CN110207632B - 一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法及传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法及传感系统，采用重力加速度传感器感知弹簧补偿器转过的角度，根据积分算法计算弹簧补偿器转动的弧长，此弧长即为弹簧补偿器a值的变化量，从而实现了可以连续测量弹簧补偿器的a值的目的，解决传统依靠人力爬梯检修、效率低的问题。采用连续积分算法，针对该系统优化，保证了连续运动过程的累计误差在预期范围之内。智能传感系统内置MCU处理芯片，可以自动分析计算采集到的数据，同时传感器还带有温度测量功能，可以根据温度测量结果分析判断弹簧补偿器的工作状态是否正常，并及时报警反馈至技术人员，有效解决了现有技术中无法做到24小时全天候监测、天气炎热故障多发的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高速铁路及城市轨道交通接触网领域，具体涉及一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法及传感系统。
背景技术
弹簧补偿器是应用于高速铁路及城市轨道交通柔性接触网恒张力补偿的下锚补偿设备，主要作用为将柔性接触网的线索（接触线或承力索）拉紧，并保持恒定张力，补偿线索由于外界温度变化时的伸缩量。随着近些年来高铁及城市轨道交通的大量建设，接触网的运营维护是摆在运营部门面前的一大难题，高铁及城市轨道交通的柔性接触网大多建在高架线路上，区间线路长，高架线难以进入，检修时间短等困难为接触网的安全运行带来隐患。而下锚补偿设备作为保持线索张力的关键设备是检修维护的重点，一旦发生故障，则会给线路运行带来不可估量的严重后果。
现有的检修方式是在夜间收车后，依靠人工攀爬到接触网支柱上，测量弹簧补偿器的a值来判断设备是否工作正常，检查设备是否卡滞、偏斜等。耗费大量人力且检修效率低、精度低，无法做到24小时全天候监测，而白天由于温度变化剧烈，往往是设备故障多发的时段。
发明内容
发明目的：提供一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法及传感系统，解决了现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法，包括以下步骤：
S1、确定原始a值：在安装智能传感系统前首先测量当前的a值，此a值作为原始a值并保存在数据库；
S2、划分象限：将弹簧补偿器的渐开线轮按照笛卡尔坐标系划分为四个象限（Ⅰ象限、Ⅱ象限、Ⅲ象限、Ⅳ象限）；
S3、智能传感系统安装：逆时针转动方向为正方向，将智能传感系统固定在弹簧补偿器渐开线轮的外圆上；
S4、计算坐标：当渐开线轮转动时，通过测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出智能传感系统在坐标系中的坐标位置；
S5、数据转化：转动后的坐标位置与起始的坐标位置做差，即为弹簧补偿器转过的角度，利用积分算法计算渐开线轮转动的弧长，此弧长即为弹簧补偿器的a值变化量，此变化量加上初始安装时的原始a值，即为实时a值；
S6、数据分析：将实时a值以无线方式传输到上位机。
在进一步的实施例中，铁路接触网在受到温度影响后张紧力发生变化，表现在接触线或承力索发生伸长或缩短，弹簧补偿器为保持线索的恒张力，对内部弹簧进行压缩或拉伸，带动两侧的渐开线轮转动。采用渐开线轮，当内部弹簧进行压缩或拉伸带动两侧的渐开线轮转动时，渐开线轮在各点处收到的压力方向是不变的，即沿着啮合线方向，力的大小也不变，能够保证受力均衡、转动稳定。
在进一步的实施例中，所述智能传感系统实时测温，当智能传感系统测量的温度与初始安装时的测量温度相差较大，而渐开线轮的转动弧长变化较小时，智能传感系统随即触发报警，报警信息以无线方式发送到上位机。根据温度测量结果分析判断弹簧补偿器的工作状态是否正常，便于技术人员及时发现问题并解决。
在进一步的实施例中，所述无线方式包括GPRS协议、Nb-loT协议、Lora协议、Zigbee协议中的一种或多种。通过无线方式将智能传感系统与上位机之间建立通讯，避免了有线传输线缆的缠绕对弹簧补偿器的影响，多个无线通讯协议互补工作，以应对周边的信号干扰。
在进一步的实施例中，所述积分算法包括连续积分算法。包括以下步骤：
A1、确定渐开线轮转动起始位置的半径，记为
，对应的极角为
；
A2、确定渐开线轮转动终点位置的半径，记为
，对应的极角为
