CN111208367A - 一种弓网接触副磨屑分布调控装置及方法 - Google Patents

一种弓网接触副磨屑分布调控装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弓网接触副磨屑分布调控装置及方法，该装置包括磁场调控模块、环境数据采集模块和PC服务器；磁场调控模块和环境数据采集模块均与所述PC服务器连接；PC服务器根据环境数据采集模块的数据控制磁场调控模块的电流强度，使弓网摩擦副接触区域产生一个特定的磁感应强度，促使接触区域内磨屑分布处于最优状态；本发明通过降低摩擦系数、改善表面粗糙度实现弓网机械与电气的平衡，改善了受电弓滑板和接触网导线产生严重机械磨耗的情况，同时还提高了弓网系统的能量传输效率和电接触特性，且结构简单，效果显著，具有很强的实用价值和推广价值。

Description

一种弓网接触副磨屑分布调控装置及方法
技术领域
本发明属于磁场调控技术和弓网技术领域，具体涉及一种弓网接触副磨屑分布调控装置及方法。
背景技术
电气化机车通过受电弓滑板从接触网导线上获取电能，故弓网系统工作的稳定性直接影响列车的受流质量及运行状态。随着列车高速化的推进，弓网接触副机械磨耗不断加剧，这大大增加了弓网系统的维修成本、降低滑板及导线使用寿命，严重时甚至可能会引起弓网事故，造成不可挽回的人员财产损失。
碳滑板具有层状结构，其以良好的自润滑性能和减磨性能，以及优良的耐电弧性能，长期占据着铁路市场，但实际工况下的机械力和气流场会不断将产生的磨屑排出弓网接触区，使粗糙的滑板与导线表面直接接触，大大降低碳滑板的自润滑性能，对更换成本巨大的接触线造成严重损坏。考虑到滑板在运行中受到机械作用以及高温作用会产生具有顺磁性的碳同位素磨屑和顺磁性的CuO磨屑，故急需一种适应于弓网系统的磁场调控模块，通过对磨屑分布的调控实现对摩擦性能的主动控制，以改善弓网接触副的摩擦磨损现状，增加接触线及受电弓滑板的运行性能及服役寿命。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的弓网接触副磨屑分布调控装置及方法解决了现有的因列车速度、载荷不断提升所造成的摩擦副机械磨耗严重的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种弓网接触副磨屑分布调控装置，包括磁场调控模块、环境数据采集模块和PC服务器；
所述磁场调控模块和环境数据采集模块均与所述PC服务器连接；
所述磁场调控模块包括电流传感器、线圈电流控制器、直流电源和多层密绕螺线管，且所述电流传感器和线圈电流控制器均与所述PC服务器连接，所述直流电源与所述线圈电流控制器连接；
所述环境数据采集模块包括均与PC服务器连接的力传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器。
进一步地，所述磁场调控模块，用于根据PC服务器发送的电流强度信号，在弓网摩擦副接触区域产生对应的磁感应强度，使接触区域内磨屑分布处于最优状态；
所述环境数据采集模块用于实时采集流经弓网接触面的电压和电流，以及弓网接触副受到的切向力和法向力；
所述PC服务器用于根据环境数据采集模块采集的数据，确定弓网的接触电阻和摩擦系数，进而确定发送给磁场调控模块的电流信号强度。
进一步地，所述磁场调控模块中包括三个多层密绕螺线管，均设置于滑板托架正下方；
每个所述多层密绕螺线管均设置有与之匹配的电流传感器和线圈电流控制器；
所述力传感器包括法向力传感器和切向力传感器，所述法向力传感器设置于受电弓滑板托架正下方，所述切向力传感器设置于受电弓滑板前侧；
所述霍尔电流传感器和霍尔电压传感器均设置于列车车顶取流处。
进一步地，所述磁场调控模块和环境数据采集模块与受电弓底架之间安装有耐高温绝缘装置及防护罩。
进一步地，所述电流传感器为型号为JXK-10VD的直流电流传感器；
所述线圈电流控制器为型号为AQMD3620NS的电流控制模块；
