CN112129445B - 一种弓网接触力在线测试方案 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种弓网接触力在线测试方案，先建立实验模型；在受电弓背面的弓头簧片上沿Y轴方向间隔布置传感器，在滑板上搭置夹具然后在夹具中心悬挂砝码，实时记录各测点的光栅波长；得到静态加载时不同载荷下的静态接触力变化规律；然后在弓头簧片上布置光纤应变片传感器，在受电弓前方布置高速相机，得到静态接触力；通过单向加速度传感器先计算出受电弓头的惯性力即可在线计算出其动态接触力。本发明提出了在弓头簧片处安装应变传感器的方案，既可得到更高的敏感度，又可避免滑板定期更换的影响。利用光测数字散斑相关方法，可实现加载过程中任一时刻接触点位置的直接测量，结合测点应变值，可直接反推出接触力，无需对滑板实体结构进行简化。
Description
技术领域
本发明涉及电力列车领域，具体涉及一种能够精确测量出弓网接触力的在线测试方案。
背景技术
当列车高速运行时，受电弓弓头滑板与接触网动态接触，此时受电弓作用到架空接触网上会产生垂向的弓网接触力。弓网接触力是弓网间耦合作用的直接反映，可作为评估弓网受流质量和弓头滑板磨损寿命、诊断接触网局部缺陷的直接依据。弓网接触力过大，会加剧弓头滑板、接触线等部件的机械磨损，降低弓网系统的使用寿命；接触力过小，会增大接触电阻，造成电能浪费，甚至产生离线和电弧烧损。为了定量分析高速列车运行过程中的受流质量，有效评估弓网系统设计参数的匹配关系，弓网系统动态接触力的在线实时监测成为亟待解决的关键问题之一。
现有测量静态接触力Fc0较为常用的方法有两类。第一类方法，通过对弓头局部结构的改造，如滑板与支撑装置的连接处或弓头转轴等，实现在滑板与支撑装置之间可安装压力传感器，直接测出二者间的作用力Fs，减去重力 mg，即可得静态接触力Fc0。一般来说，不同受电弓的弓头结构不一样，相应地，需要设计不同的局部改造方案及与其匹配的压力传感器。此外，改造弓头部件，对受电弓原有结构会造成不同程度的影响甚至破坏，可能给长期在线监测带来安全隐患。
第二类方法，不需要改造弓头结构，在受电弓滑板托架背面或内部布置应变传感器，测量测点处的弯曲应变。假设滑板可简化为等截面、等刚度的简支梁，根据材料力学推导出静态接触力Fc0-接触点位置x-测点应变之间的解析表达，通过测量两个及以上测点处的弯曲应变，即可反推出Fc0。事实上，碳滑板沿其长度方向并非等截面，而是中部宽、两端窄；滑板两端由弹簧支座支撑，在接触力作用下，两端支座会产生垂向位移，且支座的垂向位移随接触点位置移动发生改变。因此，基于滑板实体结构的等截面、等刚度、两端简支梁近似，得到的Fc0-x-测点应变之间的关系，与实际情况存在差异。此外，由于高速运行的持续磨损，弓头滑板的最大服役里程约20万公里，需要定期更换。这将导致安装于弓头滑板处的应变传感器及其连线的更换和重新安装，增大线路监测的成本。
发明内容
本文发明的目的是提供一种能够精确测量出弓网接触力的在线测试方案。
具体地，本发明提供一种弓网接触力在线测试方案，包括如下步骤：
步骤100，建立与实际受电弓弓头滑板与接触网一致的实验模型；
步骤200，在受电弓的弓头簧片上沿Y轴方向布置传感器，然后将受电弓升至与接触网静态接触的状态；在两个滑板上搭置一个夹具，再在两个滑板之间的夹具中心悬挂砝码，并进行梯度加载，同时利用光栅解调仪，实时记录各测点的光栅波长；
步骤300，分析传感器波长增量均值随静态接触力的变化关系，即可得到静态加载时不同载荷下的静态接触力变化规律；
步骤400，在受电弓背面的弓头簧片上布置光纤应变片传感器，获取接触力应变响应，在受电弓前方布置高速相机，获取接触点在滑板上往复滑动的图像序列，基于数字散斑相关方法，计算得到任一时刻接触点距离中轴的距离，在任一时刻，利用接触点位置、光纤应变传感器输出的波长变化量的均值，代入静态接触标定关系式，即可得到静态接触力；
步骤500，在受电弓背面的弓头簧片上分别粘贴一个单向加速度传感器，以获得相应测点处的垂向加速度，然后计算出受电弓头的惯性力，即可在线计算出受电弓头的动态接触力。
