一種跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)

劉澤昆莊國軍武 偉董凱炎馬 飛李世雙

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司智能裝備事業(yè)部，山東 青島266031；2.中車青島四方車輛研究所有限公司技術(shù)中心，山東 青島266031)

接觸網(wǎng)和受電弓的接觸是電氣化軌道交通的重要供電方式之一。 在列車高速運行中由于受電弓與接觸網(wǎng)滑動接觸，接觸網(wǎng)安裝不平順度、受電弓的慣性以及靜態(tài)力等因素影響，使得受電弓和接觸網(wǎng)不能良好接觸、匹配性能降低，導(dǎo)致弓網(wǎng)振動大、相互沖擊大、離線次數(shù)多且時間長、弓網(wǎng)之間的過渡電阻增大、弓網(wǎng)的磨耗增大、導(dǎo)致接觸網(wǎng)過熱[1-4]。 接觸網(wǎng)和受電弓一旦在列車運行過程中損壞，將直接導(dǎo)致列車運行的中斷。 因此弓網(wǎng)接觸是否良好直接關(guān)系列車的運行安全。 而受電弓的集電舟和接觸網(wǎng)之間的接觸力是衡量接觸狀態(tài)與弓網(wǎng)受流質(zhì)量的重要指標(biāo)[5-7]。 通過采集列車運行過程中弓網(wǎng)間的接觸力，可以分析出列車運行線路的狀況，找出線路隱患和故障點，并可延長接觸網(wǎng)和受電弓滑板的使用壽命[8-10]。 目前，弓網(wǎng)接觸力檢測主要分為兩種，一種是通過在受電弓安裝壓力傳感器的直接測量，如西南交通大學(xué)的付洪洋，將稱重傳感器安裝在受電弓板兩端與其支撐連接處，通過光纖將接觸力數(shù)據(jù)傳輸至處理器，利用受電弓震動的加速度對接觸力數(shù)據(jù)校正[11]；一種是通過相機采集受電弓圖像利用圖像處理識別技術(shù)的間接測量。 如日本鐵路技術(shù)研究院的Tatsuya KOYAMA，Mitsuru 等人利用圖像識別技術(shù)，測量受電弓基板和集電舟之間的距離，根據(jù)胡克定律計算出受電弓的接觸力[12]，該種方法精度差。

本文設(shè)計了一種跨坐式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)，通過在集電舟上粘貼光纖光柵應(yīng)變計測量受電弓的應(yīng)變值，通過最小二乘擬合算法將測量的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為接觸力，該系統(tǒng)具有不影響受電弓結(jié)構(gòu)，測量準確的優(yōu)點。 同時通過對集電舟的應(yīng)力分析得到應(yīng)變計最佳粘貼位置，提高檢測的靈敏度。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 受電弓結(jié)構(gòu)圖

以跨座式單軌車負極受電弓為例，受電弓主要由升弓彈簧、支架和集電舟構(gòu)成，如圖1 所示。 受電弓固定在單軌車的轉(zhuǎn)向架上，受電弓上的升弓彈簧收縮使得支架的抬升，帶動集電舟的抬升，集電舟與接觸網(wǎng)接觸。 通過調(diào)節(jié)升弓彈簧的拉伸量，可以調(diào)節(jié)弓網(wǎng)之間的靜態(tài)接觸力。 弓網(wǎng)之間相互作用產(chǎn)生的接觸力最終均會施加到受電弓的集電舟上，使得集電舟產(chǎn)生形變，因此可以通過在集電舟上安裝應(yīng)力計測量其形變，根據(jù)形變與接觸力的關(guān)系分析出弓網(wǎng)接觸力。

由于接觸網(wǎng)通過受電弓向跨座式單軌車提供1 500 V 直流電源，若利用傳統(tǒng)的應(yīng)力計金屬應(yīng)變計測量集電舟的形變，由于金屬應(yīng)變計的耐壓最大達500 V～750 V，接觸網(wǎng)的1 500 V 高壓電會將金屬應(yīng)變計擊穿，損壞傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，嚴重情況下將高壓引入單軌車內(nèi)，造成人身安全事故。 因此采用絕緣性能良好的光纖傳感器對弓網(wǎng)接觸力進行檢測。 由于光纖光柵對應(yīng)變和溫度敏感，需要對其溫度補償來提高測量的準確度。

跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，正負極受電弓上兩個銅滑板下弓頭基板上粘貼兩個應(yīng)變計，與溫度傳感器通過光纖串聯(lián)，連接到光柵解調(diào)器中，光柵解調(diào)器采集光柵應(yīng)變計和溫度傳感器的波長值，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機根據(jù)采集到的應(yīng)變值計算弓網(wǎng)接觸力應(yīng)記錄數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.2 受電弓應(yīng)力分析

弓網(wǎng)接觸力使集電舟發(fā)生微小形變，為了獲得良好的檢測效果，應(yīng)變計需要粘貼在集電舟應(yīng)力形變最大處，該位置對力敏感。 圖3 為集電舟的裝配圖，集電舟主要由銅滑板、弓頭基板、潤滑條托架和潤滑條構(gòu)成，接觸網(wǎng)與受電弓銅滑板和潤滑條接觸，潤滑條通過潤滑條托架固定在弓頭基板上，銅滑板通過螺絲固定在弓頭基板上，接觸網(wǎng)直接接觸的銅滑板和潤滑條均固定在弓頭基板。

圖3 集電舟的裝配圖

由圖3 可知集電舟在結(jié)構(gòu)上的不對稱性，使得弓頭基板的不同位置對力的敏感度不同。 為了準確獲取受電弓的接觸力，應(yīng)變計應(yīng)安裝在集電舟對接觸力敏感的位置。 應(yīng)用solidworks 軟件建立集電舟的三維模型，將三維模型導(dǎo)入ansys 軟件對受電弓進行有限元模型建立，其中潤滑塊托架和弓頭基板的材料都為鋁合金；弓頭滑塊的材料為銅基粉末冶金；潤滑塊的材料為合成蠟。 以銅滑板幾何中心為初始位置向兩端每隔20 mm 間隔選取受力點，對所選取的7 個不同的受力部分從右往左分別施加垂直于銅滑板面100 N 的靜態(tài)力，得到弓頭基板的應(yīng)力云。 計算結(jié)果如圖4 所示。 由圖4 應(yīng)力云分析可知，集電舟的形變不僅僅與接觸力有關(guān)，而且與受力位置有關(guān)。 通過分析得到最佳的應(yīng)變計粘貼位置:距銅滑板的幾何中心位置64 mm 和85 mm 處的弓頭基板粘貼應(yīng)變計。 如圖5 所示。

圖4 7 個位置的應(yīng)力云圖

圖5 應(yīng)變計粘貼位置示意圖

1.3 檢測系統(tǒng)

本文設(shè)計的接觸力檢測系統(tǒng)采用北京通為科技的OSC3500 型號的布拉格光柵應(yīng)變計測量集電舟形變，串接連接，抗電磁干擾的優(yōu)點、靈敏度可達1.2 pm/με；相對于常見的鋼片式光纖光柵應(yīng)變計相比具有體積小重量輕，對集電弓結(jié)構(gòu)影響小，采用GFRP 涂層加固傳感器強度。 在列車運行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)接觸的滑動摩擦力是集電舟的溫度可達到80 ℃，因此采用OSC4500 溫度傳感器測量集電舟溫度，其測量結(jié)果的作為應(yīng)變計溫度補償，溫度傳感器采用非金屬材料封裝，測量范圍可達-40 ℃～120 ℃，精度可達0.6 ℃。 采用4 通道的TV1600 光纖光柵解調(diào)儀作為信號處理裝置，將光信號轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，具有結(jié)構(gòu)堅固，可在復(fù)雜工況下使用，波長范圍1 529 nm～1 569 nm、波長分辨率1 pm、掃描頻率1 kHz，以太網(wǎng)通信接口與上位機傳輸通信。

弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)中的粘貼應(yīng)變計及溫度傳感器的集電舟如圖6 所示，每個集電舟兩側(cè)粘貼應(yīng)變計，每個應(yīng)變計有兩個測量點，與粘貼在集電舟的溫度傳感器串聯(lián)通過光纖接到光柵解調(diào)儀中，解調(diào)儀與上位機通過以太網(wǎng)連接。

