（计算机应用技术专业论文）弓网接触力检测的仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国家对铁路的科技投入，我国的铁路逐渐向高速化、电气化方向迅 猛发展，而安全是铁路运输中永恒的主题。所以，接触网与受电弓的安全检 测也越来越得到了人们的重视。 接触网与受电弓韵良好接触是保证电力机车安全运行的前提。在静止状 态下，接触网与受电弓之间有很好的接触，但是，运行中的电力机车，由于 接触悬挂沿跨距的弹性不均匀性以及受电弓惯性力的影响，使受电弓在垂直 方向产生具有一定振幅的振动，导致受电弓的状态不断的变化，就有可能引 起离线等弓网事故的发生。而受电弓状态的这种变化可以由弓网之间的接触 力很好的反映出来，所以，通过检测弓网之间的接触力可以得到接触网与受 电弓的接触状况及其存在的缺陷，从而指导接触网的维修，保证电气化铁路 的安全运输。 本文分析了引起弓网故障的原因，给出弓网安全检测的原理，通过比较 国内外弓网安全检测技术的优缺点，在分析受电弓滑板的动态受力情况下， 采用一种基于接触压力的检测方法对弓网安全进行检测，通过计算机仿真分 析，得出不同技术参数和工况下的接触力的变化规律，并把模拟出的动态接 触力作为移动荷载作用在受电弓滑板上，通过受电弓的振动特性找出接触力 与传感器输出( 检测力) 在不同技术参数和工况下的变化关系，依照弓网接 触力的评价，为弓网安全检测的设计提供理论依据和指导作用。 关键词：受电弓；接触网；接触压力；检测 a b s t r a c t t h en a t i o n a lf u n ds u p p o no nt e c h l i o i o 酉船h a sb o o s t c dt h cd “e l 叩m e n to f m i l w a yw h i c hf c a t u sh i g hs p e e da n de l e c i r i z a t i o n a n ds a f e t yi st h em o s t i m p o n a i i ci nt h er a i l w a yt r 柚s p o r t a t i o n t h s ，t l l ed e l e c t i o nb c 押e e nc a t e n a r ya i l d p a n t o 脚hi sap r a c t i c a la n dm l l i n 倒j o b t h cw c c t a c tb e 柳e c nt h ec a t e a r ya n dp a j l t o 聊hi st h ep r e c o n d i t i o nf o r 1 0 c o m o t i v e ss a f en i 册i n g ，b u tt h e 勰y m m e 硒cc l a s t i c i t yo ft i i ec o n t a c t h a l l 舀n ga n d t h ei n f l u e n c eo ft h ep a n t 0 孕a p hm e r t i af o r c cm a yc a u s es o m ev c i t i c a lv i b r a t i o n0 f p 卸t o 笋a p h 锄dl e a dt o t h es t a t ec h 粗g e ，w h i c hc a nr c s u ni ns u c ha c d d e n t sa s c o n t a c t l o s s 弧ec h 卸g co ft h ep 柚t o g r a p hs t a t ec a nb ew e nr c f l e c t e db yt l l e c o n 纽c tf o r c e ，w cc a i ig a i nt h ec o n t a c ts t a t eo f l i ec a t c n a r ya n dp a n t o 酉a p ha d f i n dt h eh i d d c nt m u b k sb yd c l e c t i v i n gt h cc o n t a c tf o r c c ，t l l ed c t e c t i o nc a ng u i d e t h cm a i n t e n a n c eo ft h ec a t e n a r yt oe n 鲫r ct h es a f cr a i l w a y 缸a 邶p o r t a t i o n i nt l l i sl h e s i st h er c 塔。