本发明结合光纤应变传感、电测加速度传感和光测数字散斑相关技术，发展了弓网动态接触力时间序列的测试分析技术。提出了在弓头簧片处安装应变传感器的可行方案，相比于现有文献中将应变传感器安装于弓头滑板处，在弓头簧片处安装应变传感器，既具有对静态接触力改变更高的敏感度，又避免了滑板定期更换对传感器带来的影响。同时，利用光测数字散斑相关方法，实现了加载过程中任一时刻接触点位置的直接测量，避免了通过滑板实体结构简化建模，获得接触力、接触点位置、测点应变值之间关系带来的误差。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的受电弓受力分析示意图；
图2是本发明一个实施方式的在线测试方案流程示意图；
图3是本发明一个实施方式的传感器安装位置示意图；
图4是本发明一个实施方式的接触点位置与测点波长的变化关系示意图；
图5是本发明一个实施方式的动态实验结果，其中，运行速度为：(a)80 km/h；(b)160km/h。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。
在本发明的一个实施方式中，提供一种弓网接触力在线测试方案。
如图1所示，基于受电弓弓头空间力系平衡原理，弓网接触力Fc＝Fs-mg +Finer+Faero。式中，Fs为弓头滑板与支撑装置之间的相互作用力之和，m为弓头质量，g为重力加速度，Finer为弓头惯性力，Faero为气动力。当列车静止时，Finer＝0，Faero＝0，则有静态接触力Fc0＝Fs-mg。静态接触力与受电弓的气囊力、接触网张力等因素有关。当列车运行时，车体振动、接触网振动和气流等会导致受电弓在垂向振动，产生弓头惯性力Finer。一般在弓头上安装加速度传感器，测量弓头垂向加速度，乘以弓头质量，计算弓头惯性力 Finer。
如图2所示，基于前述原理，本发明的在线测试方案包括如下步骤：
步骤100，建立与实际受电弓弓头滑板与接触网一致的实验模型；
该实验模型可以完全模拟实际受电弓的结构及其与电网接触的状态。
步骤200，在受电弓的弓头簧片上沿Y轴方向布置传感器，然后将受电弓升至与接触网静态接触的状态；在两个滑板上搭置一个夹具，再在两个滑板之间的夹具中心悬挂砝码，并进行梯度加载，同时利用光栅解调仪，实时记录各测点的光栅波长；
在受电弓头滑板托架背面和簧片处安装光纤应变传感器，通过静力加载实验，获得了Fc0-x-测点应变值的实验标定曲线。静态实验结果表明，相比安装于滑板铝合金托架背面的光纤应变传感器，安装于受电弓头簧片处的应变传感器对静态接触力的敏感度更高。
如图3所示，本方案针对CED160L型地铁受电弓，进行准静态加载实验。在受电弓弓头布置2个SMF-28e型光纤应变传感器，光栅长度10mm。No.1 和No.2传感器安装在接触力作用时产生较大变形的簧片背面，沿y方向粘贴。
本方案中，每一个加载步稳定20s，夹具质量为0.07kg，夹具质量和砝码质量之和乘以重力加速度，即为施加于受电弓头上的静态接触力Fc0。砝码质量依次为5.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、14.0和16.0kg，接触点距对称轴距离x依次取0、±50、±100、±150、±200、±250mm。利用FAZ Technology I4型光栅解调仪，实时记录各测点的光栅波长λ，波长测量精度为1pm，采样频率为250Hz，获得不同接触点位置x下，各测点光栅波长λ、静态接触力Fc0的时间序列。计算任一接触点位置x、任一静态接触力Fc0时，各测点的光栅波长增量Δλ。
步骤300，分析传感器波长增量均值随静态接触力的变化关系，即可得到静态加载时不同载荷下的静态接触力变化规律；
针对CED160L受电弓，将传感器布置于簧片处，对静态接触力变化更加敏感。同时，由于列车运行时滑板与接触网磨损，滑板需要定期更换，将传感器布置于不会更换的受电弓头簧片处更利于长期线路监测。
图4为No.1和No.2传感器波长增量均值Δλh随静态接触力Fc0的变化关系。将实验得到的Fc0和Δλh分除以100N和10-10m，二者满足二次函数，
Fc0(x,Δλh)＝A(x)Δλh 2+B(x)Δλh+C(x) (1)
