受电弓惯性力检测方法的研究

受电弓惯性力检测方法的研究

0接触压力的影响在高速铁路上，与列车速度直接相关的重要参数之一是电气车的流量参数。受电弓与接触线之间的可靠接触和相互作用，是保证电力机车良好受流的重要条件。即受电弓与接触线间要有一定的接触压力，当接触压力过大时，会增加受电弓和接触线的异常磨损，缩短其使用寿命；接触压力过小时，会使它们之间接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花或电弧，以致烧损接触线。因此，为发展我国的高速铁路接触网技术，经常检测受电弓和接触线间的接触压力是十分必要的。但是，由于我国以前的铁路运行速度都很低，弓线间的受流问题反映不明显，因此对于接触压力的检测和评价都没有引起足够的重视，关于这方面的研究相对较少，实际测量数据十分缺乏。本文在综合前人研究成果的基础上，提出了适合于我国“六大干线”铁路的弓网接触压力的检测方法，以及如何评价接触压力的具体算法。1受电弓上的气动载荷在列车高速运行时，受电弓将受到各种内在与外在力的影响。除了受到抬升力的作用外，受电弓高度变化迅速，因而产生较大的惯性力，它的自身结构还产生相应的摩擦力，还有加于受电弓上的空气动力，如图1所示。根据力的平衡，弓网间的接触压力F可由下式表示：式中：F0,FR,Faer分别为受电弓所受的抬升力、摩擦阻力和空气动力；Fdyn为惯性力，它由受电弓的归算质量m及垂直加速度a决定；Faer取决于机车速度；±表示受电弓向下运动和向上运动时的取值符号。空气动力在列车速度为300km/h以上时才比较明显，因此，空气动力及摩擦力的影响可以忽略。2弓网耦合振动目前，国内在弓网压力检测方面的研究较少，已有的检测方法主要是在受电弓滑板两端安装压力传感器，测得抬升力，便认为它是弓网接触力。这种方法忽略了惯性力的影响，在低速运行状态下还是可行的。但是，随着列车运行速度的提高，在速度大于120km/h时，机车—轨道耦合振动对弓网动态相互作用关系的影响加剧，在受电弓垂直方向上产生较大的加速度，惯性力对弓网接触力的影响已经不能忽视。为了测量惯性力，多数研究是在弓体中央加装一只加速度计，日本还开发了在弓体部位安装多只加速度计的方法，以在弹性振动作用显著的高频率区域，提高惯性力的测量精度。而德国则采用了把4个加速度计分别跟压力传感器附在一起安装在弓体与支架间的方法，大大提高了高速铁路运行下的压力检测精度。我国“六大干线”铁路运行速度还在200km/h以下，远不及日本的新干线铁路和德国高速铁路的速度。因此，为了适应我国较高速度铁路检测的需要，又能提高测量准确度，本文通过测量静态抬升力及与速度有关的惯性力Fdyn来得到弓网间的接触压力，于是有：2.1安装传感器的测量力由于各个时刻接触线压在受电弓上的位置不同，受电弓各处所受到的压力也不尽相同，如果只对受电弓某一固定位置处进行力的测量，很难反映出受电弓真正的抬升力。因此，考虑到接触线在受电弓滑板上的不确定位置以及受电弓的结构，在受电弓滑板与支撑装置之间的4个角上装设4个相同的压力传感器来测量抬升力，如图2所示。受电弓的抬升力，就是这4个力传感器测得的信号之和。为了使测量同时适应单滑板受电弓，首先对被检测到的1号和3号力传感器信号进行叠加，再对2号和4号力传感器信号进行叠加（见图3），最后合成得到：式中：F1～F4分别为1～4号力传感器测得的力。为了测量惯性力，首先测量出受电弓的垂直加速度a，再乘以受电弓的归算质量m，便可求取惯性力ma。图4是安装传感器的实物图。把类似这样的支架伸长到弓体中央位置，便可安装加速度传感器。2.2应变传感检测装置压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分。在弓网运行时，由于有高电压的存在周围有强电磁干扰，为了避免干扰，本文采用应变电阻式压力传感器。测量时，压力敏感元件将压力信号转换成电阻值的变化，再转变为电信号，从而测得压力。它有如下优点：1）测量应变的灵敏度和精确度高。2）测量范围广。从弹性形变一直可测至塑性形变，变形范围从1%～20%，可测10-2～107N的力。3）频率响应特性好。响应时间10-7～10-11s，可以测量几万到十几万赫兹的动态过程。4）尺寸小，质量小，对试件工作状态的应力小，既可用于静态测量，又可用于动态测量。5）能适应各种复杂的环境，可以在高温、超低压、高压、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。