璐o fc a t c i l a r y 趴dp 强t o 铲a l la c c i d 锄t sa r ea n a l y z e d ， 强dt h ei i l s p e c i i p r i l i c j p l ei sg i v c b yc o m p 舡i n gt h cd c t c c t i o nt e c h n o l o g i e s d o m c t i ca n dd b r o a da n d 卸a l y z i n gt i l cp r e 嚣c ds t a t eo ft h ch e a do ft h ep a n 0 聊h ， ac o n t a c tf o r c eb 硒c dd e t c c t i 彻m c m o di sa d o p t c d t h r o u g hc m l i l a t i o n ，t h ec h a n g e m l eo fc o n t a c tf o r c cu n d e rd i 打b r c n tt c c 枷c a lp a r a m e t e r s 龃dw o r k 衄l d i t i o n si s f o u n d ，t h ec l l 罩l n g er d a t i o nb e t w e e n n t a c tf o r a n ds 髑s o ro u t p u t ( d e t e c t e df o r c e ) i so b t a i n e dv i at h ev i b f a t i o nf e a m r co fp a n t o 伊a p h t h ee m l l l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t cm a td e t e c t i n gt h cc o n t a c ts t a t eb e 岍e e ni h ec a t e n a r ya n dp a i l t o g r a p h a l l dt h eh i d d c nt f o u b i e sb y 如搬：i i 培c o n t a c tf o r c ei sf e a s i b l e ，也em e t h o dc a nb e r e f e r e n c et ot h ed e s i g no f c a t e n a r ya l l dp a i l t o g r a p hd e t e c t i n g k e y w o r d s ：p 锄o g m p h ；c a t e n a r y ；c o n t a c tf o f c c ；d e t e c i i o n 亘塑茎鎏查兰堡主塑蜜生兰垡丝塞 一兰! 基 第1 章绪论 1 1 课题的提出及其意义 近几年来，在“科教兴路”的战略指导下，国家对铁路进一步加大了 科技投入，使铁路向快速化、高速化的方向发展。电气化铁路具有高效、 重载和对环境污染小等优点，是高速铁路发展的重要途径之一，也是目前 铁路旧线路改造和新线路建设的首选。据统计，我国从1 9 5 8 年开始修建 宝鸡凤州电气化铁路至今，先后修建了京秦、成渝、广深等多条电气 化铁路。这当中，中铁电气化局集团建成电气化铁路1 6o o o 余公里，占 全国电气化铁路总里程的8 0 以上。到2 0 0 5 年底，我国共建成开通4 3 条电气化铁路，总里程达到2 01 3 2 公里。