劉澤昆莊國(guó)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(yùn)行中由于受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)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(dòng)大、相互沖擊大、離線次數(shù)多且時(shí)間長(zhǎng)、弓網(wǎng)之間的過(guò)渡電阻增大、弓網(wǎng)的磨耗增大、導(dǎo)致接觸網(wǎng)過(guò)熱[1-4]。 接觸網(wǎng)和受電弓一旦在列車運(yùn)行過(guò)程中損壞，將直接導(dǎo)致列車運(yùn)行的中斷。 因此弓網(wǎng)接觸是否良好直接關(guān)系列車的運(yùn)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(guò)采集列車運(yùn)行過(guò)程中弓網(wǎng)間的接觸力，可以分析出列車運(yùn)行線路的狀況，找出線路隱患和故障點(diǎn)，并可延長(zhǎng)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(cè)主要分為兩種，一種是通過(guò)在受電弓安裝壓力傳感器的直接測(cè)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(guò)光纖將接觸力數(shù)據(jù)傳輸至處理器，利用受電弓震動(dòng)的加速度對(duì)接觸力數(shù)據(jù)校正[11]；一種是通過(guò)相機(jī)采集受電弓圖像利用圖像處理識(shí)別技術(shù)的間接測(cè)量。 如日本鐵路技術(shù)研究院的Tatsuya KOYAMA，Mitsuru 等人利用圖像識(shí)別技術(shù)，測(cè)量受電弓基板和集電舟之間的距離，根據(jù)胡克定律計(jì)算出受電弓的接觸力[12]，該種方法精度差。

本文設(shè)計(jì)了一種跨坐式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在集電舟上粘貼光纖光柵應(yīng)變計(jì)測(cè)量受電弓的應(yīng)變值，通過(guò)最小二乘擬合算法將測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)通過(guò)對(duì)集電舟的應(yīng)力分析得到應(yīng)變計(jì)最佳粘貼位置，提高檢測(cè)的靈敏度。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(fù)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(dòng)集電舟的抬升，集電舟與接觸網(wǎng)接觸。 通過(guò)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(huì)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(guò)在集電舟上安裝應(yīng)力計(jì)測(cè)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(guò)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(jì)金屬應(yīng)變計(jì)測(cè)量集電舟的形變，由于金屬應(yīng)變計(jì)的耐壓最大達(dá)500 V～750 V，接觸網(wǎng)的1 500 V 高壓電會(huì)將金屬應(yīng)變計(jì)擊穿，損壞傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，嚴(yán)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(duì)弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行檢測(cè)。 由于光纖光柵對(duì)應(yīng)變和溫度敏感，需要對(duì)其溫度補(bǔ)償來(lái)提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，正負(fù)極受電弓上兩個(gè)銅滑板下弓頭基板上粘貼兩個(gè)應(yīng)變計(jì)，與溫度傳感器通過(guò)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(jì)和溫度傳感器的波長(zhǎng)值，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)根據(jù)采集到的應(yīng)變值計(jì)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(cè)效果，應(yīng)變計(jì)需要粘貼在集電舟應(yīng)力形變最大處，該位置對(duì)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(rùn)滑條托架和潤(rùn)滑條構(gòu)成，接觸網(wǎng)與受電弓銅滑板和潤(rùn)滑條接觸，潤(rùn)滑條通過(guò)潤(rùn)滑條托架固定在弓頭基板上，銅滑板通過(guò)螺絲固定在弓頭基板上，接觸網(wǎng)直接接觸的銅滑板和潤(rùn)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(duì)稱性，使得弓頭基板的不同位置對(duì)力的敏感度不同。 為了準(zhǔn)確獲取受電弓的接觸力，應(yīng)變計(jì)應(yīng)安裝在集電舟對(duì)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(duì)受電弓進(jìn)行有限元模型建立，其中潤(rùn)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(rùn)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(diǎn)，對(duì)所選取的7 個(gè)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(jì)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(guò)分析得到最佳的應(yīng)變計(jì)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(jì)。 如圖5 所示。

圖4 7 個(gè)位置的應(yīng)力云圖

圖5 應(yīng)變計(jì)粘貼位置示意圖

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)

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

弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)中的粘貼應(yīng)變計(jì)及溫度傳感器的集電舟如圖6 所示，每個(gè)集電舟兩側(cè)粘貼應(yīng)變計(jì)，每個(gè)應(yīng)變計(jì)有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，與粘貼在集電舟的溫度傳感器串聯(lián)通過(guò)光纖接到光柵解調(diào)儀中，解調(diào)儀與上位機(jī)通過(guò)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(jì)算

在列車運(yùn)行過(guò)程中，接觸線在銅滑板長(zhǎng)度范圍內(nèi)會(huì)橫向反復(fù)滑動(dòng)，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(shí)刻變化。 由集電舟的應(yīng)力分析可以得出，弓頭基座每個(gè)位置對(duì)力的敏感度不同，因此應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變值與接觸力大小和接觸力施加位置有關(guān)。 通過(guò)采集不同位置處施加的不同接觸力以及相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變計(jì)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(cè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)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(yàn)設(shè)備如圖7 所示。