式中，系数A、B、C与接触点位置x有关，利用最小二乘法拟合实验数据确定，拟合曲线如图中细实线所示；拟合结果的可决系数R2为0.999 (表1)，接近1，说明拟合曲线对实测值的拟合度很高。
弓网动态接触过程中，测出每一时刻的接触点位置x、测点波长变化量Δλh，代入Fc0(x,Δλh)关系式(1)，即可计算静态接触力Fc0。当x位于表1中相邻值之间时，可通过线性差值计算。
表1静态标定关系的拟合系数
| x(mm) | A | B | C | R<sup>2</sup> |
| 250 | -0.3663 | 1.5514 | 0.0169 | 0.9994 |
| 200 | -0.3807 | 1.6035 | 0.0104 | 0.9993 |
| 150 | -0.4100 | 1.6776 | 0.0050 | 0.9995 |
| 100 | -0.3845 | 1.6564 | 0.0019 | 0.9997 |
| 50 | -0.3945 | 1.6927 | 0.0005 | 0.9998 |
| 0 | -0.3849 | 1.6643 | 0.0024 | 0.9997 |
| -50 | -0.3604 | 1.6584 | 0.0026 | 0.9999 |
| -100 | -0.2989 | 1.5730 | 0.0066 | 0.9998 |
| -150 | -0.2986 | 1.5682 | 0.0097 | 0.9996 |
| -200 | -0.2554 | 1.5043 | 0.0122 | 0.9991 |
| -250 | -0.2176 | 1.4831 | 0.0129 | 0.9987 |
步骤400，在受电弓背面的弓头簧片上布置光纤应变片传感器，获取接触力应变响应，在受电弓前方布置高速相机，获取接触点在滑板上往复滑动的图像序列，基于数字散斑相关方法，计算得到任一时刻接触点距离中轴的距离，在任一时刻，利用接触点位置、光纤应变传感器输出的波长变化量的均值，代入静态接触标定关系式，即可得到静态接触力；
利用弓网试验台模拟列车运行过程中的弓网动态接触，结合光纤应变传感、电测加速度传感和光测数字散斑相关三套实验系统，进行动态接触力测量分析。根据实验模型的条件，调节弓网试验台接触杆竖向位置，下压滑板使得受电弓工作高度为1600mm，再调节受电弓底部弹簧，使得静态接触力约为100N。在接触杆端面，及滑板侧面距中轴0、±50、±100、±150、± 200、±250mm处，粘贴标记点。
实验过程中，利用相机采集接触杆在滑板上往复滑动的图像序列。基于数字散斑相关方法，计算得到任一时刻接触点距离中轴的距离x(t)，测量精度为0.1mm，采样频率为250Hz。在任一时刻，将接触点位置x(t)、光纤应变传感器No.1和No.2输出的波长变化量的均值Δλh(t)，代入Fc0-x-Δλh标定关系式(1)，即可得到静态接触力Fc0(t)。
步骤500，在受电弓背面的弓头簧片上分别粘贴一个单向加速度传感器，以获得相应测点处的垂向加速度，然后计算出受电弓头的惯性力，即可在线计算出受电弓头的动态接触力。
此外，在四个弓头簧片背面，分别粘贴一个单向加速度传感器I～IV。利用DH5902N坚固型动态测试系统，进行加速度信号实时采集，获得四个测点处的垂向加速度aI(t)～aIV(t)，则受电弓头惯性力Finer(t)＝m(aI+aII+aIII+aIV)/4，其中，受电弓头质量m＝8.756kg，加速度测量精度为0.001g，采样频率为256Hz。
本实施方式在实验台上进行，没有环境风和列车风的干扰，则有弓头动态接触力Fc(t)＝Fc0(t)+Finer(t)。图5给出了同步后的No.1和No.2光纤应变传感器测得的波长增量、I～IV加速度传感器测得的弓头加速度、基于光测数字散斑相关方法测得的接触点位置x的时间序列，以及由此计算得到的弓头惯性力Finer、静态接触力Fc0和动态接触力Fc的时程曲线。实验时，取接触点沿滑板方向的往复运行速度分别为80km/h和160km/h，设计运动范围为±250mm，实测的坐标区间为-249.03～249.30mm，误差小于0.5％。
本实施方式结合光纤应变传感、电测加速度传感和光测数字散斑相关技术，发展了弓网动态接触力时间序列的测试分析技术。提出了在弓头簧片处安装应变传感器的可行方案，相比于现有文献中将应变传感器安装于弓头滑板处，在弓头簧片处安装应变传感器，既具有对静态接触力改变更高的敏感度，又避免了滑板定期更换对传感器带来的影响。同时，利用光测数字散斑相关方法，实现了加载过程中任一时刻接触点位置的直接测量，避免了通过滑板实体结构简化建模，获得接触力、接触点位置、测点应变值之间关系带来的误差。
进一步地，基于静态接触力Fc0和动态接触力Fc的时程曲线，计算接触力的标准差、平均值、最大值和最小值，则ΔX＝X(Fc0)-X(Fc)(X代表标准差等统计量)表征弓头惯性力对接触力统计参数的影响(表2)。
表2弓头惯性力对接触力统计参数的影响
可以看出，惯性力对接触力平均值影响较小，在低速80km/h和高速160 km/h时，平均值后改变量分别为-0.13N和0.74N。惯性力会引起接触力的标准差和最大值增大，且速度增大，标准差和最大值的涨幅增大，在速度为 160km/h时分别达1.08N和4.52N。惯性力会导致接触力的最小值减小，且速度越大，减幅越大，在速度为160km/h时分别达-3.44N和-10.29N。这表明，弓网耦合振动时惯性力会对测试值产生明显影响，在接触力测试中不可忽视惯性力的补偿，补偿后的接触力更精确。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (5)
1.一种弓网接触力在线测试方案，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，建立与实际受电弓弓头滑板以及接触网一致的实验模型；
步骤200，在受电弓的弓头簧片上沿Y轴方向布置传感器，然后将受电弓升至与接触网静态接触的状态；在两个滑板上搭置一个夹具，再在两个滑板之间的夹具中心悬挂砝码，并进行梯度加载，同时利用光栅解调仪，实时记录各测点的光栅波长；
步骤300，在接触网上沿着X轴选择距对称轴不同距离的多个接触点，基于多个接触点的位置、每个接触点的悬挂砝码重量以及光栅波长分析传感器波长增量均值随静态接触力的变化关系，即可得到静态加载时不同载荷下的静态接触力变化规律；
所述静态接触力的计算过程为：
设传感器波长增量均值为
，静态接触力为F c0，将实验得到的F c0和
分别除以100 N
和10-10 m，二者满足下述二次函数，
式中，系数A、B、C与接触点位置x有关，利用最小二乘法拟合实验数据确定；
步骤400，在受电弓背面的弓头簧片上布置光纤应变片传感器，获取接触力应变响应，在受电弓前方布置高速相机，获取接触点在滑板上往复滑动的图像序列，基于数字散斑相关方法，计算得到任一时刻接触点距离中轴的距离，在任一时刻，利用接触点位置、光纤应变传感器输出的波长变化量的均值，代入静态接触标定关系式，即可得到静态接触力；
步骤500，在受电弓背面的弓头簧片上分别粘贴一个单向加速度传感器，以获得相应测点处的垂向加速度，然后计算出受电弓头的惯性力，即可在线计算出受电弓头的动态接触力。
2.根据权利要求1所述的在线测试方案，其特征在于，
所述步骤200中的传感器共布置2个，安装在滑板托架的簧片背面，沿y方向粘贴。
3.根据权利要求1所述的在线测试方案，其特征在于，
所述步骤200中，在夹具中心悬挂砝码时，加载过程中保持受电弓头水平，每一个加载步稳定20 s，进行梯度加载，记录砝码质量，同时接触点距对称轴距离x依次取0、± 50、±100、± 150、± 200、± 250 mm。
4.根据权利要求1所述的在线测试方案，其特征在于，
所述步骤500中的受电弓头的惯性力
计算公式如下：
其中，
为测点处的垂向加速度，4为测量点数目，m为受电弓的质量。
5.根据权利要求4所述的在线测试方案，其特征在于，
所述步骤500中的动态接触力F c(t)计算公式如下：
动态接触力F c(t)= F c0(t)+ F iner(t)。
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