而且正以每年约5 0 0 7 0 0 k m 的速度在建设着。预计到2 0 1 0 年将建成2 0 0 0 0 公里的电气化铁路，届时 约占全国路网的3 0 3 5 ，完成铁路总运量的6 5 7 0 ，其中高速或 准高速电气化铁路将达到60 0 0 公里。 在电气化铁路系统中，机车通过其顶部的受电弓与接触导线间的滑动 接触获取运行所需电流。受电弓和接触导线在工作状态下是一个共同体， 只有它们不间断地接触，才能完成电力机车从接触网获取电能的目标，从 而使电力机车正常运行。 如果接触网与受电弓之间没有稳定的不问断地接触，那么将会引起不 良的弓网关系，这会导致系列后果：一是弓网接触压力忽大忽小从而加 剧弓网磨耗，影响受流质量；二是导线弯曲加大，从而使接触导线产生疲 劳甚至断裂影响使用寿命；三是接触导线动抬升量加大，从而使受电弓与 接触悬挂零部件发生碰撞，引起弓网故障。弓网故障是因电力机车受电弓 和接触网间发生冲突，造成弓网双方或其中一方破坏且不经处理不能维持 正常牵引供电或机车正常运行的故障f 1 5 j 。 一旦出现弓网故障，最低程度上也会刮坏受电弓，造成机车的停运， 严重的将会造成接触网停电或刮断接触网，引起锚段堵塞，甚至扰乱整条 干线的运营计划，严重影响铁路运输的安全、畅通，给国民经济造成巨大 的损失。这种现象在新投运的电气化区段尤为常见。因此，为保证电气化 铁路的安全运行，保证可靠供电，在电气化铁路的施工和f | 常运营中，必 耍童窑婆盔堂塑主竺窒圭兰焦鲨銮一 蔓：基 须加强对弓网故障的检测，及时发现隐患，采取相应的措施消除隐患，确 保接触网与受电弓处于良好的工作状态，保证安全运营l l j 。 近年来，各大铁路干线不断地进行了电气化改造，电气化铁路逐步 成为我国铁路运输的主流干线，同时，随着我国电气化铁路的发展，人们 对弓网安全检测技术的研究也越来越多，因此，对检测方法和检测技术也 提出了一些新的要求： ( 1 ) 目前我国投入运营的电气化铁路，既有运行速度低于1 0 0 k m h 的常速铁路，又有运行速度接近2 k l n h 的高速线路【4 】；既有采用柔性悬 挂的普通接触网，又有刚性悬挂的地铁接触网。对于不同的线路，所关注 的检测项目也不同。例如常速铁路一般测量接触网的几何参数如拉出值、 接触线高度等即可满足实际需要，丽对于运行速度接近2 0 0 k m h 的高速线 路，更注重对弓网接触压力等反映弓网运行状况的参数的检测。所以，在 检测技术方面秉承传统的静态检测技术的同时，又在寻找先进的动态检测 技术【3 1 。 ( 2 ) 传统的弓阿安全检测装置是接触网检测车，也即是巡检车，它 是大型专用车，与客车编组，用于检测电气化铁路接触网技术参数的专用 车辆，一般每年只能安捧3 4 次运行，不能对正在运行的电力机车进行 在线的实时检测，也就不能及时得出机车的运行状态。所以，要求新的检 测设备能够对运行中的电力机车进行实时的检测，检测结果能够真实地反 映被测对象的实际情况。 可以看出，目前需要研究一种新型的动态检测技术来实时的检测受电 弓和接触网的状态，及时得出电力机车的运行情况，以便能及时发现问题， 并采取相应的措施进行维修，最大可能减少或避免发生弓网故障。 基于接触压力的弓网安全检测能够很好的满足上面提出的要求，可以 对受电弓和接触网进行实时的检测，而不需要占用正常运行区间和运行时 间，它对于保障弓网安全性具有极其重要的现实意义。 1 2 弓网安全检测技术的历史与现状 对受电弓与接触网安全的检测，一般分为静态检测和动态检测两大 类。静态检测主要是测量接触网接触悬挂各部分的静态尺寸，尤其是接触 线的高度、抬升量、静态压力和之字值。通过静态测量，可以检查接触网 是否严格按设计要求安装或者经过一段时间运营后，检查接触网的尺寸是 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 否偏离了设计给定的数据，因而静态测量只反映接触网的静态位置。静态 测量的传统方法为逐点测量，既费时又费力。 弓网安全检测技术是随着铁道电气化的发展而产生的，发展弓网安全 检测系统较早的是前联邦德国，旱在1 9 5 1 年就在线路上进行了包括空气 动力学特性、受电弓特性、质量，接触悬挂的振动及受流等试验。