压力检测主要特性参数如表1所示。为了测量加速度，也采用压阻式加速度传感器。它是在内部悬臂梁上贴应变片，所以具有相当高的灵敏度。3空气隔离和低电压侧的信号传输系统—数据传输由于接触网有27.5kV的高电压，安装在弓头上的传感器检测出的信号与27.5kV等电位，要传到低电压侧，必须采取高低压隔离措施。隔离（绝缘）变压器方式体积大，安置和维修困难，不宜使用；无线电发送和接收方式易受干扰，尤其在27.5kV的高电压下，抗干扰难度更大。经实验证明，空气隔离的光传输方式可较好地解决接触网的电磁干扰问题，实现可靠的高低电压隔离和数据信号的安全传输，其空气隔离距离800mm。最后，传送到低电压侧的检测信号，经屏蔽电缆送到机车司机室内的数据采集处理系统。本文采用FSO(FreeSpaceOpticalCommunication）信号传输系统在高低电压侧之间发射和接收数据。FSO是自由空间光通信或无线光通信的简称，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统。FSO技术与传统的铜线或光纤技术不同的是，它以激光为载体，以空气为介质，实现点对点及点对多点的传输。其带宽高，误码率低，链路部署简单，无电磁干扰，无需频谱许可证，价格低廉（通常是铺设光纤的）；能以较灵活的无线方式，在短距离内实现与光纤技术具有相同的带宽的传输。用FSO进行数据传输的原理如图5所示。4原并线模式下接触压力的显示检测数据传送到车内处理系统后，把信号还原并用曲线形式将各个运行距离处的接触压力显示出来。接触压力是否正常，是否存在隐患点，需要一系列评价标准及隐患点查找办法。4.1接触压力参数评价在接触网的运行中，通过接触力的变化可以评价出接触网的结构形式和受电弓的结构质量及受流质量。接触压力是按高斯定律分布的，其标准偏差值在平均值上下波动，一般用采样区段的接触压力算术和的平均值F、标准偏差值S、最大接触压力Fimax、最小接触压力Fimin等参数进行评价。只要检测到的实际接触压力处于最大值与最小值之间，即Fimax>F>Fimin，则认为受流性能良好。另外，为了考虑各点接触压力不同对受流特性的影响，常用接触压力的不均匀系数作为评价受流的指标，其表达式为：其中Fimax和Fimin分别为某一跨距或某一个检测区段采样点处的接触压力的最大值和最小值，n为采样点数。对于一个跨距而言，Ch的值越接近于1，表示受流特性越好。4.2轨道线路的欠缺为了保证良好受流，要求经常查找接触压力检测曲线的异常点，如出现过大的峰值，或出现极限谷值，或者不均匀程度特别明显，这些地方一定是隐患点或者不良状态点。当在接触压力曲线上有突现点，其突现点的值约为平均值的1.8倍时，应该核查该点。但是，轨道线路的欠缺，如三角坑、不平顺等，同样会引起机车包括受电弓在内的附加振动。在速度较高时（>160km/h），这类振动产生的激扰对弓网系统是不可忽视的。因此，为了准确的找出接触悬挂的异常点，必须找出因线路轨道欠缺造成的凸、凹峰值。所以，还需在机车顶部或受电弓基座上安装一个加速度传感器，如果该处的加速度传感器值过大，则说明是线路轨道有欠缺，这时，即使接触压力出现异常峰值，也可以判定是由于轨道线路引起的接触压力的异常变化。如果该处加速度传感器的数值很平顺，无异常现象，那么，就可以断定，在出现异常峰值的地方就是接触悬挂要维修的隐患点。4.3受流状态正常根据以上分析，本文提出具体算法如图6所示。对每一检测区段，首先计算接触压力的平均值、标准偏差值、最小值和最大值，再判断这个接触压力是否处于最大值和最小值之间。如果Fimax≥Fi≥Fimin，则进一步判断Fi是否处于1.8倍平均值以内，如果是，则可判定接触悬挂状态正常，弓网受流良好。如果Fi大于1.8倍平均值，则与接触压力处于最大值和最小值范围之外的情况一样，表明接触压力不正常，这时需要进一步判断这个不正常现象是由轨道线路欠缺引起的还是由接触悬挂引起的。判断时，绘制加速度计的输出值曲线，判断该点接触压力所处的位置上的加速度值是否出现异常尖峰，如果没有出现，则表明此点轨道线路没有缺陷，那么接触压力过大就是由于接触悬挂引起的，此段线路受流性能不好。如果出现了异常尖峰，则表明此点轨道线路有欠缺，这时再用此点的接触压力值减去由轨道线路导致的惯性力值，如果得到的值还大于1.8倍平均值，则接触悬挂不正常，受流性能不好；如果处于1.8倍平均值以内，则接触悬挂正常，受流性能良好。同时，计算每一区段的接触压力