李加鑫 王富國(guó) 劉業(yè)洋

（1.濟(jì)南鐵路局供電處，山東 濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南鐵路局供電段，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

高速電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)的無備用特性決定了它在鐵路運(yùn)輸中舉足輕重的地位，受電弓和接觸網(wǎng)組成的二元能量傳輸系統(tǒng)中，受電弓和接觸網(wǎng)彼此約束，相互依存，它是動(dòng)與靜、剛與柔的矛盾統(tǒng)一體。在弓網(wǎng)的多重（幾、機(jī)、電、材）耦合之中，合理的幾何耦合是弓網(wǎng)穩(wěn)定受流的基礎(chǔ)，而接觸網(wǎng)和電力機(jī)車受電弓的弓網(wǎng)關(guān)系，不能簡(jiǎn)單的通過接觸線的導(dǎo)高、拉出值等幾何尺寸和抬升力等指標(biāo)來評(píng)估，要利用接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)車模擬受電弓的實(shí)際運(yùn)行，通過接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)和電力機(jī)車的弓網(wǎng)關(guān)系。

目前我國(guó)根據(jù)檢測(cè)設(shè)備是否與接觸線接觸，將動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式設(shè)備一般是在受電弓上安裝相應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬點(diǎn)、導(dǎo)高和拉出值參數(shù)的測(cè)量；非接觸式設(shè)備一般是通過雷達(dá)、激光、線陣相機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

本文對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段幾種接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法、原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討，從而對(duì)以后的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)改進(jìn)提供一些合理建議。

1 各種方式檢測(cè)原理

1.1 接觸式檢測(cè)方法

圖1

圖2

接觸式檢測(cè)方法就是利用在受電弓兩滑板下兩端四個(gè)位置安裝壓力傳感器和速度傳感器，如圖1，利用接觸線和受電弓滑板間的作用力和反作用力。在靜止?fàn)顟B(tài)下，檢測(cè)出滑板上四個(gè)壓力傳感器上的合力，F(xiàn)1+F2+F3+F4-FJ=0，從而得到FJ=F1+F2+F3+F4，F(xiàn)J即為接觸線和受電弓之間的壓力。

在檢測(cè)車運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生垂直滑板方向的加速度，a=a1+a2+a3+a4/4,從而得到 FJ=F1+F2+F3+F4±m(xù)a－W0。W 和 m 是固定數(shù)值，不需測(cè)量，只要測(cè)出四個(gè)傳感器的 F1、F2、F3、F4，用加速度計(jì)測(cè)出 a，則接觸力FJ就可計(jì)算出來，圖2是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的方框圖。

導(dǎo)高的測(cè)量相對(duì)件簡(jiǎn)單，只需選一基準(zhǔn)高度，采用高精度傾角傳感器通過拉桿與受電弓轉(zhuǎn)軸連接，受電弓升降時(shí)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)傳感器變化，從而計(jì)算出相應(yīng)的高度值。

網(wǎng)壓檢測(cè)由隔離變壓器變低電壓（0～5V）后，輸入計(jì)算機(jī)采集卡，進(jìn)行換算。

1.2 非接觸式檢測(cè)

我國(guó)常用非接觸式檢測(cè)方式，激光雷達(dá)和線陣相機(jī)。

1.2.1 雷達(dá)檢測(cè)

采用激光雷達(dá)來檢測(cè)拉出值及其導(dǎo)線高度等參數(shù)。激光雷達(dá)安裝于車頂上，測(cè)得激光雷達(dá)中心于車體頂面的中心的偏離值為C（大小區(qū)分方向性，一般規(guī)定左為負(fù)，右為正）。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)為非接觸的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，通過連續(xù)發(fā)射激光束的方式對(duì)被測(cè)物體或背景進(jìn)行二維平面測(cè)量。激光雷達(dá)以角分辨率0.25°對(duì)背景做扇面掃描，得到以安裝平面為橫軸的距離輪廓曲線。安裝于車頂?shù)募す饫走_(dá)可以很容易的獲得包括接觸懸掛在內(nèi)的距離信息，由于激光雷達(dá)將超出測(cè)量范圍的距離設(shè)為FF，因而只要再加上距離、角度限定，便可獲得接觸懸掛的位置信息，從而獲得所需要的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。激光雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)格式為：每一個(gè)角度值對(duì)應(yīng)一個(gè)距離值。所以我們只要能判斷出哪個(gè)距離值或角度值是被測(cè)物體所產(chǎn)生的，即可能得到導(dǎo)高及計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的拉出值。如下圖3所示：