；
A 3、确定渐开线轮在X轴上的坐标位置，记为
，确定渐开线轮在Y轴上的坐标位置
，确定渐开线轮旋转后Z轴上升高度，记为
；确定变化角度，记为
；
A4、根据公式
，计算出渐开线轮从M点转动到N点的弧长。连续积分算法适用于连续运动过程的计算，保证了连续运动过程的累计误差在预期范围之内。
一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量传感系统，其特征在于包括以下模块：
用于对锂电池过压、欠压、过流、短路等异常状况进行实时监控，对锂电池的供电电路进行保护的锂电池管理模块；
用于采集电池电量信息、并反馈给MCU模块的电池电量采集模块；
用于感应重力加速度变化量的重力加速度采集模块；
用于对系统实时测温、将测得的温度与初始安装时的测量温度实时对比、并将温度差值与预设阈值对比的温度采集模块；
用于计算与控制系统的MCU模块；
用于对系统计数与复位的看门狗模块；
用于收发信号的无线通讯模块。
在进一步的实施例中，所述锂电池管理模块包括一节或多节并联的18650锂电池。18650锂电池的内阻小，且相比于传统的镍镉和镍氢电池，锂电池没有记忆效应，长时间存放不会影响其活性。采用多节18650锂电池并联安装，当其中一节出现故障时不会影响总的电动势，与之并联的电池作为备用电池会继续提供电能，具有应急功能。
所述重力加速度采集模块用于依靠质量块的偏移将加速度数值、重力分量计算出来，当渐开线轮转动时，由于重力加速度采集模块内置于智能传感系统并固定在渐开线轮端面上，则渐开线轮的转动由重力加速度采集模块感知，重力加速度采集模块通过测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出智能传感系统在坐标系中的坐标位置。
所述温度采集模块利用测温变送器将周边的温度信号采集并转变为数字信号，所述测温变送器集成在电路板上并安装在盒子里，测温变送器主要用于测量环境温度，测得温度代表的是线路中线索的环境温度。
所述MCU模块通过相应的数据接口将锂电池管理模块、重力加速度采集模块、温度采集模块、以及无线通讯模块连接形成相互通信的系统，由锂电池管理模块并将异常信息、断电时间、开机时间等以代码的形式记录在MCU模块的Flash闪存中，以供后期调取维护信息。
所述看门狗模块内置在所述MCU模块中，定期的查看芯片内部的情况，当芯片发生错误无法恢复时由看门狗模块对其发出重启信号以快速重启恢复正常运作，防止整个系统陷入停滞状态造成损失。
所述智能传感系统采用至少两个顶丝和锁紧螺母的连接的方式固定在渐开线轮端面上，所述智能传感系统与渐开线轮端面的接合处粘贴有3M双面胶。顶丝和锁紧螺母用于定位与固定智能传感系统和渐开线轮，3M双面胶用于辅助固定。顶丝具有自对心性质，能够主动调心，防止紧固件之间产生相轴向窜动。
有益效果：本发明涉及一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法及传感系统，采用重力加速度传感器按时间段测量弹簧补偿器转过的角度，根据积分算法计算弹簧补偿器转动的弧长，此弧长即为弹簧补偿器a值的变化量，从而实现了可以连续测量弹簧补偿器的a值的目的，解决传统依靠人力爬梯检修、效率低的问题。智能传感系统内置了MCU处理芯片，可以自动分析计算采集到的数据，同时传感器还带有温度测量功能，可以根据温度测量结果分析判断弹簧补偿器的工作状态是否正常，并及时报警反馈至技术人员，有效解决了现有技术中无法做到24小时全天候监测、天气炎热故障多发的问题。
附图说明
图1为本发明中弹簧补偿器与接触线或承力索安装的结构示意图。
图2为本发明中象限划分示意图。
图3为本发明中智能传感系统水平轴和垂直轴的定义图。
图4为本发明中弹簧补偿器、渐开线轮、智能传感系统的安装位置立体图。
图5为本发明智能传感系统的内部组成示意图。
图6为本发明中智能传感系统的结构示意图。
图7为本发明涉及的连续积分算法的示意图。
