■ 李向東 孫忠國(guó)

弓網(wǎng)接觸力是評(píng)估弓網(wǎng)受流質(zhì)量和接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)、驗(yàn)證仿真模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)及診斷接觸網(wǎng)局部缺陷的關(guān)鍵參數(shù)。近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的增加，弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)在接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)驗(yàn)收和運(yùn)營(yíng)安全方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。高速弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)技術(shù)隨著傳感器、高低壓信號(hào)隔離、供電隔離、電磁屏蔽等技術(shù)的發(fā)展而趨于成熟，已實(shí)現(xiàn)在動(dòng)車(chē)組最高試驗(yàn)速度400 km/h的受流狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)受電弓、接觸壓力傳感器組件、高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集處理單元、光信號(hào)傳輸裝置、供電隔離變壓器、低壓側(cè)信號(hào)處理單元及弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)數(shù)據(jù)波形顯示與分析系統(tǒng)、弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)數(shù)據(jù)集成與處理系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖1）。在受電弓滑板兩端支撐點(diǎn)安裝4個(gè)壓力傳感器（每條滑板安裝2個(gè)），同時(shí)將4個(gè)加速度傳感器和壓力傳感器剛性連結(jié)成一體，傳感器產(chǎn)生的mV級(jí)電壓信號(hào)，經(jīng)多層屏蔽電纜傳輸至高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集處理單元，進(jìn)行放大、濾波、V/F轉(zhuǎn)換等信號(hào)調(diào)理，轉(zhuǎn)換和整形后成為適合光纖傳輸?shù)臄?shù)字量，經(jīng)光信號(hào)傳輸裝置高低壓隔離后再送入低壓側(cè)的光纖解調(diào)器，通過(guò)解調(diào)器把光信號(hào)再變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)整形、濾波后進(jìn)行采集處理，最后經(jīng)動(dòng)態(tài)弓網(wǎng)接觸力模型計(jì)算，實(shí)時(shí)輸出弓網(wǎng)接觸力的檢測(cè)值。

2 檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

弓網(wǎng)接觸力動(dòng)態(tài)測(cè)試中，要做到測(cè)量系統(tǒng)可靠運(yùn)行、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，必須解決慣性力和空氣動(dòng)力補(bǔ)償技術(shù)、傳感器制造和弓頭改造技術(shù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 慣性力和空氣動(dòng)力補(bǔ)償技術(shù)

列車(chē)在高速運(yùn)行狀態(tài)下，隨著速度的不斷變化，弓網(wǎng)間的動(dòng)態(tài)接觸壓力變得十分復(fù)雜，由于受電弓弓頭振動(dòng)產(chǎn)生的慣性分力越來(lái)越大，成為影響弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力波動(dòng)的主要因素。

2.1.1 受電弓受力狀態(tài)

列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，受電弓將受到各種外在及內(nèi)在力的影響。受電弓的高度變化迅速，因而產(chǎn)生較大的慣性力，對(duì)接觸壓力產(chǎn)生較大影響。另外還有施加于受電弓上的空氣動(dòng)力。受電弓發(fā)生高度變化時(shí)，其自身結(jié)構(gòu)還產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力。受電弓在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)的受力狀態(tài)見(jiàn)圖2。

根據(jù)牛頓第二定律，接觸壓力P為：

由式（1）可知，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力P由靜態(tài)抬升力PT、空氣動(dòng)力抬升力Pf、歸算質(zhì)量m及受電弓垂向慣性加速度a等參數(shù)所決定，其中歸算質(zhì)量及空氣動(dòng)力抬升力的計(jì)算和測(cè)量是動(dòng)態(tài)接觸壓力精確檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.2 慣性力補(bǔ)償計(jì)算

受電弓歸算質(zhì)量是一個(gè)重要參數(shù)，高速受電弓在保證應(yīng)有剛度和強(qiáng)度條件下，應(yīng)具有最小的歸算質(zhì)量，減小受電弓的歸算質(zhì)量是受電弓優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)。圖3為單臂受電弓質(zhì)量歸算示意圖，其中設(shè)單臂弓框架的頂點(diǎn)Q以速度v向上運(yùn)動(dòng)，下框架AC繞A點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，撐桿BD繞B點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，上臂桿繞瞬心O轉(zhuǎn)動(dòng)，O2為上臂桿CQ的重心，OC長(zhǎng)度為P1，OO2長(zhǎng)度為Ps。

根據(jù)動(dòng)能原理，Q點(diǎn)的上下運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)，因而先求各桿的角速度及各桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，建立各桿的動(dòng)能方程，再根據(jù)受電弓框架歸算到Q點(diǎn)的總質(zhì)量為mt，可建立歸算到Q的總動(dòng)能，則包括弓頭在內(nèi)的單臂弓的歸算質(zhì)量為：

式中：J1為下臂桿對(duì)旋轉(zhuǎn)軸A的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2、m2分別為上臂桿對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量；J3為撐桿對(duì)旋轉(zhuǎn)軸B的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m0為弓頭質(zhì)量；U、Z為系數(shù)，由受電弓的尺寸計(jì)算得到；L1、L2、L3分別為下臂桿AC、上臂桿CQ、撐桿BD的長(zhǎng)度。

根據(jù)上述計(jì)算模型，可以計(jì)算出不同型號(hào)、不同工作高度的受電弓歸算質(zhì)量，再通過(guò)與壓力傳感器剛性連接的補(bǔ)償加速度傳感器對(duì)慣性加速度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采用高精度調(diào)理器和高速采集器對(duì)接觸壓力和補(bǔ)償加速度的模擬信號(hào)進(jìn)行同頻率濾波、同步采集和調(diào)理，在數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)中固化同步合成算法，從而實(shí)現(xiàn)慣性動(dòng)力分量的精確測(cè)量。

