，该检测面41在列车运行路线中与出站传感器1之间的里程距离在0.5km至2km之间，且该检测面41与受测刚性接触网的悬挂点之间的最短距离在2m至6m之间；并且，线阵相机2的拍摄画面21的水平方向x平行于汇流排4在检测面41处的延伸方向，拍摄画面21的垂直方向y与水平面成40°至90°之间的夹角，优选为90°；

控制系统分别与出站传感器1和线阵相机2电性连接；

步骤二、控制由受测刚性接触网供电的列车从A站由静止出发，经由列车运行路线向B站行进；

并且，通过控制系统控制线阵相机2，包括：在列车到达出站传感器1时，控制系统启动计时、并在经过预设的延时时间后结束计时，且列车在延时时间内至少达到一次最高运行速度；在延时时间内，控制系统控制线阵相机2连续的进行拍照；

步骤三、按照预设的采样频率，对线阵相机2在步骤二拍摄得到的图像进行采样，并将采样得到的图像按拍摄时间顺序合成为谐振检测图像，例如：图4即采用垂直方向y上为2048像素、水平方向x上为1像素的线阵相机2进行拍摄采样，得到的图像按拍摄时间顺序从左向右拼接合成的谐振检测图像；

步骤四、将汇流排4的检测面41中的一个点记为检测点42，从谐振检测图像中，提取出检测点42按拍摄时间顺序的位置变化轨迹，即为受测刚性接触网在延时时间内的谐振波形，例如：图5即为由图4提取出来并以合适的纵、横坐标表示的谐振波形。

下面用一个实例说明本发明的刚性接触网弓网谐振在线检测方法：

本实例得出的结果即为上述图4和图5，在获得上述图4所实施的步骤中，出站传感器1与A站的出站端距离为5m，检测面41在列车运行路线中与出站传感器1之间的里程距离为0.5km，拍摄画面21的垂直方向y与水平面成90°，线阵相机2的行频为40Hz，延时时间为3min，预设的采样频率为16Hz。而在提取出图5所实施的步骤中，将汇流排4在其上边缘上的点选择为检测点42。

由图5可知，图中数据前段带有低频的位移微变型压力测量；数据中段列车运行速度最大时谐振幅值最大，谐振波通过刚性网汇流排传回监测点，较低频相当与谐振频率的几分之一的位移分量则因衰减不会传回检测点。与现有技术中的权威谐振波检测方法对比，本发明在线检测得到的谐振波形具有高精度。

另外，本发明获得上述谐振波形后，即可对其进行频谱分析，以计算出受测刚性接触网的谐振频率、幅值和相位等谐振数据，实现对受测刚性接触网弓网的状态检修，以检测出列车受电弓与刚性接触网的实际运行工况。而且，计算出的谐振数据还可用于研究列车运行弓网参数的最佳设计，或者扩展应用至实时每段对应空间位置谐振波的幅值、相位精密测量与历史数据比较得出每段位置刚性网悬挂参数、弓网耦合关系变形安全预警。

在上述发明构思的基础上，本发明采用以下优选的实施方式：

作为本发明的优选实施方式：步骤一，在列车运行路线中，出站传感器1与A站的出站端之间的里程距离在1m至10m之间。

作为本发明的优选实施方式：线阵相机2的像素分辨率：在垂直方向y上为2048像素，在水平方向x上为1像素或2像素或4像素。

作为本发明的优选实施方式：线阵相机2的像元为0.007mm、镜头焦距为130mm、物距为1.9m。由此，可以计算出线阵相机2的分辨力＝1.9*1000/130*0.007＝0.10mm，保证了线阵相机2具有足够的微变形分辨力。

作为本发明的优选实施方式：线阵相机2的行频在16Hz至40Hz之间，步骤三中，预设的采样频率在9.6Hz至28.8Hz之间，以满足几Hz的刚性接触网自振频率测量要求。