其后， 法国也进行了大量的实际线路受流试验；日本对弓网安全检测技术也做了 大量的研究和试验，开发出一系列根据不同的要求而设计的接触网检测 车；奥地利在光学非接触法检测接触网参数的研究中取得了很大的进展。 国外对弓网安全的检测一般都是根据本国实际情况，选择合适的侧重点进 行的。例如德国把弓网问的接触压力作为检测重点，而日本则突出检测弓 网离线和接触网磨耗【5 j f “。 离线率的降低常常是接触羽、受电弓系的重要课题之一，其意味着用 离线率评价集电性能是合理的。然而要定量地确定接触网和受电弓的接触 性能，仅有离线率的评价是不够的这是因为；离线率只不过是受电弓和 接触网是否接触的o n o f f 信号，离线率是以电弧光量、集电电流为基础 算出，比较测定结果，很大程度受到集电电流的大小和测定方式的影响。 我国的弓网安全检测系统研究起步于上世纪6 0 年代。主要使用接触 网检测车对接触网相关参数进行检测。利用接触网检测车对接触网的检测 实际上是在列车运行中检测接触网自身结构及受流系统的各项机械和电 气参数，借以评价接触悬挂和受电弓的性能，检查接触网工程质量和运营 质量。 由于当时列车运行速度较低，平均运行速度为4 0 k n 油，所以更多的 是关心接触网静态结构参数，如拉出值、线岔、接触线高度等，因为这些 参数关系到接触网运营的安全问题；随着列车速度的提高，更多关注的应 该是接触网的运营质量问题，而反映接触网运营质量的参数主要是接触压 力、导线高度、硬点等弓网动态参数。 接触力的动态变化情况对研究受电弓的特性、接触网的悬挂结构以及 检验现有接触网的运营状态有重要意义。下面简单介绍国内外接触力测量 装置的情况l l2 j ： 国内在1 9 8 7 年研制了我国第一台“受电弓与接触网间的接触力测量 装置”，安装在9 7 5 4 0 试验车上。该装置在滑板和弓头间安装了4 个测土 压的传感器，为了缩短传感器输出的引线，以减少干扰，高压部的放大回 路安装在受电弓框架上，采用光纤隔离高压并传送模拟信号，接收放大整 堕蜜窑望查兰堡主坠塞生兰焦丝塞 一一 蔓兰玺 形回路放在车内的测试问。该装置由于传感器温度特性差，装在受电弓上 的高压部电路受到的冲击大，光纤连接器的耐振性能差，因此影响了使用 范围和使用寿命。 日本、前苏联、德国、法国都研制过接触力测量装置，而且也有过相 关方面的简单报道。 ( 1 ) 日本 在弓头的滑板和基板之间安装3 个力传感器，在导线和受电弓之间的 接触力作用下电阻应变片变形，电桥的平衡发生变化，给出信号，接触力 大的地方作为硬点检出。由于滑板、基板质量比较大，使检出有误差，且 力传感器频率响应也跟不上，接触力的定量检出尚存在一些问题。 ( 2 ) 前苏联 采用特制的受电弓，滑板两边贴有应变片的弹性梁支撑，可定量测定 距受电弓中心5 0 0 m m 之内的接触力。 ( 3 ) 德国 在受电弓弓头上，前后滑板的两端共安装4 个专用的力传感器，高压 部回路装在受电弓旁边的屏蔽机壳内，对4 个传感器的桥路输出，分别进 行放大和压频变换，然后通过发光管发出光信号，由光缆传送到低压接 收部，在低压部经过光电转换、整形、放大、频压变换及数学运算后进 行记录，传感器的信号是分别输出的，根据接触力在各个传感器上的分配， 通过运算可得到导线在滑板上的位置( 即测出拉出值) 。 ( 4 ) 法国 在机车上测量接触力，用特制的受电弓，也是在前后滑板上安装4 个 传感器，传感器的应变片连成半桥电路，信号的放大变换回路与德国类似， 同样根据两侧力的分配可计算出导线的位置。同时采用加速度计测出a ， 计入滑板的惯性力，以求得到实际的接触力。信号通过无线传递，从机车 上发送，试验车上接收。 针对弓网压力在线检测这个问题上，日本、德国等国家都已经有产品 应用于市场。 2 0 0 2 年7 月至8 月问东日本铁路株式会社在仙台至北九州的东日本 新干线区段进行了多次接触压力检测试验，试验机车为e 3 系列的新干线 客车。