所述力传感器包括型号为QLTSC的高精度S力传感器和型号为QLMH-P的平膜盒压力传感器；
所述霍尔电流传感器为型号为ETCR030AD的交流电流传感器；
所述霍尔电压传感器为型号为JXAU-231的交流电压传感器。
一种弓网接触副磨屑分布调控方法，包括以下步骤：
S1、通过环境数据采集模块实时采集受电弓上的弓网动态参数，并将其传输至PC服务器；
S2、根据接收的弓网动态参数，通过PC服务器实时计算当前弓网的实际接触电阻和实际摩擦系数；
S3、通过PC服务器将计算得到的实际接触电阻和实际摩擦系数与对应阈值进行对比，进而判断是否调节磁场调控模块；
若是，则进入步骤S4；
若否，则返回步骤S1；
S4、根据对比结果确定弓网摩擦副的运行状态，并根据其调节多层密绕螺线管通入的电流大小，并发送至线圈电流控制器；
S5、通过线圈电流控制器向对应的多层密绕螺线管通入对应的电流，改变多层密绕螺线管产生的直流磁感应强度，进而改变接触区域的磨屑分布状态；
S6、重复步骤S1-S5，使弓网接触副磨屑始终处于最优分布状态，实现摩擦接触副磨屑调控。
进一步地，所述步骤S2中弓网的接触电阻R的计算公式为：
R＝U/I
式中，U为霍尔电压传感器采集的流经弓网接触面的电压数据；
I为霍尔电流传感器采集的流经弓网接触面的电流数据；
所述摩擦系数μ的计算公式为：
μ＝Fr/Fn
式中，Fr为切向力传感器采集的弓网接触副受到的切向力数据；
Fn为法向力传感器采集的弓网接触副受到的法向力数据。
进一步地，所述步骤S4中：
当实际摩擦系数μ大于摩擦系数阈值A1时，弓网摩擦副处于摩擦严重状态，使通入多层密绕螺线管中的电流按设定步长逐步增加；
当实际接触电阻R大于接触电阻阈值R1时，弓网摩擦副处于电接触较差状态，使通入多层密绕螺线管中的电流按设定步长逐步减小直到为零；
当计算得到的实际摩擦系数μ小于摩擦系数阈值A1且实际接触电阻R小于接触电阻阈值R1时，弓网摩擦副处于机械电气稳定状态，不改变通入多层密绕螺线管中的电流大小。
进一步地，所述步骤S5中，多层密绕螺线管产生的直流磁感应强度B为：
B＝u0urH
式中，u0为真空磁导率；
ur为材料的相对磁导率；
H为多层密绕螺线管的磁场强度，且H＝NI/a，N为多层密绕螺线管的线圈匝数，a为多层密绕螺线管的线圈厚度，I为电流传感器采集的线圈电流大小。
本发明的有益效果：
1)本发明通过在列车顶部安置各传感器，对弓网动态摩擦系数及接触电阻进行实时监测，可以很方便的获取列车实时运行情况，进而对异常工况做出及时处理；
2)本发明通过在受电弓滑板托架正下方外加磁场调控模块，将实时采集数据与预设的摩擦系数、接触电阻阈值相比较，并通过PC服务器来调节多层密绕螺线管的电流强度，利用接触区域不同磁感应强度调控磨屑分布处于最优状态，从而改善弓网在长期运行中的严重摩擦磨损；
3)本发明只在受电弓上外加磁场调控模块及相应传感器，其他结构没有发生任何改变，有效地节约了成本，进一步提高了操作的便利性和可行性；
4)本发明通过PC服务器对螺线管所通电流进行调控，产生不同磁感应强度以调控磨屑逐渐填补于表面微凹坑内，降低接触面的粗糙程度，增多导电通道数量，降低接触电阻，提高了电接触特性及列车受流质量，从而实现弓网机械及电气的平衡。
附图说明
图1为本发明提供的弓网接触副磨屑分布调控装置结构图。
图2为本发明提供的磁场调控模块布置三视图。
图3为本发明提供的弓网接触副磨屑分布调控方法流程图。
图4为本发明提供的接触区域未加磁场时磨屑分布及受力情况示意图。
图5为本发明提供的磁环境下不同阶段接触区域磨屑分布及受力情况示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1：
如图1所示，一种弓网接触副磨屑分布调控装置，包括磁场调控模块、环境数据采集模块和PC服务器；
所述磁场调控模块和环境数据采集模块均与所述PC服务器连接；
所述磁场调控模块包括电流传感器、线圈电流控制器、直流电源和多层密绕螺线管，且所述电流传感器和线圈电流控制器均与所述PC服务器连接，所述直流电源与所述线圈电流控制器连接；
