弓网检测技术及检测方法

高速铁路弓网系统检测技术及检测方法2021年10月·成都曾engming@swjtu主要内容一、弓网系统的作用及求要求二、检测的内容及评价三、检测的方法四、检测的方式及装备一、弓网系统的作用及要求弓网系统的作用是为电动列车提供电能滑动接触不间断、可靠、平安地供电一、弓网系统的作用及要求可靠性空间几何位置匹配一、弓网系统的作用及要求接触质量动态相互作用性能一、弓网系统的作用及要求运行寿命材料接口载流量二、检测的内容及评价测量与诊断医疗器械与医疗被测对象作用被测对象要求通过不间断的机械、电气接触向电动列车供电接触网〔道路〕受电弓〔汽车〕运行可靠性、接触质量、运行寿命分解成被测参数实现测量功能弓网系统的最核心要求几何相互位置拉出值导高多支接触线相对位置定位器坡度接触线坡度运行可靠性接触质量运行寿命动态作用材料接口载流量弓网接触力燃弧定位点抬升接触网温度接触线磨耗二、检测的内容及评价受电弓——接触网检测的听诊器二、检测的内容及评价GB/T21561EN50206受电弓特性与测试静态接触力升降操作耐久性横向具有频率横向振动垂向振动落弓保持力平均抬升力加热试验静态检测二、检测的内容及评价接触网单方面参数动态检测弓网动态相互作用情况下弓网系统参数几何参数静态值、定位器坡度、接触线磨耗等几何参数动态、弓网接触力、弓网燃弧、定位点处接触线抬升等铁路电力牵引供电设计标准二、检测的内容及评价检测参数评价依据为弓网系统相关标准和设计文件铁路电力牵引供电施工标准接触网各零部件标准GB/T21561机车车辆受电弓特性和试验〔TB/T1456〕TB/T3271受电弓与接触网相互作用准那么安规、检规EN50119电力牵引架空式接触网EN50206受电弓特性与测试EN50367弓网动态相互作用技术标准EN50318弓网动态相互作用仿真确认EN50317弓网动态相互作用的测量要求与确认TB10758高铁牵引供电验标弓网检测结果的评价二、检测的内容及评价与设计值进行比较对连续测量的检测结果进行分析指导修理弓网检测结果的评价二、检测的内容及评价对不同参数检测结果进行比照分析指导修理弓网检测结果的评价二、检测的内容及评价对不同参数检测结果进行比照分析指导修理弓网检测结果的评价二、检测的内容及评价指导修理对历次测量的检测结果变化进行分析机械系统支持结构的形态变化都将反响到接触线几何空间位置的变化上与受电弓几何轮廓在空间位置上相互匹配，保证运行的可靠性二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数与受电弓几何轮廓在空间位置上相互匹配，保证运行的可靠性二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数接触网在不与受电弓接触情况下的空间位置静态值动态值弓网动态接触情况下的接触线在受电弓上的横向位置、受电弓抬升情况下的接触线高度，定位器的坡度等超限判断、验证设计方案接触网几何参数的测量结果是接触网维修的重要依据二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数基准：轨顶平面接触线高度〔导高〕接触线横向偏移〔拉出值〕要求：最小空气绝缘间隙、受电弓的高度工作范围基准：受电弓中心线〔轨道平面垂直中心线〕要求：受电弓横向工作范围、接触线在滑板上的往复运动范围尽可能的大二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数接触线坡度〔接触线高度变化〕要求：满足弓网动态性能的要求EN50119-2021二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数接触线高度变化(高铁接触网)满足弓网接触质量要求尽可能减小振动，延长零部件疲劳寿命二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数2021_12_03_11_29，速度447km/h，下行接触线高度变化(高铁接触网)满足弓网接触质量要求尽可能减小振动，延长零部件疲劳寿命货车120km/h客车140km/h客车动车200km/h二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数弓头部件受损二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数接触网零部件受损二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数垂向基准：轨顶平面多支接触线坡相对位置〔横向间距、垂向高差〕横向基准：受电弓中心线〔轨道平面垂直中心线〕受电弓平安通过线岔、锚段关节、关节式电分相等多支接触线转换区域二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数多支接触线坡相对位置〔横向间距、垂向高差〕二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数检测结果评判依据为其设计值及误差要求TB10758-2021高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数接触网静态几何参数二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数影响接触网几何参数的因素接触线高度接触线拉出值（接触线横向偏移）①张力补偿器误差过大②支持结构变形过大③结构部件与吊弦等产生松、断、脱④施工预配偏差过大⑤施工安装偏差过大⑥接触线磨耗过大⑦附加负载过大⑧轨道垂直不平顺过大①张力补偿器误差过大②支持结构变形过大③结构部件产生松、断、脱④施工预配偏差过大⑤施工安装偏差过大⑥轨道横向不平顺过大二、检测的内容及评价接触网静态几何参数与弓网动态性能具有因果关系中心锚结绳安装不当引起弓网接触质量出现变化〔左上：中心锚结绳过紧；右上：中心锚结绳过松；左下：接触线高度不连续；右下：接触力出现异常极值；下中：弓网系统产生燃弧〕二、检测的内容及评价武广高铁局部几何参数测量结果二、检测的内容及评价弓网动态性能计算机仿真〔SSS400+型受电弓〕正常几何参数实测几何参数（弛度：-20mm）前弓后弓前弓后弓Fm=176.6Ns=26.6NFm+3s=256.5NFm-3s=96.7NFmax=271.6NFmin=71.1N0.3Fm-s=26.4NFm=177.5Ns=42.0NFm+3s=303.5NFm-3s=51.5NFmax=285.2NFmin=18.3N0.3Fm-s=11.2NFm=176.9Ns=37.2NFm+3s=288.4NFm-3s=65.5NFmax=270.3NFmin=56.3N0.3Fm-s=15.9NFm=176.9Ns=42.0NFm+3s=303.0NFm-3s=50.9NFmax=362.7NFmin=19.0N0.3Fm-s=11.1N二、检测的内容及评价接触网振动是决定零部件疲劳寿命的重要因素接触网几何参数的偏差对振动的奉献是直接的零部件的松、断、脱、裂等现象与接触网振动相关※利用成像观察状态是治标，精确控制几何参数是治本。保障接触网运营平安，需要标本兼治。接触网几何参数的测量结果是接触网维修的重要依据二、检测的内容及评价接触线空间几何位置参数二、检测的内容及评价定位器坡度二、检测的内容及评价定位器坡度在受电弓通过时，定位器不应阻碍接触线的自由振动接触线抬升到最大时，定位器下沿的轮廓应能保证受电弓顺利通过定位器坡度的评价标准为设计值二、检测的内容及评价定位器坡度弓网动态相互作用参数运行工况〔列车速度、位置等〕环境条件〔雨、雪、温度、风、隧道等〕测试配置〔受电弓的参数和排列、接触网的类型〕弓网接触力或燃弧率受电弓通过定位点时接触线的抬升辅助记录参数〔测量的课重复性和结果的可比性〕二、检测的内容及评价EN50317弓网动态相互作用的测量要求与确认FAERFDYNFRF0FRFwindF=F0±FR+FAER±FDYN受电弓设计接触网、轨道等弓网接触力F——受电弓垂直作用到接触网上的力静态接触力F0

——停车时，传动机构使受电弓垂直作用到接触网上的力磨擦力FR

——关节间磨擦产生的力，与弓头运行方向相反空气动力FAER

——气流对受电弓的作用力动态分力FDYN

——由垂直振动引起的惯性力二、检测的内容及评价弓网接触力惯性力FDYN=maa振动加速度a1冲击加速度二、检测的内容及评价〔接触网弹性接触线波动受电弓冲击垂直分量〕二、检测的内容及评价弓网接触力为评价弓网接触质量，应计算一个控制段内接触力的如下统计值。〔控制区段应不短于一个锚段〕——接触力平均值Fm——标准偏差s——接触力最小值Fmin——接触力最大值Fmax——接触力统计最大值Fm+3S——接触力统计最小值Fm-3S二、检测的内容及评价弓网接触力标准偏差越小，弓网接触力离散性越小，弓网系统运行越平稳，最高速度下的标准偏差不大于0.3FmTB10621-2021?高速铁路设计标准?动态接触力要求二、检测的内容及评价弓网接触力动态接触力的极值〔一般认为大于1.8Fm〕，多出现在接触网不规那么的地方，比方——不均匀抬升量——接触线安装缺陷——接触线的缺陷——单一质量块〔集中负载〕二、检测的内容及评价燃弧电弧是指通过滑板和接触线之间的电流流动，通常伴有强光产生。测量燃弧应记录的数值：——每个电弧的持续时间——测试期间的列车运行速度——受电弓电流评价受流质量，应计算燃弧率

持续大于1ms的电弧的持续时间

测量电流超过30%额定电流的时间二、检测的内容及评价燃弧EN50367要求的最大速度下的燃弧率——小于250km/h线路燃弧率不超过0.1%——大于等于250km/h线路燃弧率不超过0.2%考虑燃弧的最小持续时间5ms局限性取流情况下才有电弧产生弓网接触过紧的情况不能反映二、检测的内容及评价定位点处的接触线抬升在接触网支柱上安装固定的测量装置测量受电弓通过时定位点处接触线的抬升，运用于以下情况——动态评估时，确认弓网系统的方案设计是否符合标准要求——确定新型车辆或受电弓的最高允许速度——商业运营中固定监测受电弓二、检测的内容及评价定位点处的接触线抬升在正常运行条件下及最大跨距时，定位处的抬升应由弓网系统设计人员进行计算机仿真——采用非限定式定位器，抬升量应至少是仿真值的2倍——采用限位式定位器，抬升量应至少是仿真值的1.5倍定位点处接触线的抬升量，不得超过定位器设计的最大抬升量二、检测的内容及评价定位点处的接触线抬升最大抬升量与弓网接触力和接触线的波动等相关，对于某一速度的列车，抬升量任何明显的增加和减少，均说明有干扰或受电弓缺陷。这些缺陷可能由以下原因造成——空气动力的过高或过低，由于风挡调节不当或损坏、受电弓倾斜引起的接触滑板间接磨耗——静态接触压力过高或过低，由于静态接触压力调节不当、因磨损超过极限等原因造成接触滑板质量的有较大变化——接触压力的动态分力过高或过低，由于调节器等受电弓机械部件的欠缺、因磨损超过极限等原因照成滑板质量变化而导致惯性力较大变化接触网弹性接触悬挂在受电弓抬升力作用下发生形变，除去抬升力后恢复到原形态的性质。弹性大小用单位抬升作用力下的抬升量表示。yF二、检测的内容及评价接触网弹性弹性属于接触网的静态参数，具有沿跨距变化的性质接触网的结构形式和各项设计参数确定后，就可以通过仿真计算出一跨内接触网弹性曲线，弹性最大值和最小值、弹性不均匀系数弹性和弹性不均匀系数与接触线截面、张力、跨距、结构高度、预弛度、弹性吊索等有关，也与施工精度有关二、检测的内容及评价接触网弹性跨中弹性的经验公式K=4.0无弹性吊索K=3.5有弹性吊索弹性不均匀系数弹性小并不定于弹性不均匀系数小所设计的接触悬挂的弹性不均匀系数应尽可能小TB10621-2021?高速铁路设计标准?弹性不均匀度要求弹链不大于10%，简链250km/h，300km/h不大于40%，350km/h不大于25%二、检测的内容及评价二、检测的内容及评价接触网弹性弹性实测值与计算值比较，可找出施工精度不够的地方接触线磨耗弓网滑动接触所造成接触线损失影响接触线磨耗的因素机械磨耗、电气磨耗接触线和受电弓滑板的材质弓网接触力载流量通过的列车数量二、检测的内容及评价接触线磨耗磨耗面积20%WearWResidualdiameterResidualdiameterr2

－（Ｗ／２）２＋

ｒｒｒ底面宽度残存高度接触线磨耗过大会导致接触线抗拉强度下降二、检测的内容及评价接触网温度测量弓网系统的最终目的是为电动列车提供电能，接触网导电回路中传输着巨大牵引电流日射热+焦耳热=蓄热量+热放射焦耳定理接触网热平衡公式二、检测的内容及评价接触网温度测量接触网局部温度过高，易造成部件烧伤、线索抗拉强度下降主导电回路不畅连接件松动、氧化腐蚀等放电电弧非正常分流二、检测的内容及评价二、检测的内容及评价接触网温度接触网温度测量应在供电臂上有牵引电流的情况下测量找出接触网中温度异常点27三、检测的方法接触线几何位置接触式检测三、检测的方法接触线几何位置接触式检测角度1角度2角度3………………………………6800角度n三、检测的方法接触线几何位置接触式检测测量精度不高只能测量工作支接触线不受气象条件干扰增加弓头重量，影响受电弓特性平安性不够好激光雷达三、检测的方法接触线几何位置激光扫描法三、检测的方法接触线几何位置激光扫描法激光雷达法测量接触线几何位置角度分辨率扫描频率测距精度速度（km/h）采样间隔(m)采样时间(ms)频率(Hz)1200.5156712013034800.522.5458014523三、检测的方法激光雷达法测量接触线几何位置角度分辨率接触线距离激光雷达垂直高度2000mm拉出值300mm处角度分辨率为1°时激光线间隔35.6mm角度分辨率为0.5°时激光线间隔17.8mm120铜接触线直径12.9mm2000mm处的激光线直径30mm三、检测的方法激光雷达法测量接触线几何位置测距精度三、检测的方法三、检测的方法接触线几何位置激光雷达比较SICK〔施克〕LEUZE〔劳易测〕LMS100LMS200LMS400LMS511ROD4ROD4-5850m品牌型号距离范围角度范围角度分辨率270°0.25°,0.5°距离分辨率重复精度扫描频率25Hz,50Hz1mm±20mm80m180°0.25°-1°18.75-1Hz10mm±

15mm3m70°0.1°-1°200Hz10mm±

15mm65m190°0.167°-1°25-100Hz1mm±

7mm65m190°0.36°25Hz5mm±

15mm65m190°0.36°50Hz5mm±

15mm其它221型具有加热防尘受强光干扰具有加热防尘功能具有加热防尘功能具有加热功能具有加热功能三、检测的方法接触线几何位置激光扫描法33三、检测的方法接触线几何位置激光扫描法测量精度较高能对工作支和非工作支进行检测不影响受电弓特性非接触式测量，平安性好大雪、大雨或大雾天气，不能正常工作三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法激光器接触线相机三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法1280*960130万象素图像〔0,0〕〔1279,0〕〔0,959〕〔1279,959〕三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法在激光线所在线路断面上非工作支接触线底面中心在图像上的像素坐标〔318.4,185.0〕工作支底面中心坐标〔706.0,513.10〕假设此位置上的工作支和非工作支精确地拉出值和导高，那么可将像素坐标换算成实际空间坐标在实际标定中采用高精度标定设备进行标定三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法德国三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法德国三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法德国三、检测的方法接触线几何位置机器视觉方法德国三、检测的方法接触线几何位置机器视觉法测量精度高能对工作支和非工作支进行检测不影响受电弓特性非接触式测量，平安性好大雪、大雨或大雾天气，不能正常工作三、检测的方法车体振动补偿车载几何参数测量装置测量结果为相对于车体位置几何参数设计值基准面为两钢轨顶部平面检测结果能为施工和维修调整提供依据，必须测量检测运行过程中车体相对于钢轨平面的位置，对检测结果进行补偿计算，复原成与钢轨为参考面的静态值三、检测的方法车体振动补偿三、检测的方法车体振动补偿一、接触网几何参数检测接触式方法定位器坡度定性测量三、检测的方法定位器坡度F=F1+F2+FAER+0.5ma1+0.5ma2+-mg弓网接触力测量FF1

F2

mg0.5ma1

0.5ma2

FAER

三、检测的方法三、检测的方法弓网接触力和振动冲击加速度检测弓网接触力和振动冲击加速度检测空气动力测量Faer2Faer1滑板和弓头间力的测量单元绳索张力测量单元F1+F2

FL1

m1gFaer1=FL1-F1-F2+m1g二、弓网动态相互作用的检测三、检测的方法弓网接触力和振动冲击加速度检测传感器安装三、检测的方法弓网接触力和振动冲击加速度检测三、检测的方法弓网接触力和振动冲击加速度检测测量要求只测量垂直方向上的力，排除其它方向力的干扰，传感器安装尽量接近接触点测量偏差小于10N，系统总测量误差小于10%测量系统的安装不能对受电弓性能带来不利影响，对接触力的改变不应超过5%测量系统应在实验室利用弓网振动试验平台进行精度校准采样频率大于200Hz或采样间隔小于0.4m截止频率为20Hz的低通滤波利用受电弓振动冲击加速度评价接触网缺陷需考虑车体自身加速度的影响三、检测的方法燃弧检测铜和铜合金，燃弧辐射出的光波长范围为220~225nm或者是323~329nm弧光感应传感器三、检测的方法燃弧检测紫外相机为了防止其他波段光线对燃弧检测造成影响，采用紫外镜头，并添加对>330nm波长光进行截止的滤光片定位点处的接触线抬升测量方法三、检测的方法定位点的抬升测量三、检测的方法定位点的抬升2021_12_03_11_29，速度447km/h，下行悬挂方式：JTMH120+CTMH150张力组合：20kN+40kN结构高度：1600mm三、检测的方法定位点的抬升测量接触线滑轮绝缘线传感器德国三、检测的方法接触线上抬量及变形检测设备〔左〕无线接收设备〔右〕定位点的抬升测量日本三、检测的方法接触网温度测量红外测温原理在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断地向四周辐射电磁波，其波长主要出于0.8~15.0um的红外区域内红外热成像仪三、检测的方法接触网温度测量红外测温原理热辐射发射率：物体通过外表向外辐射的电磁能与同温度的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的比值。是在0与1之间变化的衡量物体辐射能力强弱的数值。黑体：黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射，且散射电磁辐射的能力比同温度下的任何其它物体强，黑体是现实中不存在的一种理想物体黑体外表辐射能量三、检测的方法接触网温度测量红外测温原理物体的发射率与物体的外表状态(包括物体外表温度、外表粗糙度以及外表氧化层、外表杂质或涂层的存在)有关材料规格温度辐射率钢铁电解220.05铜抛光220.015铜氧化270.78铝真空镀敷200.04铝高度氧化200.9木材200.962红外热像仪只能设定一种发射率，其输出的温度图像数据不一定是物体的绝对温度三、检测的方法接触网温度测量人工手动测量点测量三、检测的方法安装在检测车/动车组上的温度测量装置三、检测的方法接触网温度检测应在供电臂上有牵引电流的情况下进行接触网温度检测应去除太阳、路灯等热源的干扰温度测量装置要求红外热像仪应具有能覆盖接触网设备的视野，较高的分辨率，较高的采样频率检测系统应具有图像识别的能力，能对热图像进行相对温度的诊断检测结果应与线路位置信息对应起来保存接触网部件烧伤多发生在短路情况下，应在短路后在短路点附近仔细检查是否有烧伤现象三、检测的方法安装在检测车上的温度测量装置基准温度：27.5℃最高温度：55.6℃基准温度：27.4℃最高温度：73.9℃三、检测的方法接触网弹性测量人工手动测量三、检测的方法接触线静态位置检测时，用于测试的受电弓的静抬升力应为5～8N

检测接触线的静态抬升量〔又称准动态〕时，测试用受电弓的静抬升力应为100N，但对于设计时速大于250km/h的接触网，其测试用受电弓的静抬升力应为120N接触网弹性测量车载连续测量为验证道岔范围内接触网的静态特性，模拟受电弓的抬升力可设为250N三、检测的方法接触网弹性测量车载连续测量德国三、检测的方法接触网弹性测量车载连续测量郑西客专三、检测的方法弓网动态参数结果受速度影响速度检测速度、运行里程接触力、燃弧评价弓网接触质量需在同一速度段下进行统计分析接触力、振动冲击加速度评价接触网缺陷一般不采用绝对值大小里程〔公里标〕为检测结果位置信息之一检测数据的采样间隔一般采用距离间隔三、检测的方法速度和里程每圈200脉冲速度三、检测的方法速度和里程非接触式速度传感器多普勒效应：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化提供脉冲和串口两种输出三、检测的方法速度和里程获取机车监控装置速度里程等信息列车运行监控记录装置LKJ2000TAX2型机车平安信息综合监测装置三、检测的方法速度和里程获取机车监控装置速度里程等信息TAX2型机车平安信息综合监测装置提供直流电源，通过485总线提供机车运行信息利用TAX2箱备用板卡空间，安装RS485通信卡，将相关速度里程信息传输至检测计算机信息发送间隔40ms三、检测的方法定位号〔支柱号、杆号〕检测位置线路信息数据库线路名站区名定位号跨距定位标志公里标拉出值导高线路1站1160区间03005300线路1站1360线岔602005300线路1站1560区间1203005300…………线路n区间n28a48区间10803006000…………

三、检测的方法光电开关感应定位器检测位置光电开关感应距离可设700~1000mm线岔处非支误判三、检测的方法光电开关感应定位器检测位置定位判断三、检测的方法线阵相机感应定位器检测位置准确，不误判6000Hz采样频率，不会漏判三、检测的方法拉出值曲线辅助定位，锚段关节位置校准检测位置三、检测的方法定位位置检测三、检测的方法GPS定位RFID电子标签接触线磨耗人工手动测量游标卡尺螺旋测微器〔千分尺〕逐点测量停电登高测量三、检测的方法接触线磨耗手持带电测量装置人工手动测量逐点测量带电测量三、检测的方法接触线磨耗车载测量德国线阵相机三角测量法三、检测的方法接触网线磨耗・偏移量测量装置扫描频率：1500Hz〔原来为500Hz〕

在时速275km/h时，可以约在5cm间隔测定残存直径

DeviationWidthofslidingsurfacePerioddetectionReflectedlightInterferencefilterRotarymirrorLaserLensMirrorwithcenterholeLightsensingelementLensMirrorShutterNo.3mirrorNo.2mirrorNo.1mirrorPerioddetectionTrolleylineWearWResidualdiameterResidualdiameterr2

－（Ｗ／２）２＋

ｒｒｒ接触线磨耗车载测量日本1980接触线磨耗车载测量日本线阵相机测量法晚上白天三、检测的方法接触线磨耗车载测量装置日本线阵相机测量法利用高度测量结果对接触线横向偏移和磨耗进行修正采样频率1000Hz，安装在东急电铁的电气检测车上三、检测的方法接触线磨耗车载测量光切法—3维立体视觉测量技术数字相机线激光器三、检测的方法光切法—3维立体视觉测量技术三、检测的方法光切法—3维立体视觉测量技术三、检测的方法光切法—3维立体视觉测量技术三、检测的方法几何参数检测相机磨耗检测相机激光器光切法—3维立体视觉测量技术接触线磨耗车载测量装置三、检测的方法光切法接触线磨耗车载测量装置三、检测的方法光切法三、检测的方法检测方式四、检测的方式及装备人工手动测量车载测量定点监测动车组、电力机车、检测车、作业车等人工手动测量绝缘杆、线坠、道尺、钢卷尺四、检测的方式及装备人工手动测量四、检测的方式及装备接触网全参数激光测距仪导高、拉出值轨距、超高侧面限界线岔中心投影线岔抬高和水平锚段关节抬高和间隙定位器坡度结构高度人工手动测量四、检测的方式及装备车载检测设备四、检测的方式