在实验中采用了遥感测量的方式得到接触压力的信号，然后通过无 线传输将信号送入机车内部的接收装置，信号转换之后，再进行数据处理 在线得到接触压力的具体数值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 德国d i eb a h n ( 简称d b ) 公司2 0 0 3 年开发出来的弓网接触压力检测 设备，试验速度5 0 0 k m h 时数据处理比较理想。 国内曾经有人提出了方案并付诸于实现，但由于线路以及产品性能等 综合因素并没有推广。 本文研究的就是一种基于接触力的检测方法，接触力是接触网、受电 弓互相作用产生的力量，其波形中应当含有接触网设备的信息。这种弓网 检测技术是在受电弓弓头上安装力传感器，应用一定的算法计算弓网接触 压力和接触导线在受电弓滑板上的位置，通过接触压力来判断硬点和拉出 值。这种方法综合考虑了受电弓支架对弓头的支撑力和弓头运动的加速度 等多种影响因素。 从检测方式来看，基于接触力的检测方式是把检测装置安装在运营的 电力机车上，在运行的电力机车上直接检测弓网故障，能反映出真实的弓 网特性，是一种动态检测方式，准确率较高。同时，这种检测方式不需要 专用的检测车辆和特殊的运行计划安排，可以随时进行弓网状态的诊断， 不受气候环境等外界因素的影响，可及时发现弓网隐患，防患于未然。 从成本方面看，基于接触力的检测方式费用低，实用性强。 从检测内容看，基于接触力的检测方式只能给出拉出值超限、硬点冲 击超限和受电弓离线的检测结果，检溯内容较单一，还有待迸一步完善和 加强。 1 3 论文的主要工作 论文研究的主要内容包括以下几方面： ( 1 ) 基于接触压力的弓网安全检测设计的原理和方法； ( 2 ) 弓网接触压力的仿真研究以及不同受电弓参数和工况下的接触 压力的表现形式； ( 3 ) 不同工况及受电弓参数下检测力与接触力关系的研究； 1 4 论文的结构 论文共分五章，按以下方式组织： 第1 章：绪论，介绍了本课题的背景、意义和现状，说明了作者的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 究工作和论文的结构。 第2 章：弓网故障原因分析，从接触网系统、受电弓、气象和技术四 个方面分析了引起弓网故障的原因。 第3 章：弓网安全检测系统的设计，介绍了弓网安全检测设计的目标、 原理、体系结构和关键技术。 第4 章：对运行状态下的弓网接触力进行了仿真研究，得到了在不同 参数下以及不同工况下的接触力的不同表现形式，并对接触力进行了评 价，对弓网安全检洳j 设计提出了理论依据。 第5 章：接触力下的检测力的仿真分析，对运行状态下的检测力进行 了仿真研究，得到了在不同受电弓参数以及不同工况下的检测力的不同表 现形式，并对接触力和检测力的关系进行了仿真分析，进一步对弓网安全 检测设计提出了理论依据和指导。 最后，对本文的工作进行了小结，指出了不足指出，并对下一步工作 进行了展望。 第2 章弓网故障及原因分析 弓网故障是电气化区段主要惯性故障机车运行中的很小问题都可能 导致损坏受电弓和接触礴，所以其发生的原因比较复杂，它涉及受电弓、 接触网、工务线路等设备的材质结构、技术状态，并与行车指挥、司机操 纵、气候条件、环境因素等密切相判1 ”。 2 1 接触网设备引起弓网故障的主要因素 众所周知电力机车最基本的能源来自接触网，而接触网因质量不良， 零部件严重锈蚀、脱落或位置不正，维修不力，接触网支持悬挂装置各部 位未达到技术标准，使受电弓弓头和接触网发生大的弹跳产生脱弓或直接 钩挂接触网，从而引起弓网故障。 1 线岔 当限制管脱落或线岔两支( 工作支与非工作支) 相距5 0 0 m 处，两工 作支导线高度差不复合要求时必然发生刮、拉弓角的故障。 2 接触网导线磨耗 接触网导线磨耗超限而又没有及时发现，或采取补强措施不当，在气 温变化时困张力变化造成断线事故。 3 接触网结构工艺 接触网导线的悬空位置是靠承力索、吊弦等一些设备固定的，这些设 备由于其内在的“弹性伸缩，应力变化”，外在的“机械磨损、锈蚀、振 动、气象”等因素的影响。最终都会导致接触网导线的悬空位置发生变化。 同理，当其诱发的拉出值增量达到一定量级时，也将造成弓网故障。 