所述环境数据采集模块包括均与PC服务器连接的力传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器。
本发明实施例中的磁场调控模块，用于根据PC服务器发送的电流强度信号，在弓网摩擦副接触区域产生对应的磁感应强度，使接触区域内磨屑分布处于最优状态，通过降低摩擦系数、改善表面粗糙度实现弓网机械与电气的平衡，使弓网异常磨损得到改善；
所述环境数据采集模块用于实时采集流经弓网接触面的电压和电流，以及弓网接触副受到的切向力和法向力；
所述PC服务器用于根据环境数据采集模块采集的数据，确定弓网的接触电阻和摩擦系数，进而确定发送给磁场调控模块的电流信号强度。
如图2所示，上述磁场调控模块中多层密绕螺线管有三个，且均设置于滑板托架正下方，每个所述多层密绕螺线管均设置有与之匹配的电流传感器和线圈电流控制器；其中，多层密绕螺线管用于给载流接触副提供一个特定的磁感应强度；线圈电流控制器，用于直接调控磁场调控模块的电流强度，电流传感器用于精确测量线圈的实时电流，并传输至PC服务器以实现闭环反馈；通过电流传感器、线圈电流控制器和PC服务器的协同工作，实现多层密绕螺线管产生磁感应强度的精确控制；
所述力传感器包括法向力传感器和切向力传感器，所述法向力传感器设置与受电弓滑板托架正下方，所述切向力传感器设置于受电弓滑板前侧；所述霍尔电流传感器和霍尔电压传感器均设置于列车车顶取流处。环境数据采集模块中的各个传感器采集的数据通过PC服务器进行处理，得到所需的摩擦系数和接触电阻，为后面PC服务器精准控制磁场调控模块的工作提供数据支撑。
本发明实施例中的所述磁场调控模块和环境数据采集模块与受电弓底架之间安装有耐高温绝缘装置及防护罩，其中耐高温绝缘装置采用杂萘联苯结构系列高性能树脂材料，其所具有的可溶解特性令装置的加工难度和制备成本大大降低，同时其所具备的优异耐高温、电绝缘性能，也保证各模块在列车运行的高压、高温环境下可以正常工作；防护罩选用具有高强度、耐腐蚀、电绝缘等优异性能的玻璃钢材质，以保证相关设备在强风暴雪等极端恶劣环境下能正常工作。
本发明实施例中，电流传感器为型号为JXK-10VD的直流电流传感器；
线圈电流控制器为型号为AQMD3620NS的电流控制模块；
力传感器包括型号为QLTSC的高精度S力传感器和型号为QLMH-P的平膜盒压力传感器；
霍尔电流传感器为型号为ETCR030AD的交流电流传感器；
霍尔电压传感器为型号为JXAU-231的交流电压传感器。
实施例2：
如图3所示：一种弓网接触副磨屑分布调控方法，包括以下步骤：
S1、通过环境数据采集模块实时采集受电弓上的弓网动态参数，并将其传输至PC服务器；
S2、根据接收的弓网动态参数，通过PC服务器实时计算当前弓网的实际接触电阻和实际摩擦系数；
S3、通过PC服务器将计算得到的实际接触电阻和实际摩擦系数与对应阈值进行对比，进而判断是否调节磁场调控模块；
若是，则进入步骤S4；
若否，则返回步骤S1；
S4、根据对比结果确定弓网摩擦副的运行状态，并根据其调节多层密绕螺线管通入的电流大小，并发送至线圈电流控制器；
S5、通过线圈电流控制器向对应的多层密绕螺线管通入对应的电流，改变多层密绕螺线管产生的直流磁感应强度，进而改变接触区域的磨屑分布状态；
S6、重复步骤S1-S5，使弓网接触副磨屑始终处于最优分布状态，实现摩擦接触副磨屑调控。
上述步骤S2中的摩擦系数和接触电阻分别表征了弓网机械特性及接触电阻；弓网的接触电阻R的计算公式为：
R＝U/I
式中，U为霍尔电压传感器采集的流经弓网接触面的电压数据；
I为霍尔电流传感器采集的流经弓网接触面的电流数据；
所述摩擦系数μ的计算公式为：
μ＝Fr/Fn
式中，Fr为切向力传感器采集的弓网接触副受到的切向力数据；
Fn为法向力传感器采集的弓网接触副受到的法向力数据。
本发明实施例的步骤S4中：