图中各附图标记为：弹簧补偿器1、渐开线轮2、智能传感系统3。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明公开了一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法及传感系统。一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量传感系统，其特征在于包括：用于管理电力供应、涉及正常电力供应与应急电力供应的锂电池管理模块；用于采集电池电量信息、并反馈给MCU模块的电池电量采集模块；用于感应重力加速度变化量的重力加速度采集模块；用于对系统实时测温、将测得的温度与初始安装时的测量温度实时对比、并将温度差值与预设阈值对比的温度采集模块；用于计算与控制系统的MCU模块；用于对系统计数与复位的看门狗模块；以及用于收发信号的无线通讯模块。所述锂电池管理模块包括一节或多节并联的18650锂电池。18650锂电池的内阻小，且相比于传统的镍镉和镍氢电池，锂电池没有记忆效应，长时间存放不会影响其活性。采用多节18650锂电池并联安装，当其中一节出现故障时不会影响总的电动势，与之并联的电池作为备用电池会继续提供电能，具有应急功能。所述重力加速度采集模块用于依靠质量块的偏移将加速度数值、重力分量计算出来，当渐开线轮2转动时，由于重力加速度采集模块内置于智能传感系统3并固定在渐开线轮2端面上，则渐开线轮2的转动由重力加速度采集模块感知，重力加速度采集模块通过测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出智能传感系统3在坐标系中的坐标位置。所述温度采集模块利用测温变送器将周边的温度信号采集并转变为数字信号，所述测温变送器集成在电路板上并安装在盒子里，测温变送器主要用于测量环境温度，测得温度代表的是线路中线索的环境温度。通过将测温变送器的测温探头均匀分布，并将各点测得的温度求出方差以监控温度的波动性，并保证温度测量准确。所述MCU模块通过相应的数据接口将锂电池管理模块、重力加速度采集模块、温度采集模块连接形成相互通信的系统，由锂电池管理模块并将异常信息、断电时间、开机时间等以代码的形式记录在MCU模块的Flash闪存中，以供后期调取维护信息。所述看门狗模块内置在所述MCU模块中，定期的查看芯片内部的情况，当芯片发生错误无法恢复时由看门狗模块对其发出重启信号以快速重启恢复正常运作，防止整个系统陷入停滞状态造成损失。所述智能传感系统3采用至少两个顶丝和锁紧螺母的连接的方式固定在渐开线轮2端面上，所述智能传感系统3与渐开线轮2端面的接合处粘贴有3M双面胶。顶丝和锁紧螺母用于定位与固定智能传感系统3和渐开线轮2，3M双面胶用于辅助固定。顶丝具有自对心性质，能够主动调心，防止紧固件之间产生轴向窜动。
如图1所示，由于温度的变化，弹簧补偿器1会随着接触线或承力索的伸长或缩短而引起渐开线轮2的转动，从而引起a值的变化，因此测量渐开线轮2的转动后的展开弧长即可测量出a值的变化量。
如图2和3所示，本发明所采用的方法主要包括确定原始a值、划分象限、传感器安装、计算坐标、数据转化、数据分析六个步骤。具体的测量方法如下：智能传感系统3固定在渐开线轮2上，将渐开线轮2的端面按照数学坐标系划分为四个象限（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），当渐开线轮2转动时，利用地球重力始终向下的原理，计算出重力在智能传感系统3水平轴和垂直轴的分量，定义与重力方向相反为正，相同为负，从而根据智能传感系统3水平轴和垂直轴输出的正负数据计算智能传感系统3处于渐开线轮2端面的坐标位置。本项目实施时，智能传感系统3首先记录下初始安装时所在坐标位置，每隔一个时间段，智能传感系统3测量一次自身所在的坐标位置，并与初始安装时的位置坐标进行连续积分计算，求解出转过的弧长，此弧长加上初始安装时的a值即为实时测量的a值，然后将测量结果以无线的方式发送到上位机。所述智能传感系统3带有测温功能，当智能传感系统3测量的温度与初始安装时的测量温度相差较大，而渐开线轮2的转动弧长变化较小时，智能传感系统3随即触发报警，此报警阈值可以远程设置，报警信息以无线的方式发送到上位机。铁路接触网在收到温度影响后张紧力发生变化，表现在接触线或承力索发生伸长或缩短，弹簧补偿器1为保持线索的恒张力，对内部弹簧进行压缩或拉伸，带动两侧的渐开线轮2转动。采用渐开线轮2，当内部弹簧进行压缩或拉伸带动两侧的渐开线轮2转动时，渐开线轮2在各点处收到的压力方向是不变的，即沿着啮合线方向，力的大小也不变，能够保证受力均衡、转动稳定。所述智能传感系统3实时测温，当智能传感系统3测量的温度与初始安装时的测量温度相差较大，而渐开线轮2的转动弧长变化较小时，智能传感系统3随即触发报警，报警信息以无线方式发送到上位机。根据温度测量结果分析判断弹簧补偿器1的工作状态是否正常，便于技术人员及时发现问题并解决。所述无线方式包括GPRS协议、Nb-loT协议、Lora协议、Zigbee协议中的一种或多种。通过无线方式将智能传感系统3与上位机之间建立通讯，避免了有线传输线缆的缠绕对弹簧补偿器1的影响。所述积分算法包括连续积分算法。连续积分算法适用于连续运动过程的计算，保证了连续运动过程的累计误差在预期范围之内。