4 弯道 在弯道“顶点”，接触网导线的悬空位置在股道上的投影是弯道圆弧 的“弦”，为保证“弦中”点的拉出值合格，现有的接触网结构工艺只能 通过调整“拐点拉出值”来修正。那么，一旦出现“拐点松动”等结构故 障，根据相关的几何学原理可知，其所造成的拉出值增量是不可预料的。 如果该增量造成“动态拉出值”超差，也必然诱发弓网故障。 5 工务检修 由于工务检修抬拨道床等原因，可能造成( 机车) 受电弓、股道与接 由于工务检修抬拨道床等原因，可能造成( 机车) 受电弓、股道与接 一 互童銮鎏查堂塑主堡塞生堂垡迨塞 茎! 噩 触网之间的几何位置发生变化，这最终都将以“弓网相对位置”的方式表 现出来，其当由于股道所造成的拉出值变化超出受电弓的有效工作范围 时，接触网导线将要滑出受电弓而出现“弓网故障”。 6 接触网硬点 接触悬挂的硬点，是接触悬挂不均质态的统称。据资料显示，由于接 触网硬点造成的“弓网故障”占弓网事故总和的比重相当大。尤其是在机 车运用速度不高的时期运用比较稳定的区段，当机车提速以后由于硬点的 原因造成的弓网故障故，不得不将接触网硬点的问题重新摆在我们的议事 日程。 7 离线 离线，是指受电弓在升弓取流情况下由于接触网硬点、导高突变、接 触网( 受电弓) 结冰、接触网锈蚀等原因造成弓网之间的电气接触不可靠 时，弓网之间所出现的瞬时“脱离”现象。 从电工学原理知道，当出现离线现象时，由于弓网之间存在空气隙、 冰、氧化物等“绝缘介质”，且这些介质在高压电场的作用下所必然表现 出的电离特性，将对弓、网及机车造成如下危害。 ( 1 ) 弓、网接点拉弧，灼伤网线、取流弓弓头。 当接触网出现离线时，其基本表现特征是在弓网接点处出现“拉弧”， 由于拉弧产生的高温将同时造成网线、取流弓弓头的灼伤，久而久之必然 造成网线、取流弓弓头的非正常减寿，缩短接触网、受电弓的维护周期， 造成企业的产成本投入，给企业造成额外的运营负担。 ( 2 ) “拉弧负载”截留电网能量，机车牵引能力下降。 众所周知，升弓取流是电力机车从接触网获取能源的唯一途径。那么 当出现离线时，弓网接点之间的拉弧现象，相当于在机车的取流回路中串 入一个“拉弧负载”，该“拉弧负载”要消耗大量的接触网电能，最终将 造成运用机车获取的能力不足，牵引能力下降。直接影响铁路营运作业质 量。 ( 3 ) 造成电网污染，造成接触网供电能力下降。 由电工学原理可知，接触嗣拉弧时产生的谐波分量很大，将造成接触 网的线损和主变压器的无功损耗大幅度增加，从而使接触网的供电能力也 大幅度下降。 ( 4 ) 离线是制约电气化铁道提速的关键因素。 取流弓离线时，“拉弧点”相当于在机车的供电回路中串入一个极大 亘塑窑垩盔兰巫主塑壅竺兰笙笙塞 兰旦亘 的负载电阻，该电阻将消耗主回路的绝大部分能量，造成机车能量的被截 留现象而最终导致机车牵引动力下降。 随着车速的增加，离线几率大幅度提高，造成的能量截留现象亦愈严 重。这势必制约电气化铁道的运营速度。 2 2 受电弓引起弓网故障的主要因素 受电弓是电力机车从供电网获得电能的唯一通道，因此，如果受电弓 设计时横向刚度不足，滑板机械强度不够或安装方式不合理、滑扳末固紧 及受电弓活动关节在运用中过度磨耗、造成弓头横向摆动量超标，均可能 导致弓网故障。 1 滑板偏磨 滑板偏磨是影响滑板寿命的重要原因之一，同时滑板条磨耗过速会使 滑板磨透，不能正常与接触网接触，使滑板形成沟壑卡滞接触线从而造成 刮弓故障。 2 受电弓部件损坏 受电弓存在固有的机械传递环节，不可避免地将产生一定的振动。尤 其是机车高速运行时，受电弓受力复杂，加上恶劣的工作环境，使受电弓 的机械传递环节出现磨损、紧固件松动、应力损伤等问题，如不及时发现 处理将造成臆患。部件损坏主要集中在铰链座、三角板、底架、上框架和 拐臂等处，这无疑是不利于运用安全的。 3 弓网接触方式 由于弓网之间采取“有触点”接触方式，那么弓网之间就必然存在“接 触压力、摩擦阻力、电磁应力、火花粘连”等力学现象。而且由于这些力 学现象所表现方式的复杂性及随机性，也决定了“弓、网接点”动态“位 嚣值”增量的随机性和复杂性。 