空氣動(dòng)力抬升力的大小隨速度等級(jí)的變化而變化，具體數(shù)值在線(xiàn)路試驗(yàn)測(cè)試中確定。試驗(yàn)時(shí)用繩子固定測(cè)試受電弓滑板，使其距接觸線(xiàn)的距離為150 mm，在開(kāi)閉口方向往返測(cè)試數(shù)次，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定當(dāng)前速度等級(jí)的空氣動(dòng)力抬升力。在動(dòng)態(tài)接觸壓力測(cè)量模型中，根據(jù)不同的速度等級(jí)和開(kāi)閉口方向，增加線(xiàn)路測(cè)試值，即進(jìn)行了空氣動(dòng)力抬升力補(bǔ)償。

2.2 傳感器制造和弓頭改造技術(shù)

列車(chē)在高速運(yùn)行狀態(tài)下，要獲得良好的弓網(wǎng)受流質(zhì)量，受電弓的性能至關(guān)重要，因此安裝在受電弓弓頭上的傳感器組件不能破壞受電弓原有的性能和機(jī)械強(qiáng)度。研制傳感器組件時(shí)，在硅彈性膜片上用半導(dǎo)體器件制造技術(shù)在確定晶向上制作相同的4個(gè)感壓電阻，將其連接成全臂電橋，接上外加電源就組成了壓力傳感器；補(bǔ)償加速度傳感器采用壓電材料加工而成，采用高強(qiáng)度鈦合金材料在高精度數(shù)控機(jī)床上加工封裝外殼，把壓力傳感器和加速度傳感器進(jìn)行整體式封裝（見(jiàn)圖4）。該組件具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并具備質(zhì)量小、精度高、線(xiàn)性度好、分辨率小、輸出信號(hào)大、過(guò)載能力強(qiáng)、抗電磁干擾及共振頻率高、滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)和靜態(tài)狀態(tài)檢測(cè)要求等特點(diǎn)，既保證了傳感器組件的質(zhì)量不會(huì)改變受電弓弓頭的歸算質(zhì)量，又保證了足夠的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)，根據(jù)不同受電弓的弓頭形狀，對(duì)弓頭加裝匹配的輔助部件，使傳感器組件作為承力部件安裝至滑板與弓頭的垂向傳力軸線(xiàn)上，對(duì)滑板和弓頭進(jìn)行高強(qiáng)度連接。

圖2 高速運(yùn)行狀態(tài)下受電弓受力圖

圖3 單臂受電弓質(zhì)量歸算示意圖

圖4 傳感器整體封裝和弓頭改造安裝圖

改造和加裝了傳感器的受電弓，其動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能不應(yīng)發(fā)生變化，為驗(yàn)證其性能，需在專(zhuān)用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)能產(chǎn)生多種振動(dòng)模式，在振動(dòng)臺(tái)上能實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)狀態(tài)，受電弓應(yīng)對(duì)激勵(lì)頻率產(chǎn)生相應(yīng)的跟隨反應(yīng)。同時(shí)可驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)臺(tái)以0.5 Hz為步長(zhǎng)，一直振動(dòng)到30 Hz，根據(jù)公式（3）的傳遞函數(shù)，計(jì)算其值是否大于90%：大于90%則證明檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試準(zhǔn)確性良好，否則需對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化再驗(yàn)證測(cè)試。

式中：fn、f1、fi+1、fi分別為最高振動(dòng)頻率（30 Hz）、最低振動(dòng)頻率（1 Hz）、第i+1次的振動(dòng)頻率、第i 次的振動(dòng)頻率；Fmeasured、Fapplied分別為弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的力和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量的力。

2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)處理技術(shù)

檢測(cè)系統(tǒng)在250 km/h及以上高速運(yùn)行狀態(tài)下，需要對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、測(cè)量模型計(jì)算、波形顯示與分析、超限判斷、報(bào)表輸出、速度里程計(jì)算等一系列分析處理，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析處理，計(jì)算量很大，將造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源不足，CPU占用率急劇上升，檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。該系統(tǒng)采用分布式計(jì)算方法，多臺(tái)計(jì)算機(jī)并行處理，通過(guò)TCP/IP協(xié)議或UDP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集處理前端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)字濾波、測(cè)量模型計(jì)算，以4個(gè)點(diǎn)/m的速度輸出具有速度、里程、接觸力參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，以UDP/IP協(xié)議傳輸給波形顯示與分析計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形顯示與分析，并以UDP/IP協(xié)議傳輸給數(shù)據(jù)集成與處理計(jì)算機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析、超限判斷、超限編輯、報(bào)表輸出及統(tǒng)計(jì)圖表等處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)研究高速弓網(wǎng)接觸力的檢測(cè)原理和運(yùn)行環(huán)境，分別介紹了慣性力和空氣動(dòng)力補(bǔ)償、傳感器制造和弓頭改造、檢測(cè)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)處理等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。上述技術(shù)已應(yīng)用于鐵道部基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心的高速綜合檢測(cè)列車(chē)上，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中已成功診斷出線(xiàn)夾傾斜、硬點(diǎn)、接觸線(xiàn)高差、中心錨結(jié)輔助繩緊縮、彈性不均勻等類(lèi)型缺陷，為高速鐵路接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

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