圖7 確定應(yīng)變值與接觸力關(guān)系實(shí)驗(yàn)設(shè)備

以負(fù)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(gè)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(jì)的應(yīng)變值如表1、表2 所示。 其中，表1 為上方應(yīng)變計(jì)(應(yīng)變計(jì)1、應(yīng)變計(jì)2)在不同施力下應(yīng)變值的均值pu。 表2 為下方應(yīng)變計(jì)(應(yīng)變計(jì)3、應(yīng)變計(jì)4)在不同施力下應(yīng)變值的均值pd。

表1 上方應(yīng)變計(jì)在不同施力下應(yīng)變值的均值

表2 下方應(yīng)變計(jì)在不同施力下應(yīng)變值的均值

應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變合計(jì)值與接觸力有關(guān)，接觸力越大，應(yīng)變合計(jì)值越大，但由于粘貼位置處的應(yīng)變計(jì)對(duì)力的敏感度的差異，使得施力位置對(duì)應(yīng)變合計(jì)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(duì)應(yīng)變合計(jì)值的影響，從而得出接觸力與應(yīng)變合計(jì)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(jì)接觸力受力位置。 受力位置在上方應(yīng)力計(jì)和下方應(yīng)力之間運(yùn)動(dòng)，使得兩組應(yīng)力計(jì)粘貼位置處產(chǎn)生不同形變，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求出上方和下方應(yīng)力計(jì)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(jì)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(guò)對(duì)上方應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力值與下方應(yīng)變計(jì)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(jì)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(zhǔn)接觸力為60 N，因此以60 N 時(shí)的應(yīng)力合計(jì)值作為基準(zhǔn)，確定受力位置與應(yīng)力合計(jì)值的關(guān)系。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求出應(yīng)力合計(jì)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(jì)值和位置的關(guān)系式，如式(2)所示。 其中p60為對(duì)受電弓施加60 N接觸力是應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力合計(jì)值。 由圖9 可知應(yīng)力合計(jì)值與接觸力的位置有關(guān)。

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

③確定應(yīng)力合計(jì)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(guò)計(jì)算不同接觸力下的應(yīng)力合計(jì)值之比可以得到接觸力與應(yīng)力合計(jì)值的關(guān)系。針對(duì)接觸力為60 N 時(shí)的應(yīng)力值合計(jì)值p60，計(jì)算應(yīng)力合計(jì)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(jì)值與接觸力的關(guān)系，如式3 所示

圖10 應(yīng)力合計(jì)值與接觸力的關(guān)系圖

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

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)測(cè)量精度試驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)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(yàn)臺(tái)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)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(gè)受力點(diǎn)，從受電弓框架側(cè)依次標(biāo)記為位置1 到位置5，將負(fù)極受電弓分別安裝在受電弓試驗(yàn)臺(tái)，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(zhǔn)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(yàn)臺(tái)對(duì)負(fù)極受電弓上選取的受力點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)與弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)連接，測(cè)量集電舟的應(yīng)變值，根據(jù)式(4)得到負(fù)極受電弓的接觸力測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)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(jì)的跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)誤差，系統(tǒng)的檢測(cè)誤差為施加標(biāo)準(zhǔn)力與系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的差值如圖11所示。 可見(jiàn)利用本文設(shè)計(jì)的接觸力檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)誤差不大于±5 N。

表3 接觸力測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果

圖11 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)誤差

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)在重慶軌道交通3 號(hào)線進(jìn)行應(yīng)用，童家院子至魚洞區(qū)間運(yùn)行區(qū)間內(nèi)弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)。 將安裝有傳感器的受電弓替換試驗(yàn)車原有的受電弓。 通過(guò)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(jī)根據(jù)解調(diào)儀的數(shù)據(jù)計(jì)算弓網(wǎng)接觸力。

表4 為本文設(shè)計(jì)的弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)童家院子至魚洞運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的接觸力檢測(cè)結(jié)果。 由表4可見(jiàn)銅元局站至岔路口測(cè)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(shuō)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(jiàn)本文設(shè)計(jì)的弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)弓網(wǎng)接觸質(zhì)量作出量化評(píng)價(jià)，具有實(shí)用價(jià)值。

表4 童家院子至魚洞區(qū)間內(nèi)接觸力測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

本文研究并設(shè)計(jì)一種跨座式單軌車弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)，利用了粘貼在受電弓基板的光纖應(yīng)變計(jì)作為測(cè)量受電弓基板形變傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車運(yùn)行線路的接觸力檢測(cè)。 該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)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(jì)粘貼位置；通過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度。 該系統(tǒng)應(yīng)用于重慶三號(hào)線童家院子至魚洞運(yùn)行區(qū)間，對(duì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的弓網(wǎng)接觸質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，取得了良好的效果。 本系統(tǒng)可對(duì)接觸狀態(tài)與弓網(wǎng)受流質(zhì)量監(jiān)測(cè)。 本系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)列車運(yùn)行線路的狀況，找出線路隱患和故障點(diǎn)，并可延長(zhǎng)接觸網(wǎng)和受電弓滑板的使用壽命做出重要參考。 具有對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)影響小，可對(duì)弓網(wǎng)接觸力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。