本发明采用连续积分算法计算锥柱渐开线轮2的弧长，如图7所示为渐开线轮2的简化示意图，高度为H，在H内有n圈，则两圈内之间的距离为
，每圈半径伸长为d，则，r2为上半径，r1为下半径，当渐开线轮2转动时，转动弧长L，近似的计算方法为：取上下半径的平均值，再乘以2
做为旋转一圈的弧长，即
，但此公式计算误差较大，采用连续积分算法，当渐开线轮2从M点开始转动，M点对应的半径为
，对应的极角为
，当渐开线轮2转动到N点后，N点对应的半径为
，对应的极角为。极角
的计算方法如下，首先确定直角坐标系中的斜率
，接着计算出极角
。转动到N点的弧长为
。式中，
、
、分别为在X、Y轴上的坐标位置，
为渐开线轮2旋转后的Z轴上升高度，
为变化的角度。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (4)
1.一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法，其特征是包括以下步骤：
S1、确定原始a值：在安装智能传感系统前首先测量当前的a值，此a值作为原始a值并保存在数据库；
S2、划分象限：将弹簧补偿器的渐开线轮按照笛卡尔坐标系划分为四个象限，分别为Ⅰ象限、Ⅱ象限、Ⅲ象限、Ⅳ象限；
S3、智能传感系统安装：逆时针转动方向为正方向，将智能传感系统固定在弹簧补偿器渐开线轮的外圆上；
S4、计算坐标：当渐开线轮转动时，通过测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出智能传感系统在坐标系中的坐标位置；
S5、数据转化：转动后的坐标位置与起始的坐标位置做差，即为弹簧补偿器转过的角度，计算渐开线轮转动的弧长：
S501、确定渐开线轮转动起始位置的半径，记为
，对应的极角为
；
S502、确定渐开线轮转动终点位置的半径，记为
，对应的极角为
；
S503、确定渐开线轮在X轴上的坐标位置，记为
，确定渐开线轮在Y轴上的坐标位置
，确定渐开线轮旋转后的Z轴上升高度，记为
；确定变化角度，记为
；
S504、根据公式
，计算出渐开线轮转动到N点的弧长；此弧长即为弹簧补偿器的a值变化量，此变化量加上初始安装时的原始a值，即为实时a值；
S6、数据分析：将实时a值以无线方式传输到上位机。
2.根据权利要求1所述的一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法，其特征在于：铁路接触网在受到温度影响后张紧力发生变化，表现在接触线或承力索发生伸长或缩短，弹簧补偿器为保持线索的恒张力，对内部弹簧进行压缩或拉伸，带动两侧的渐开线轮转动。
3.根据权利要求1所述的一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法，其特征在于：所述智能传感系统实时测温，当智能传感系统测量的温度与初始安装时的测量温度相差较大，而渐开线轮的转动弧长变化较小时，智能传感系统随即触发报警，报警信息以无线方式发送到上位机。
4.根据权利要求3所述的一种铁路接触网弹簧补偿装置a值测量方法，其特征在于：所述无线方式包括GPRS协议、Nb-loT协议、Lora协议、Zigbee协议中的一种或多种。
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Denomination of invention: A measurement method and sensing system for a value of spring compensation device in railway contact network Effective date of registration: 20231129 Granted publication date: 20201225 Pledgee: China Construction Bank Corporation Jiangsu Branch direct sub branch Pledgor: Nanjing Putaide Electric Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980067736 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |