CN111623965B - 一种接触网吊弦疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接触网吊弦疲劳试验装置及方法。该装置包括：缓冲装置、直线电机、安装平台和可编程位移控制系统；所述缓冲装置的一端固定在固定装置上；所述安装平台设置在所述缓冲装置的正下方；待测吊弦设置在所述缓冲装置与所述安装平台之间；所述安装平台与所述直线电机的动子连接；所述可编程位移控制系统与所述直线电机的控制端连接；所述可编程位移控制系统用于获取高度时间对应曲线，控制所述直线电机按照所述高度时间对应曲线做直线运动，通过安装平台带动所述待测吊弦的一端沿垂向做直线周期运动。本发明通过直线电机精确控制吊弦一端的位移曲线，吊弦的另一端通过缓冲装置缓冲的方法，实现影响吊弦疲劳寿命参数的单独精确控制。

Description

一种接触网吊弦疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及接触网技术领域，特别是涉及一种接触网吊弦疲劳试验装置及方法。

背景技术

接触网是沿电气化铁路架设的，专门用于向电力机车或动车组提供电能的电能传输结构，其中，吊弦是接触网中用来连接承力索与接触线的关键部件，其主要作用是确定接触线在空间的位置。但在受电弓与接触网相互作用过程中，吊弦承受了复杂的载荷，为了研究和确认吊弦的服役寿命，需要开展定量的吊弦疲劳试验，且所开展疲劳试验的加载工况应尽量与现场工况吻合，在吊弦的实际工况中，吊弦边界条件由接触网系统结构、受电弓作用以及吊弦自身特性决定。吊弦的边界条件包括纵向绷紧瞬间速度、绷紧状态边界载荷、载荷保持时间、吊弦松弛状态两端速度差、加速度差等，每项边界条件的改变均可能引起吊弦单次振动周期内载荷历程变化，从而影响吊弦疲劳失效模式和疲劳寿命。

现有技术对吊弦进行疲劳试验主要有几下几种方式：

1、自由落体类：

专利201811543316.X所描述的吊弦疲劳试验机，吊弦下部采用配重自由落体。

专利201711043723.X所描述的吊弦疲劳试验装置，下部采用配重执行自由落体动作。

自由落体类吊弦疲劳试验方法存在的普遍技术缺陷是：1、自由落体受控于重力加速度，加速度不可变；2、配重块以自由落体方式绷紧吊弦后，其振动过程不受控，完全由系统弹性阻尼等固有参数确定，无法自由调整载荷保持时间。

2、电缸驱动类：

专利201811543356.4所描述的吊弦疲劳试验机，采用了上下电缸驱动，但未涉及绷紧瞬间速度和载荷保持时间等细节参数的控制。

3、旋转电机直连驱动类：

专利201910724625.5所描述的吊弦疲劳试验装置，采用下部旋转电机直连吊弦驱动方式，频率、力、绷紧速度、振幅等参数相互耦合，无法单独准确控制。

4、上部提拉下部配重块类：

专利201820245180.3所描述的吊弦试验机，采用上提拉驱动方式，带动下部坠砣抬升制造冲击力，其载荷保持时间不稳定，且吊弦绷紧速度与试验频率、振幅相耦合，无法单独控制。

专利201821481174.4所描述的吊弦冲击疲劳试验工装，采用上部提拉吊弦带动下部配重块运动的方式。其载荷保持时间不稳定，且吊弦绷紧速度与试验频率、振幅相耦合，无法单独控制。

5、局部位移驱动类：

专利201822080425.4所描述的吊弦弯曲微动疲劳试验装置，仅能模拟单一的吊弦失效模式，本质上不在吊弦整体疲劳失效试验方法讨论的范畴。

综上所述，现有技术主要仅围绕振幅、频率、载荷三个参数进行了吊弦疲劳试验装置的设计，这些设计不能真实的反应吊弦的现场工况，也不能实现单独准确地控制影响吊弦疲劳寿命的参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种接触网吊弦疲劳试验装置及方法，能够单独并准确控制影响吊弦疲劳寿命的参数。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种接触网吊弦疲劳试验装置，包括：缓冲装置、直线电机、安装平台和可编程位移控制系统；

所述缓冲装置的一端固定在固定装置上；所述安装平台设置在所述缓冲装置的正下方；待测吊弦设置在所述缓冲装置与所述安装平台之间；所述安装平台与所述直线电机的动子连接；

所述可编程位移控制系统与所述直线电机的控制端连接；所述可编程位移控制系统用于获取高度时间对应曲线，控制所述直线电机按照所述高度时间对应曲线做直线运动，通过安装平台带动所述待测吊弦的一端沿垂向做直线周期运动。

可选的，所述装置还包括：力传感器；

所述力传感器设置在所述待测吊弦与所述安装平台之间；

所述力传感器的信号输出端与所述可编程位移控制系统的输入端连接，所述力传感器用于采集所述待测吊弦的每个运动周期的多个动态力和所述直线电机的动子位于垂向最低点时的所述待测吊弦的静态拉伸状态力，并将所述待测吊弦的每个运动周期的多个动态力和所述静态拉伸状态力均传输至所述可编程位移控制系统；

所述可编程位移控制系统还用于计算所述待测吊弦在相邻运动周期中相同运动状态的动态力峰值差值，将所述动态力峰值差值与预设动态力峰值差值范围进行比较，得到动态力偏差控制信号，根据所述动态力偏差控制信号调整所述高度时间对应曲线上的所述待测吊弦处于绷紧状态的时间间隔；

所述可编程位移控制系统还用于将所述静态拉伸状态力与预设静态拉伸状态力进行比较，得到静态拉伸状态力偏移量，并根据所述静态拉伸状态力偏移量调整所述高度时间对应曲线的最低高度值。

可选的，所述缓冲装置包括：第一弹簧、第一固定平台、第一垂向移动平台、第一限位装置和第一碰撞缓冲装置；

所述第一弹簧的一端固定在所述第一固定平台的下表面，所述第一弹簧的另一端固定在所述第一垂向移动平台的上表面；所述待测吊弦设置在所述第一垂向移动平台的下表面与所述安装平台之间；

所述第一限位装置固定在所述第一弹簧的内部拉伸力为弹簧限位拉伸力时的第一垂向移动平台的上表面所在位置，所述第一碰撞缓冲装置设置在所述第一限位装置的下表面。

可选的，所述缓冲装置包括：第二弹簧、第二固定平台、第二垂向移动平台、多个纵向杆、横向连接杆、第二限位装置和第二碰撞缓冲装置；

所述第二弹簧的一端固定在所述第二固定平台的上表面，所述第二弹簧的另一端固定在所述第二垂向移动平台的下表面；所述第二垂向移动平台的下表面通过多个所述纵向杆与所述横向连接杆连接；所述待测吊弦设置在所述横向连接杆与所述安装平台之间；

所述第二限位装置固定在所述第二弹簧的内部拉伸力为弹簧限位压缩力时，所述横向连接杆的上方，所述第二限位装置通过所述第二碰撞缓冲装置与所述横向连接杆接触。

可选的，所述装置还包括：编码器；

所述编码器设置在所述直线电机上；

所述编码器的信号输出端与所述可编程位移控制系统的输入端连接；所述编码器用于采集所述直线电机的位移，将所述位移转换成位移信号，并将所述位移信号传输至所述可编程位移控制系统。

一种接触网吊弦疲劳试验方法，所述方法包括：

获取高度时间对应曲线；

控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，进行吊弦疲劳试验。

可选的，在所述获取高度时间对应曲线之后，还包括：

控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，获取所述待测吊弦在每个运动周期中绷紧状态的多个动态力；

根据每个所述运动周期中绷紧状态的多个动态力，得到每个所述运动周期中绷紧状态的多个动态力峰值；

根据每个所述运动周期中绷紧状态的多个动态力峰值，得到相邻运动周期中相同运动状态的动态力峰值差值；

判断所述动态力峰值差值是否在预设动态力峰值差值范围内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述动态力峰值差值不在预设动态力峰值差值范围内，则调整所述高度时间对应曲线上的所述待测吊弦处于绷紧状态的时间间隔，得到修正后的高度时间对应曲线，返回步骤“控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，获取所述待测吊弦的每个运动周期的多个动态力”；

若所述第一判断结果表示所述动态力峰值差值在预设动态力峰值差值范围内，则输出高度时间对应曲线。

可选的，在所述控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，进行吊弦疲劳试验之后，还包括：

调整高度时间对应曲线的最低高度值使所述直线电机的动子位于垂向最低点时的所述待测吊弦的静态拉伸状态力等于预设静态拉伸状态力。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用的直线电机具有高速响应、高精度控制位移、高精度控制速度、高精度控制加速度、推力大、寿命非常高的优点，直线电机带动待测吊弦的一端可以精确执行高度时间对应曲线，通过调整高度时间对应曲线中的任意时间间隔、高度或者斜率，可实现对吊弦纵向绷紧速度、载荷保持时间、纵向松弛速度、吊弦松弛量、吊弦内部载荷等影响吊弦疲劳寿命参数的独立控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的接触网吊弦疲劳试验装置的结构图；

图2为本发明提供的拉伸式缓冲装置的结构图；

图3为本发明提供的压缩式缓冲装置的结构图；

图4为本发明提供的高度时间对应曲线的曲线图；

图5为本发明提供的接触网吊弦疲劳试验方法的流程图；

图6为一种待测吊弦的结构图；

符号说明：1-缓冲装置，2-直线电机，3-安装平台，4-可编程位移控制系统，5-力传感器，6-待测吊弦，7-第一弹簧，8-第一固定平台，9-第一垂向移动平台，10-第一限位装置，11-第一碰撞缓冲装置，12-第二弹簧，13-第二固定平台，14-第二垂向移动平台，15-纵向杆，16-横向连接杆，17-第二限位装置，18-第二碰撞缓冲装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种接触网吊弦疲劳试验装置及方法，能够单独并准确控制影响吊弦疲劳寿命的参数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的接触网吊弦疲劳试验装置的结构图。如图1所示，该装置包括：缓冲装置1、直线电机2、安装平台3和可编程位移控制系统4。

缓冲装置1的一端固定在固定装置上。安装平台3设置在缓冲装置1的正下方。待测吊弦6设置在缓冲装置1与安装平台3之间。安装平台3与直线电机2的动子连接。优选地，缓冲装置1为弹性阻尼元件。

可编程位移控制系统4与直线电机2的控制端连接。可编程位移控制系统4用于获取高度时间对应曲线，高度时间对应曲线由多段曲线组成，控制直线电机2按照高度时间对应曲线做直线运动，通过安装平台3带动待测吊弦6的一端沿垂向做直线周期运动。优选地，可编程位移控制系统4通过若干供电与通信电缆和直线电机2连接。

试验装置还包括：力传感器5。力传感器5设置在待测吊弦6与安装平台3之间。

力传感器5的信号输出端与可编程位移控制系统4的输入端连接，力传感器5用于采集待测吊弦6的每个运动周期的多个动态力和直线电机2的动子位于垂向最低点时的待测吊弦6的静态拉伸状态力，并将待测吊弦6的每个运动周期的多个动态力和静态拉伸状态力均传输至可编程位移控制系统4。

可编程位移控制系统4还用于计算待测吊弦6在相邻运动周期中相同运动状态的动态力峰值差值，将动态力峰值差值与预设动态力峰值差值范围进行比较，得到动态力偏差控制信号，根据动态力偏差控制信号调整高度时间对应曲线上的待测吊弦6处于绷紧状态的时间间隔。

可编程位移控制系统4还用于将静态拉伸状态力与预设静态拉伸状态力进行比较，得到静态拉伸状态力偏移量，并根据静态拉伸状态力偏移量调整高度时间对应曲线的最低高度值。

本发明提供了两种缓冲装置1，一种为拉伸式缓冲装置，另一种为压缩式缓冲装置。两种不同的缓冲装置对于吊弦疲劳试验来说，达到的目的和效果一致。

如图2所示，拉伸式缓冲装置包括：第一弹簧7、第一固定平台8、第一垂向移动平台9、第一限位装置10和第一碰撞缓冲装置11。

第一弹簧7的一端固定在第一固定平台8的下表面，第一弹簧7的另一端固定在第一垂向移动平台9的上表面。第一固定平台8通过金属框架或其他方式与地面固定。第一垂向移动平台9仅可以作垂向运动，不可在竖直平面旋转，也不可在水平面旋转。

待测吊弦6设置在第一垂向移动平台9的下表面与安装平台3之间。

第一限位装置10固定在第一弹簧7的内部拉伸力为弹簧限位拉伸力时的第一垂向移动平台9的上表面所在位置，优选地，弹簧限位拉伸力为70N，第一限位装置10稳定地固定于空间中特定位置。

第一碰撞缓冲装置11设置在第一限位装置10的下表面。第一碰撞缓冲装置11采用类似橡胶块的软质材料，防止在第一垂向移动平台9碰撞第一限位装置10时产生过大冲击及过大噪音。

优选地，第一垂向移动平台9为理想的连接件，质量为0。第一弹簧7与第一垂向移动平台9为刚性连接，且仅具有垂向运动的自由度，无任何旋转自由度，所以，可以将第一弹簧7与第一垂向移动平台9的总质量设置一个集中质量，将各部分总质量集中为m₀。

如图3所示，压缩式缓冲装置包括：第二弹簧12、第二固定平台13、第二垂向移动平台14、多个纵向杆15、横向连接杆16、第二限位装置17和第二碰撞缓冲装置18。

第二弹簧12的一端固定在第二固定平台13的上表面，第二弹簧12的另一端固定在第二垂向移动平台14的下表面。第二垂向移动平台14的下表面通过多个纵向杆15与横向连接杆16连接。待测吊弦6设置在横向连接杆16与安装平台3之间。多个纵向杆15也只能作垂向运动。

第二限位装置17固定在第二弹簧12的内部拉伸力为弹簧限位压缩力时，横向连接杆16的上方，第二限位装置17通过第二碰撞缓冲装置18与横向连接杆16接触。

市面上待测吊弦的种类有很多，图6为一种待测吊弦的结构图，本发明中的待测吊弦并不限于图6所示的待测吊弦的结构。如图6所示，一种待测吊弦包括：吊弦主线、吊弦连接承力索的结构和吊弦连接接触线的结构。吊弦连接承力索的结构包括：吊弦承力索线夹、吊弦承力索吊环、心形环及不锈钢护套、压接管和载流环。吊弦连接接触线的结构包括：吊弦接触线线夹、吊弦接触线吊环、心形环及不锈钢护套、压接管和载流环。优选地，本发明中的待测吊弦定义为弦承力索线夹与承力索的接触面到吊弦接触线线夹与接触线的接触面。

试验装置还包括：编码器；编码器设置在直线电机2上；编码器的信号输出端与可编程位移控制系统4的输入端连接；编码器用于采集直线电机2的位移，将位移转换成位移信号，并将位移信号传输至可编程位移控制系统4。

本发明采用的直线电机具有高速响应、高精度控制位移、高精度控制速度、高精度控制加速度、推力大、寿命非常高的优点，直线电机带动待测吊弦的一端可以精确执行高度时间对应曲线；吊弦的另一端连接缓冲装置，缓冲装置对吊弦疲劳试验中待测吊弦的运动进行缓冲，使吊弦内部载荷由弹簧刚度、弹簧限位载荷、弹簧静态拉伸状态力和高度时间对应曲线共同控制；通过单独调整高度时间对应曲线中的任意时间间隔、高度或者斜率，可实现对吊弦纵向绷紧速度、载荷保持时间、纵向松弛瞬间速度、吊弦松弛量、吊弦内部载荷等影响吊弦疲劳寿命参数的独立控制。

本发明对应于上述装置还提供了一种接触网吊弦疲劳试验方法，如图5所示，试验方法包括：

S501，获取高度时间对应曲线。所获取的获取高度时间对应曲线如图4所示。

S502，控制直线电机2按照高度时间对应曲线带动待测吊弦6沿着垂向做直线周期运动，进行吊弦疲劳试验。

以压缩式缓冲装置1进行吊弦疲劳试验为例，详细说明高度时间对应曲线与待测吊弦6的运动状态的对应关系，如图3和图4所示：

图3中的S0状态代表第二弹簧12空载，第二垂向移动平台14处于最高点。

图3中的S1状态增加了第二限位装置17，此时第二弹簧12轻微压缩，第二限位装置17内承受弹簧压缩产生的压力，即弹簧限位压缩力，此时的第二垂向移动平台14位置作为后续吊弦疲劳试验的最高位置，设置第二限位装置17的目的是在后续吊弦疲劳试验过程中，第二垂向移动平台14在吊弦处于松弛状态时保持稳定，不产生持续的自由上下自由振荡，此时待测吊弦6安装在横向连接杆16上，下部在串联力传感器5后，固定于直线电机2上。

图3中的S1～S5步骤为待测吊弦6执行疲劳试验的步骤，疲劳试验执行过程中，直线电机2提供试验驱动力，直线电机2执行的高度时间对应曲线如图4所示。

其中，S1状态对应高度时间对应曲线位于I点，向上运行，接下来第二垂向移动平台14被第二限位装置17限位，待测吊弦6进入松弛阶段，到S2位置时，直线电机2的动子达到位移最高点，即高度时间对应曲线上的K点，由于曲线中A点到K点为一个完整周期，所以K点的物理意义即为A点的物理意义。

直线电机2的动子位置保持，到达B点后，待测吊弦6开始进入绷紧过程，到S3状态时，对应曲线上D点，此时待测吊弦6处于松弛与绷紧的临界状态，该状态的待测吊弦6两端速度差即为“吊弦纵向绷紧瞬间速度”，对于本试验方法，该“吊弦纵向绷紧瞬间速度”即为直线电机2的动子纵向位移至D点时的纵向速度。吊弦纵向绷紧瞬间速度可通过单独修改高度时间对应曲线上D点的斜率控制直线电机2实际执行时的下落速度，实现了独立控制吊弦纵向绷紧瞬间速度。

从D点开始，直线电机2的动子通过继续向下运动，带动受载状态的待测吊弦6继续向下运动，从而使第二垂向移动平台14向下运动，并压缩第二弹簧12，横向连接杆16离开限位装置，待测吊弦6进入受载状态。理论上是到达D点的瞬间开始压缩第二弹簧12，同时待测吊弦6开始有载荷，但实际上，待测吊弦6在不受力状态下有点弯曲，拉伸时先用一些力把待测吊弦6拉直，后面的拉伸才是真正受力的状态，所以，在实际操作时，定义吊弦拉伸载荷为50N时，待测吊弦6处于绷紧状态，即D点。

待测吊弦6状态变为S4时，直线电机2的动子达到纵向位移的最低点，对应高度时间对应曲线的F至G点。在此期间，待测吊弦6持续受载，通过G点后，直线电机2的动子向上返回，至I点时，完成1个试验周期，此时待测吊弦6的状态为S5状态，对该状态的描述同对S1状态的描述。

图4的高度时间对应曲线中，A点和B点之间为直线，其高度h_A为吊弦压缩量，即吊弦两端间距较绷紧状态的最大缩小量，A点和B点间的间距代表该段曲线保持时间，取值范围为：t_S≥0。因此，通过单独调整高度时间对应曲线的高度h_A，可实现对吊弦压缩量的独立控制；通过单独调整高度时间对应曲线的A点和B点间的时间间隔，可实现对吊弦压缩量的保持时间的单独控制。

B点和C点间为直线电机2的动子加速段，其中B点速度为0，C点速度为v_D，B点和C点间的加速曲线可为抛物线(匀加速直线运动)，也可为其他曲线(变加速直线运动)。由于C点的速度为高度时间对应曲线上的C点斜率，因此，可通过单独调整高度时间对应曲线上的C点斜率，实现对C点的速度的独立控制。

C点到E点为直线段，代表直线电机2的动子以匀速直线运动方式运行，运行速度为v_D，该段起点和终点高度要求为：h_D1≥h_D2，具体取值需要根据实际试验要求确定；为了确保吊弦绷紧瞬间速度的稳定，D点(曲线向下过零点)一般位于C点和E点之间，根据试验需求，D点也可位于C点和E点的高度范围之外或者C点和E点的时间范围之外。

E点到F点代表直线电机2的动子减速段，速度从v_D减速至0，减速方式可为抛物线或其他曲线。

F点到G点为直线电机2的动子在最低点的保持时间段，该段的高度h_L为整个周期内的最低值。在静态时，对应缓冲装置1压缩量的最大值，F点到G点的保持时间t_L2的取值范围为t_L2≥0。

G点到H点代表直线电机2的动子加速段，速度从0加速至v_U，v_U为H点的速度，加速方式可为抛物线或其他曲线。

H点到J点为直线段，代表直线电机2的动子以匀速直线运动方式运行，运行速度为v_U。该段终点和起点高度要求为：h_U2≥h_U1，具体取值需要根据实际试验要求确定。I点(曲线向上过零点)可位于H点和J点之间，也可位于H点和J点的高度范围之外或者H点和J点的时间范围之外。I点对应的状态为待测吊弦6处于绷紧与松弛的临界状态，该状态的待测吊弦6两端速度差即为“吊弦纵向松弛瞬间速度”，对于本试验方法，该“吊弦纵向松弛瞬间速度”即为直线电机2的动子纵向位移至I点时的纵向速度。吊弦纵向松弛瞬间速度可通过单独修改高度时间对应曲线上I点的斜率控制直线电机2实际执行时的上升速度，实现了独立控制吊弦纵向松弛瞬间速度。

J点到K点为直线电机2的动子减速段，速度从v_U减速至0，减速方式可为抛物线或其他曲线。

上述关键点中，从D点到I点的时间为吊弦载荷保持时间，即t_L，由t_L1、t_L2、t_L3组合而成。因此，通过单独调整高度时间对应曲线上t_L的时间，可实现对吊弦载荷保持时间的独立控制。调整t_L时间的方式为调整t_L1、t_L2、t_L3任意一个或几个的时间。

在上述对单个周期的描述中，起始状态可为1个周期内的任意状态，即曲线上任意位置作为起点均可以。

吊弦疲劳试验中还有一个重要的参数--吊弦内部载荷，可通过控制弹簧刚度、弹簧限位载荷、弹簧静态拉伸状态力、吊弦纵向绷紧瞬间速度、载荷保持时间、甚至是m₀来控制吊弦内部最大载荷及吊弦内部载荷历程(吊弦载荷随时间变化的曲线)。因此，通过单独调整弹簧刚度、弹簧限位载荷、弹簧静态拉伸状态力、吊弦纵向绷紧瞬间速度、载荷保持时间、m₀中的一个或几个，实现对吊弦内部载荷的独立控制。

可见，本发明可独立控制吊弦纵向绷紧瞬间速度、载荷保持时间、纵向松弛瞬间速度、吊弦松弛量和吊弦内部载荷，一方面，可使吊弦疲劳试验的工况更加接近现场工况。另一方面，结合直线电机2精准执行高度时间对应曲线，可使影响吊弦疲劳寿命的细化工况更加精准和独立控制，从而再现吊弦不同失效模式及其对应寿命。吊弦失效模式主要有吊弦主线断裂(主线各个位置都属于此类)、吊弦心形环线索断裂、吊弦载流环断裂、心形环不锈钢护套断裂和吊环断裂。

在吊弦疲劳试验过程中，如图4所示，待测吊弦6在D点和I点处于绷紧状态，在此期间，吊弦线会持续多次横向振动，这个原理类似乐器琴弦的原理，两端受力，中间拨动，即可持续振动，直到I点力卸载后停止振动。

所以，在吊弦松弛的瞬间(I点)，吊弦的横向位置基本上决定了吊弦在松弛后往哪个方向松弛，I点到K点的松弛方向(比如向左松弛)基本就是A点到D点的松弛方向(持续向左，因为曲线是连续的)，不同的松弛方向又会反过来影响D点到I点的绷紧振动过程，进而影响再次经过I点时，吊弦的运行方向，即可能向右松弛。

大量经验得出，即使系统对高度时间对应曲线的执行非常稳定，吊弦仍然会出现松弛方向忽左忽右、忽前忽后的情况，如果实验中吊弦出现这样无规律的乱甩，则力曲线会非常不稳定，不但每个周期重复的吊弦载荷历程不吻合，而且吊弦载荷最大值也可能相差巨大，这不利于疲劳试验的稳定性。

为了解决这个问题，本发明提出了一种方案，通过改变D到I点的耗时，可以控制I点的松弛方向，从而使吊弦每次都向相同的方向松弛，从而显著改善每个周期的吊弦载荷稳定性，这个功能可通过软件自动执行，执行方法如下：

控制直线电机2按照高度时间对应曲线带动待测吊弦6沿着垂向做直线周期运动，获取待测吊弦6在每个运动周期中绷紧状态的多个动态力。

根据每个运动周期中绷紧状态的多个动态力，得到每个运动周期中绷紧状态的多个动态力峰值。

根据每个运动周期中绷紧状态的多个动态力峰值，得到相邻运动周期中相同运动状态的动态力峰值差值。

判断动态力峰值差值是否在预设动态力峰值差值范围内，得到第一判断结果。

若第一判断结果表示动态力峰值差值不在预设动态力峰值差值范围内，则调整高度时间对应曲线上的待测吊弦6处于绷紧状态的时间间隔，得到修正后的高度时间对应曲线，返回步骤“控制直线电机2按照高度时间对应曲线带动待测吊弦6沿着垂向做直线周期运动，获取待测吊弦6的每个运动周期的多个动态力”。

其中，调整高度时间对应曲线上的待测吊弦6处于绷紧状态的时间间隔具体可以调整图4中的F点到G点的耗时，也可以调整E点到F点(减速段)和G点到H点(加速段)的耗时。

若第一判断结果表示动态力峰值差值在预设动态力峰值差值范围内，则输出高度时间对应曲线。

吊弦在执行疲劳试验过程中，绞线内部会发生变化，导致吊弦线逐渐拉长，这是吊弦的固有特性，虽然拉长量非常微小，但在试验方法中，一旦吊弦变长，吊弦拉伸(或压缩)弹簧时，拉伸(或压缩)量就比原来小，从而使吊弦内部力变化(一般是变小)。

因此，在步骤S502之后，通过以下方法可修正吊弦载荷历程，具体包括：

将直线电机2的动子停止在垂向的最低点位置，待测吊弦6处于拉伸(或压缩)弹簧的状态，且系统保持静止，获取直线电机2的动子位于垂向最低点时的待测吊弦6的静态拉伸状态力。

将静态拉伸状态力与预设静态拉伸状态力进行比较，若静态拉伸状态力与预设静态拉伸状态力不相等，则获取静态拉伸状态力与预设静态拉伸状态力之间的偏差，根据偏差，可编程位移控制系统4控制直线电机2的动子运动微小的距离，即，修正了高度时间对应曲线。

按照修正了的高度时间对应曲线，继续执行吊弦疲劳试验。

若静态拉伸状态力与预设静态拉伸状态力相等，则继续执行吊弦疲劳试验。

以上过程全自动化，无需人员干预。

为了满足本发明的使用需求，必须满足以下条件：1、高速响应、高精度位移、速度、加速度控制；2、推力要满足曲线要求，曲线中的加速度虽然由直线驱动装置的驱动能力决定，但电机推力越大，曲线执行耗时越短，进而试验效率越高；3、要求直线驱动装置寿命非常高，一般要超过1亿次往返仍能满足使用要求。本发明采用的直线电机2可满足以上所有条件，因此，直线电机2可精确控制运动位移，对所承担载荷有足够容纳能力，实际执行位移与计划执行位移高度一致，这是实现精确高度时间对应曲线的基础。

采用本发明提出的高度时间对应曲线，可实现精确控制吊弦纵向绷紧瞬间速度、吊弦载荷保持时间、吊弦松弛瞬间纵向速度、吊弦压缩量、吊弦内部载荷等可能影响吊弦疲劳失效模式和疲劳寿命的关键工况指标。

若在试验中确定只有个别关键工况指标对疲劳有决定性影响，则其他工况指标可灵活调整耗时，从而可以实现对实验频率的改变，即突破原有吊弦疲劳试验方法中试验频率会大幅影响试验结果的现状。

本发明的力传感器5安装于吊弦下端与直线电机2之间，通过试验证明，力传感器5在该位置所测量得到的载荷与吊弦内部瞬态载荷在吊弦绷紧状态下任意时刻的误差在10％以内，足够反映吊弦线上的瞬态拉伸载荷。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种接触网吊弦疲劳试验装置，其特征在于，包括：缓冲装置、直线电机、安装平台、可编程位移控制系统和力传感器；

所述缓冲装置的一端固定在固定装置上；所述安装平台设置在所述缓冲装置的正下方；待测吊弦设置在所述缓冲装置与所述安装平台之间；所述安装平台与所述直线电机的动子连接；

所述可编程位移控制系统与所述直线电机的控制端连接；所述可编程位移控制系统用于获取高度时间对应曲线，并控制所述直线电机按照所述高度时间对应曲线做直线运动，通过安装平台带动所述待测吊弦的一端沿垂向做直线周期运动；

所述力传感器设置在所述待测吊弦与所述安装平台之间；

所述力传感器的信号输出端与所述可编程位移控制系统的输入端连接，所述力传感器用于采集所述待测吊弦的每个运动周期的多个动态力和所述直线电机的动子位于垂向最低点时的所述待测吊弦的静态拉伸状态力，并将所述待测吊弦的每个运动周期的多个动态力和所述静态拉伸状态力均传输至所述可编程位移控制系统；

所述可编程位移控制系统还用于计算所述待测吊弦在相邻运动周期中相同运动状态的动态力峰值差值，将所述动态力峰值差值与预设动态力峰值差值范围进行比较，得到动态力偏差控制信号，根据所述动态力偏差控制信号调整所述高度时间对应曲线上的所述待测吊弦处于绷紧状态的时间间隔；

所述可编程位移控制系统还用于将所述静态拉伸状态力与预设静态拉伸状态力进行比较，得到静态拉伸状态力偏移量，并根据所述静态拉伸状态力偏移量调整所述高度时间对应曲线的最低高度值。

2.根据权利要求1所述的接触网吊弦疲劳试验装置，其特征在于，所述缓冲装置包括：第一弹簧、第一固定平台、第一垂向移动平台、第一限位装置和第一碰撞缓冲装置；

所述第一弹簧的一端固定在所述第一固定平台的下表面，所述第一弹簧的另一端固定在所述第一垂向移动平台的上表面；所述待测吊弦设置在所述第一垂向移动平台的下表面与所述安装平台之间；

所述第一限位装置固定在所述第一弹簧的内部拉伸力为弹簧限位拉伸力时的第一垂向移动平台的上表面所在位置，所述第一碰撞缓冲装置设置在所述第一限位装置的下表面。

3.根据权利要求1所述的接触网吊弦疲劳试验装置，其特征在于，所述缓冲装置包括：第二弹簧、第二固定平台、第二垂向移动平台、多个纵向杆、横向连接杆、第二限位装置和第二碰撞缓冲装置；

所述第二弹簧的一端固定在所述第二固定平台的上表面，所述第二弹簧的另一端固定在所述第二垂向移动平台的下表面；所述第二垂向移动平台的下表面通过多个所述纵向杆与所述横向连接杆连接；所述待测吊弦设置在所述横向连接杆与所述安装平台之间；

所述第二限位装置固定在所述第二弹簧的内部拉伸力为弹簧限位压缩力时，所述横向连接杆的上方，所述第二限位装置通过所述第二碰撞缓冲装置与所述横向连接杆接触。

4.根据权利要求1所述的接触网吊弦疲劳试验装置，其特征在于，所述装置还包括：编码器；

所述编码器设置在所述直线电机上；

所述编码器的信号输出端与所述可编程位移控制系统的输入端连接；所述编码器用于采集所述直线电机的位移，将所述位移转换成位移信号，并将所述位移信号传输至所述可编程位移控制系统。

5.一种接触网吊弦疲劳试验方法，应用于权利要求1-4任一项所述的接触网吊弦疲劳试验装置，其特征在于，所述方法包括：

获取高度时间对应曲线；

控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，获取所述待测吊弦在每个运动周期中绷紧状态的多个动态力；

根据每个所述运动周期中绷紧状态的多个动态力，得到每个所述运动周期中绷紧状态的多个动态力峰值；

根据每个所述运动周期中绷紧状态的多个动态力峰值，得到相邻运动周期中相同运动状态的动态力峰值差值；

判断所述动态力峰值差值是否在预设动态力峰值差值范围内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述动态力峰值差值不在预设动态力峰值差值范围内，则调整所述高度时间对应曲线上的所述待测吊弦处于绷紧状态的时间间隔，得到修正后的高度时间对应曲线，返回步骤“控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，获取所述待测吊弦的每个运动周期的多个动态力”；

若所述第一判断结果表示所述动态力峰值差值在预设动态力峰值差值范围内，则输出高度时间对应曲线；

控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，进行吊弦疲劳试验。

6.根据权利要求5所述的接触网吊弦疲劳试验方法，其特征在于，在所述控制直线电机按照所述高度时间对应曲线带动待测吊弦沿着垂向做直线周期运动，进行吊弦疲劳试验之后，还包括：

调整高度时间对应曲线的最低高度值使所述直线电机的动子位于垂向最低点时的所述待测吊弦的静态拉伸状态力等于预设静态拉伸状态力。

Images