作为本发明的优选实施方式：步骤一中，还布置有500W的补光线阵光源，并使补光线阵光源对准汇流排4的检测面41，以确保线阵相机2拍摄得到的图像清晰。

作为本发明的优选实施方式：线阵相机2的拍摄画面21覆盖汇流排4的上边缘和下边缘；步骤四中，检测点42为汇流排4在其上边缘或下边缘上的点，以便于提取谐振波形并提高所提取谐振波形的精度。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种刚性接触网弓网谐振在线检测方法，用于在线检测相邻两个列车车站之间的受测刚性接触网的谐振波，该相邻两个列车车站记为A站和B站，其特征在于：所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法包括：

步骤一、布置出站传感器(1)、线阵相机(2)和控制系统，使得：

所述出站传感器(1)布置在所述A站与B站之间的列车运行路线上，且所述出站传感器(1)靠近所述A站的出站端布置；

所述线阵相机(2)安装在位于所述受测刚性接触网侧方的固定建筑物(3)上，所述线阵相机(2)的拍摄方向(D)朝向所述受测刚性接触网的汇流排(4)，将所述汇流排(4)被所述线阵相机(2)拍摄到的狭长位置记为检测面(41)，该检测面(41)在所述列车运行路线中与所述出站传感器(1)之间的里程距离(L)在0.5km至2km之间，且该检测面(41)与所述受测刚性接触网的悬挂点之间的最短距离在2m至6m之间；并且，所述线阵相机(2)的拍摄画面(21)的水平方向(x)平行于所述汇流排(4)在所述检测面(41)处的延伸方向，所述拍摄画面(21)的垂直方向(y)与水平面成40°至90°之间的夹角；

所述控制系统分别与所述出站传感器(1)和线阵相机(2)电性连接；

步骤二、控制由所述受测刚性接触网供电的列车从所述A站由静止出发，经由所述列车运行路线向所述B站行进；

并且，通过所述控制系统控制所述线阵相机(2)，包括：在所述列车到达所述出站传感器(1)时，所述控制系统启动计时、并在经过预设的延时时间后结束计时，且所述列车在所述延时时间内至少达到一次最高运行速度；在所述延时时间内，所述控制系统控制所述线阵相机(2)连续的进行拍照；

步骤三、按照预设的采样频率，对所述线阵相机(2)在步骤二拍摄得到的图像进行采样，并将采样得到的图像按拍摄时间顺序合成为谐振检测图像；

步骤四、将所述汇流排(4)的检测面(41)中的一个点记为检测点(42)，从所述谐振检测图像中，提取出所述检测点(42)按所述拍摄时间顺序的位置变化轨迹，即为所述受测刚性接触网在所述延时时间内的谐振波形。

2.根据权利要求1所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法，其特征在于：所述步骤一，在所述列车运行路线中，所述出站传感器(1)与所述A站的出站端之间的里程距离在1m至10m之间。

3.根据权利要求1所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法，其特征在于：所述线阵相机(2)的像素分辨率：在垂直方向(y)上为2048像素，在水平方向(x)上为1像素或2像素或4像素。

4.根据权利要求1所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法，其特征在于：所述线阵相机(2)的像元为0.007mm、镜头焦距为130mm、物距为1.9m。

5.根据权利要求1所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法，其特征在于：所述线阵相机(2)的行频在16Hz至40Hz之间，所述步骤三中，所述预设的采样频率在9.6Hz至28.8Hz之间。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法，其特征在于：所述步骤一中，还布置有500W的补光线阵光源，并使所述补光线阵光源对准所述汇流排(4)的检测面(41)。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的刚性接触网弓网谐振在线检测方法，其特征在于：所述线阵相机(2)的拍摄画面(21)覆盖所述汇流排(4)的上边缘和下边缘；所述步骤四中，所述检测点(42)为所述汇流排(4)在其上边缘或下边缘上的点。