圖3

1.2.1 線陣相機(jī)檢測(cè)

該檢測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)線陣相機(jī)組成，利用三角法原理獲取三維信息，即由兩個(gè)相機(jī)的圖像平面（或單相機(jī)在不同位置的圖像平面）和被測(cè)物體之間構(gòu)成一個(gè)三角形。已知兩個(gè)相機(jī)之間的位置關(guān)系，便可以獲取兩個(gè)相機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

根據(jù)相機(jī)的相互位置關(guān)系與成像位置,計(jì)算出目標(biāo)在建立的坐標(biāo)系中的位置,如圖4所示：

圖4 線陣相機(jī)三角測(cè)量原理圖

式中：α、β為線陣相機(jī)透鏡主軸與相機(jī)安裝平面夾角；h為目標(biāo)與相機(jī)安裝平面的距離；h0為相機(jī)安裝平面與軌面距離；L為兩相機(jī)安裝間距離；a為檢測(cè)目標(biāo)在相機(jī)安裝平面的投影與相機(jī)A的距離；da、db分別為成像平面 Sa、Sb上目標(biāo)物體像點(diǎn)與光心投影的距離；fa、fb為兩相機(jī)焦距；α1、β1分別為連接檢測(cè)目標(biāo)及其像點(diǎn)的直線與主軸相交的夾角；H為接觸線高度；Z為拉出值。

2 接觸式和非接觸式動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 接觸式檢測(cè)方式優(yōu)缺點(diǎn)

接觸式檢測(cè)是接觸線和受電弓直接接觸后得出的數(shù)據(jù)，最能體現(xiàn)弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，而且不會(huì)受到雨、雪、大風(fēng)天氣的影響，對(duì)設(shè)備的日常維護(hù)和檢查直觀簡(jiǎn)單。

但接觸式檢測(cè)方式同樣存在很多缺點(diǎn)：（1）存在機(jī)械磨損，在更換受電弓滑板的同時(shí)，傳感器也要重新安裝。（2）存在高低壓絕緣問題，絕緣老化和大霧、雨、雪等惡略天氣下有可能與車頂絕緣擊穿，造成弓網(wǎng)事故的隱患。（3）接觸式檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定是在列車靜止時(shí)進(jìn)行的標(biāo)定，在運(yùn)行中的列車存在震和晃動(dòng)，導(dǎo)致與真實(shí)的數(shù)據(jù)存在一定差距。

2.2 非接觸式檢測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)

非接觸式檢測(cè)方式由于不和接觸線直接接觸，因此不存在高壓擊穿的危險(xiǎn)，線陣傳感器攝像機(jī)具有較高的分辨率和很好的實(shí)時(shí)輸出特性。高速線陣相機(jī)傳感器攝像機(jī)每掃描一次，可立即將掃描結(jié)果進(jìn)行一次視頻輸出，很容易做出連續(xù)處理，非常適合對(duì)被測(cè)圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理。又由于線陣相機(jī)測(cè)量精度和掃描頻率非常高，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體也能得到高分辨率的圖像，所以備受青睞。

非接觸式檢測(cè)方式同樣有非常明顯的缺點(diǎn)：（1）在大霧、雨、雪等天氣下，由于光線的折射測(cè)得數(shù)據(jù)會(huì)失真，尤其在大雪期間尤為嚴(yán)重。（2）在渡線和錨段較多的戰(zhàn)場(chǎng)和分相區(qū)段，由于接觸線較多，經(jīng)常出現(xiàn)把非工作支當(dāng)成工作支參數(shù)。

［1］蔡學(xué)敬，陳唐龍，牛大鵬.基于onuris線陣列CCD攝像技術(shù)的高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［2］吳積欽，董昭德.鐵道部客運(yùn)專線接觸網(wǎng)培訓(xùn)教材[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.