当实际摩擦系数μ大于摩擦系数阈值A1时，弓网摩擦副处于摩擦严重状态，使通入多层密绕螺线管中的电流按设定步长逐步增加；
当实际接触电阻R大于接触电阻阈值R1时，弓网摩擦副处于电接触较差状态，使通入多层密绕螺线管中的电流按设定步长逐步减小直到为零；
当计算得到的实际摩擦系数μ小于摩擦系数阈值A1且实际接触电阻R小于接触电阻阈值R1时，弓网摩擦副处于机械电气稳定状态，不改变通入多层密绕螺线管中的电流大小；
需要说明的是，当计算得到的实际摩擦系数μ大于摩擦系数阈值A1且实际接触电阻R大于接触电阻阈值R1时，表明滑块或接触线处于损坏状态，应立即对接触线或滑块进行更换并检修。
在上述步骤S5中，根据电磁学知识，在直流电的多层密绕螺线管类似于圆柱体永磁体，线圈产生的直流磁感应强度B为：
B＝u0urH
式中，u0为真空磁导率；
ur为材料的相对磁导率；
H为多层密绕螺线管的磁场强度，且H＝NI/a，N为多层密绕螺线管的线圈匝数，a为多层密绕螺线管的线圈厚度，I为电流传感器采集的线圈电流大小。
在本发明实施例中，提供了上述调控方法的工作原理：根据材料学知识，弓网碳滑板在运行过程中，由于接触线长时间的机械作用以及摩擦热、焦耳热的高温作用，产生一种具有顺磁性的碳同位素磨屑，高定向热解石墨以及顺磁性的CuO磨屑。在未加磁场的实际弓网接触区域中，产生的磨屑受到机械力和气流场的作用，会被排出摩擦副接触区域，使得碳材料的自润滑性能大大减弱，如图4所示。
如图5所示，通过磁场调控模块向摩擦接触区域施加特定的磁感应强度后，接触区域的磨屑分布及受力情况主要分为三个阶段。阶段一，电流较小，磁感应强度较小，在磁吸力的作用下，顺磁性的磨屑被聚集于磁感应强度较大的摩擦接触区；阶段二，电流逐渐增大，磁感应强度变大，磨屑所受磁吸力变大，被聚集于接触区域的磨屑数量增多，并且在反复碾压研磨中不断细化、氧化、球化，逐渐形成三体效应，起到润滑与隔离的作用。随着持续施加磁场的作用，微小磨屑不断聚集，填补于表面微凹坑内，降低了接触面的粗糙程度，促使严重-轻微磨损的转变。同时随着表面粗糙度的降低，导电通道数量逐渐增多，接触电阻下降，电接触性能提升，列车受流质量增强。最终摩擦系数降低，磨损量减少；阶段三，较大电流持续施加磁场后，磨屑不断积累，一部分细小的氧化物颗粒被压实到基体压痕上形成一层连续的致密耐磨保护层，逐渐积累形成一层厚实的绝缘层，这使得弓网摩擦副摩擦系数保持较低水平，但接触电阻剧增，电接触质量大大降低。
本发明的有益效果：
1)本发明通过在列车顶部安置各传感器，对弓网动态摩擦系数及接触电阻进行实时监测，可以很方便的获取列车实时运行情况，进而对异常工况做出及时处理；
2)本发明通过在受电弓滑板托架正下方外加磁场调控模块，将实时采集数据与预设的摩擦系数、接触电阻阈值相比较，并通过PC服务器来调节多层密绕螺线管的电流强度，利用接触区域不同磁感应强度调控磨屑分布处于最优状态，从而改善弓网在长期运行中的严重摩擦磨损；
3)本发明只在受电弓上外加磁场调控模块及相应传感器，其他结构没有发生任何改变，有效地节约了成本，进一步提高了操作的便利性和可行性；
4)本发明通过PC服务器对螺线管所通电流进行调控，产生不同磁感应强度以调控磨屑逐渐填补于表面微凹坑内，降低接触面的粗糙程度，增多导电通道数量，降低接触电阻，提高了电接触特性及列车受流质量，从而实现弓网机械及电气的平衡。

Claims (9)

1.一种弓网接触副磨屑分布调控装置，其特征在于，包括磁场调控模块、环境数据采集模块和PC服务器；
所述磁场调控模块和环境数据采集模块均与所述PC服务器连接；
所述磁场调控模块包括电流传感器、线圈电流控制器、直流电源和多层密绕螺线管，且所述电流传感器和线圈电流控制器均与所述PC服务器连接，所述直流电源与所述线圈电流控制器连接；
所述环境数据采集模块包括均与PC服务器连接的力传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器。
2.根据权利要求1所述的弓网接触副磨屑分布调控装置，其特征在于，所述磁场调控模块，用于根据PC服务器发送的电流强度信号，在弓网摩擦副接触区域产生对应的磁感应强度，使接触区域内磨屑分布处于最优状态；
所述环境数据采集模块用于实时采集流经弓网接触面的电压和电流，以及弓网接触副受到的切向力和法向力；
所述PC服务器用于根据环境数据采集模块采集的数据，确定弓网的接触电阻和摩擦系数，进而确定发送给磁场调控模块的电流信号强度。
3.根据权利要求1所述的弓网接触副磨屑分布调控装置，其特征在于，所述磁场调控模块中包括三个多层密绕螺线管，均设置于滑板托架正下方；
每个所述多层密绕螺线管均设置有与之匹配的电流传感器和线圈电流控制器；
所述力传感器包括法向力传感器和切向力传感器，所述法向力传感器设置于受电弓滑板托架正下方，所述切向力传感器设置于受电弓滑板前侧；
所述霍尔电流传感器和霍尔电压传感器均设置于列车车顶取流处。
4.根据权利要求1所述的弓网接触副磨屑分布调控装置，其特征在于，所述磁场调控模块和环境数据采集模块与受电弓底架之间安装有耐高温绝缘装置及防护罩。
5.根据权利要求1所述的弓网接触副磨屑分布调控装置，其特征在于，所述电流传感器为型号为JXK-10VD的直流电流传感器；
所述线圈电流控制器为型号为AQMD3620NS的电流控制模块；
所述力传感器包括型号为QLTSC的高精度S力传感器和型号为QLMH-P的平膜盒压力传感器；
所述霍尔电流传感器为型号为ETCR030AD的交流电流传感器；
所述霍尔电压传感器为型号为JXAU-231的交流电压传感器。
6.一种弓网接触副磨屑分布调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过环境数据采集模块实时采集受电弓上的弓网动态参数，并将其传输至PC服务器；
S2、根据接收的弓网动态参数，通过PC服务器实时计算当前弓网的实际接触电阻和实际摩擦系数；
S3、通过PC服务器将计算得到的实际接触电阻和实际摩擦系数与对应阈值进行对比，进而判断是否调节磁场调控模块；
若是，则进入步骤S4；
若否，则返回步骤S1；
S4、根据对比结果确定弓网摩擦副的运行状态，并根据其调节多层密绕螺线管通入的电流大小，并发送至线圈电流控制器；
S5、通过线圈电流控制器向对应的多层密绕螺线管通入对应的电流，改变多层密绕螺线管产生的直流磁感应强度，进而改变接触区域的磨屑分布状态；
S6、重复步骤S1-S5，使弓网接触副磨屑始终处于最优分布状态，实现摩擦接触副磨屑调控。
7.根据权利要求6所述的弓网接触副磨屑分布调控方法，其特征在于，所述步骤S2中弓网的接触电阻R的计算公式为：
R＝U/I
式中，U为霍尔电压传感器采集的流经弓网接触面的电压数据；
I为霍尔电流传感器采集的流经弓网接触面的电流数据；
所述摩擦系数μ的计算公式为：
μ＝Fr/Fn
式中，Fr为切向力传感器采集的弓网接触副受到的切向力数据；
Fn为法向力传感器采集的弓网接触副受到的法向力数据。
8.根据权利要求6所述的弓网接触副磨屑分布调控方法，其特征在于，所述步骤S4中：
当实际摩擦系数μ大于摩擦系数阈值A1时，弓网摩擦副处于摩擦严重状态，使通入多层密绕螺线管中的电流按设定步长逐步增加；
当实际接触电阻R大于接触电阻阈值R1时，弓网摩擦副处于电接触较差状态，使通入多层密绕螺线管中的电流按设定步长逐步减小直到为零；
当计算得到的实际摩擦系数μ小于摩擦系数阈值A1且实际接触电阻R小于接触电阻阈值R1时，弓网摩擦副处于机械电气稳定状态，不改变通入多层密绕螺线管中的电流大小。
9.根据权利要求8所述的弓网接触副磨屑分布调控装置，其特征在于，所述步骤S5中，多层密绕螺线管产生的直流磁感应强度B为：
B＝u0urH
式中，u0为真空磁导率；
ur为材料的相对磁导率；
H为多层密绕螺线管的磁场强度，且H＝NI/a，N为多层密绕螺线管的线圈匝数，a为多层密绕螺线管的线圈厚度，I为电流传感器采集的线圈电流大小。
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