圖6 粘貼有光纖傳感器的集電舟

2 接觸力計算

在列車運行過程中，接觸線在銅滑板長度范圍內(nèi)會橫向反復(fù)滑動，使得集電舟受力位置發(fā)生變化，導(dǎo)致集電舟基板的形變時刻變化。 由集電舟的應(yīng)力分析可以得出，弓頭基座每個位置對力的敏感度不同，因此應(yīng)變計的應(yīng)變值與接觸力大小和接觸力施加位置有關(guān)。 通過采集不同位置處施加的不同接觸力以及相對應(yīng)的應(yīng)變計的輸出值，求出接觸力與應(yīng)變值的關(guān)系。 采用中車青島四方車輛研究所有限公司研制的受電弓檢測試驗臺對受電弓不同位置施加不同的壓力，并采集集電舟基板的應(yīng)變值和受力位置及壓力，試驗設(shè)備如圖7 所示。

圖7 確定應(yīng)變值與接觸力關(guān)系實驗設(shè)備

以負極受電弓為例，以銅滑板中心為初始位置，每隔20 mm 選取7 個施力位置，分別施加45 N～70 N的壓力施力，位置如圖3 所示。 施加的壓力和采集的應(yīng)變計的應(yīng)變值如表1、表2 所示。 其中，表1 為上方應(yīng)變計(應(yīng)變計1、應(yīng)變計2)在不同施力下應(yīng)變值的均值pu。 表2 為下方應(yīng)變計(應(yīng)變計3、應(yīng)變計4)在不同施力下應(yīng)變值的均值pd。

表1 上方應(yīng)變計在不同施力下應(yīng)變值的均值

表2 下方應(yīng)變計在不同施力下應(yīng)變值的均值

應(yīng)變計的應(yīng)變合計值與接觸力有關(guān)，接觸力越大，應(yīng)變合計值越大，但由于粘貼位置處的應(yīng)變計對力的敏感度的差異，使得施力位置對應(yīng)變合計值產(chǎn)生影響，因此首先確定銅滑板的受力位置，再確定位置對應(yīng)變合計值的影響，從而得出接觸力與應(yīng)變合計值的關(guān)系。

①確定受力位置

因此為確定受電弓形變與接觸立的關(guān)系首先估計接觸力受力位置。 受力位置在上方應(yīng)力計和下方應(yīng)力之間運動，使得兩組應(yīng)力計粘貼位置處產(chǎn)生不同形變，因此根據(jù)實驗結(jié)果求出上方和下方應(yīng)力計之比與受力位置的關(guān)系如圖8 所示。 利用MATLAB 中的擬合工具箱cftool 采用最小二乘擬合算法得到兩組應(yīng)力計之比和位置的關(guān)系式:其中pu為上方應(yīng)力值的均值，pd為下方應(yīng)力值的均值，S為接觸網(wǎng)位置。

由圖8 可知，通過對上方應(yīng)變計的應(yīng)力值與下方應(yīng)變計應(yīng)變值數(shù)據(jù)處理可以確定弓網(wǎng)接觸力位置。

圖8 位置與上方、下方應(yīng)力值之比關(guān)系圖

②確定受力位置與應(yīng)力合計值的關(guān)系

根據(jù)跨座式單軌車輛用受電弓技術(shù)要求中的弓網(wǎng)標(biāo)準接觸力為60 N，因此以60 N 時的應(yīng)力合計值作為基準，確定受力位置與應(yīng)力合計值的關(guān)系。 根據(jù)實驗結(jié)果求出應(yīng)力合計值之比與受力位置的關(guān)系如圖9 所示。 利用MATLAB 中的擬合工具箱cftool 采用最小二乘擬合算法得到兩組應(yīng)力合計值和位置的關(guān)系式，如式(2)所示。 其中p60為對受電弓施加60 N接觸力是應(yīng)變計的應(yīng)力合計值。 由圖9 可知應(yīng)力合計值與接觸力的位置有關(guān)。

圖9 在60 N 接觸力時受力位置與應(yīng)力合計值關(guān)系圖

③確定應(yīng)力合計值與接觸力的關(guān)系

由胡克定律可知，固體材料受力之后，材料中的應(yīng)力越大應(yīng)變量越大。 通過計算不同接觸力下的應(yīng)力合計值之比可以得到接觸力與應(yīng)力合計值的關(guān)系。針對接觸力為60 N 時的應(yīng)力值合計值p60，計算應(yīng)力合計值之比與接觸力的關(guān)系，關(guān)系如圖10 所示。 利用MATLAB 中的擬合工具箱cftool 采用最小二乘擬合算法得到應(yīng)力合計值與接觸力的關(guān)系，如式3 所示

圖10 應(yīng)力合計值與接觸力的關(guān)系圖

根據(jù)式(1)～式(3)由此可以確定負極受電弓的應(yīng)變計測得的應(yīng)力合計值與接觸力的關(guān)系，如式(4)所示:

3 實驗

3.1 系統(tǒng)測量精度試驗

為驗證所設(shè)計的跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)的測量精度，利用中車青島四方車輛研究所研制的單軌車受電弓性能試驗臺對檢測系統(tǒng)進行驗證。 以銅滑板幾何中心為初始位置向兩端每隔25 mm 間隔選取5 個受力點，從受電弓框架側(cè)依次標(biāo)記為位置1 到位置5，將負極受電弓分別安裝在受電弓試驗臺，根據(jù)跨座式單軌車輛用受電弓技術(shù)要求:弓網(wǎng)標(biāo)準接觸力為(59±10)N，接觸力范圍為44 N～78 N，因此控制受電弓試驗臺對負極受電弓上選取的受力點分別施加垂直于銅滑板接觸面40 N、50 N、60 N、70 N、80 N 的靜態(tài)力。 將跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)與弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)連接，測量集電舟的應(yīng)變值，根據(jù)式(4)得到負極受電弓的接觸力測量數(shù)據(jù)，計算結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)可以得到本文設(shè)計的跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)的檢測誤差，系統(tǒng)的檢測誤差為施加標(biāo)準力與系統(tǒng)檢測結(jié)果的差值如圖11所示。 可見利用本文設(shè)計的接觸力檢測系統(tǒng)檢測誤差不大于±5 N。

表3 接觸力測量試驗驗證測量結(jié)果

圖11 檢測系統(tǒng)檢測誤差

3.2 檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

本文設(shè)計的跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)在重慶軌道交通3 號線進行應(yīng)用，童家院子至魚洞區(qū)間運行區(qū)間內(nèi)弓網(wǎng)接觸力檢測。 將安裝有傳感器的受電弓替換試驗車原有的受電弓。 通過光纖將傳感器數(shù)據(jù)上傳至安裝在車體內(nèi)的解調(diào)儀，上位機根據(jù)解調(diào)儀的數(shù)據(jù)計算弓網(wǎng)接觸力。

表4 為本文設(shè)計的弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)對童家院子至魚洞運行區(qū)間內(nèi)的接觸力檢測結(jié)果。 由表4可見銅元局站至岔路口測量的接觸力的極差較大，其中麒龍路站段的接觸力極差最大，說明該段線路不平順，受電弓更易磨損，弓網(wǎng)接觸質(zhì)量較差，更容易產(chǎn)生燃弧，影響受流質(zhì)量。 由此可見本文設(shè)計的弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)可對弓網(wǎng)接觸質(zhì)量作出量化評價，具有實用價值。

表4 童家院子至魚洞區(qū)間內(nèi)接觸力測量結(jié)果

4 結(jié)論

本文研究并設(shè)計一種跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測系統(tǒng)，利用了粘貼在受電弓基板的光纖應(yīng)變計作為測量受電弓基板形變傳感器，實現(xiàn)了對列車運行線路的接觸力檢測。 該系統(tǒng)通過對受電弓集電舟的應(yīng)力分析，確定了集電舟形變最大位置，即應(yīng)變計粘貼位置；通過最小二乘擬合算法確定了集電舟形變與接觸力的關(guān)系；并通過實驗驗證系統(tǒng)的測量精度。 該系統(tǒng)應(yīng)用于重慶三號線童家院子至魚洞運行區(qū)間，對運行區(qū)間內(nèi)的弓網(wǎng)接觸質(zhì)量做出評價，取得了良好的效果。 本系統(tǒng)可對接觸狀態(tài)與弓網(wǎng)受流質(zhì)量監(jiān)測。 本系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)對列車運行線路的狀況，找出線路隱患和故障點，并可延長接觸網(wǎng)和受電弓滑板的使用壽命做出重要參考。 具有對受電弓結(jié)構(gòu)影響小，可對弓網(wǎng)接觸力實時監(jiān)測的優(yōu)點。