在一般的平直路段乃至拉出值范围变化比较小的路段，由于这种随机 变化现象所造成“位置值”增量不大，弓网相对位置值始终处于允许的范 围内，那么，机车运用是安全的。 当机车行进于弯道、坡道、隧道等典型区段时，由于这些典型区段的 本身就存在拉出值离散现象，再加之机车( 受电弓) 在这些典型区段的“弓、 网接点”抖动也比较激烈，那么由此诱发位置值增量也必然增大，极有可 能造成“拉出值”瞬间超差的现象，就可能造成弓网故障。这也是在前属 亘蜜窑鋈查兰塑主堡塞圭主焦笙塞 蔓! ! 基 典型区段弓网故障多发的根本性原因之一。 2 3 气象原因 由于接触网处于“户外”工作环境，大自然的气象原因必将对其产生 一定的影响。 1 风 由于接触网导线受结构工艺所限，当受到侧风作用时，将会作左右摆 动，且铅垂度越大，摆幅越大，风力越大，摆幅也越大，那么造成的拉出 值增量也越大。 2 雨 雨水将接触网、受电弓、机车打湿以后，根据电工学原理可知这些设 备的电气绝缘能力将大幅度下降，爬弧距离加大，弓网之间的火花等级增 加，增大弓网之间的火花粘连力这些因素最终所表现的力学特性之一， 就是增大受电弓抖动的动力源。 3 雪、流冰 雪，尤其是流冰，一方面会使接触网重量增加，另一方面还会使其机 械特性变脆，弹性剐度增大，易使弓网的接触面出现压、拉、剐、碰伤等 机械损伤，当受电弓通过线岔、定位点及其它结合部时，更易出现折断弓 臂、瓷瓶等易损件。 2 4 技术上的原因 由于弓网故障是在机车动态技术条件下发生的，那么，发生弓网故障 必然与机车、接触网的动态技术参数相关联，这是极为显而易见的一种共 识。 1 车速 车速，是描述机车运行技术状态的关键技术参数之一。也是弓网之间 产生相对运动的首要技术条件。正因为该首要技术条件的先决作用，导致 其与弓、网运行技术参数产生如下的关联现象。 ( 1 ) 车速愈高，硬点的破坏作用愈大。 前已述及，接触网硬点的存在是当前接触网的一种必然现象。根据力 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 学原理可知，车速愈高，弓头遭受硬点冲击时产生的加速度就愈大。仍然 根据力学原理可知，加速度愈大，弓头遭受的冲击力亦愈大。在一些典型 电气化区段南常常出现的“低速车通过时安然无恙，丽高速车通过对被打 坏弓头的现象”就是对这一力学原理的生动描述。 ( 2 ) 车速愈高，跨中的拉出值“增量”愈大。 当车速愈高时，受电弓弓头和接触线的抖动均比较激烈，那么由此诱 发的拉出值“增量”就比较达，其中在每一个跨距内的“跨中”最大。因 此，在高速区段拉出值管理技术指标要比低速区段的拉出值技术指标严格 得多。就是针对这一现象而采取的“科学、合理、实用”的一项管理措施。 ( 3 ) 车速愈高，拉弧愈严重。 对于接触网而言，其拖动的机车星电感负载特性，且弓网之间为“有 触点”接触方式，那么根据电工学原理可知，当车速愈高时，弓、网之间 “切换”速率随之成正比加大。 ( 4 ) 车速愈高，弓网磨耗率愈大。 仍然是由于弓网之间采取有触点接触( 摩擦配合) 的缘故，那么当车 速愈高时，两者之间的摩擦力也必然加大，最终导致弓、网的磨耗率也随 之加大。 2 运用操纵 为保证运用安全，业内对于各项运用操作内容都有明确的操作细则来 规范操纵动作。但是，由于内在的认为因素的或是外在的其他因素造成违 章操作时，也必然造成弓网故障。 3 设备绝缘等级 由于设备绝缘等级老化造成其绝缘能力下降时，会造成放炮、死接地、 活接地等故障，一旦出现这类故障而未能及时切断主断，那么也必然造成 对整个锚段的大负荷冲击。 一 亘壹銮湮盔堂塑主堑塞生兰丝迨塞 篁旦至 第3 章弓网安全检测系统的设计 弓网安全检测系统是在电力机车运行中，对接触网与受电弓的工作状 况以及弓网之阃的接触状况进行实时检测，及时发现接触网与受电弓存在 的安全隐患，对于发现的问题系统可以及时报警或降弓，防止事故进一步 扩大，这为保证行车安全提供了一种有效的检测手段，也为受电弓和接触 网的维修提供了一定的指导方向。 3 1 系统设计目标 受电弓和接触网作为一对高速滑动接触的耦合系统，任何部位出现问 题，都可能引发严重的故障。弓网运行的主要故障隐患包括以下几个方面： 1 受电弓离线。受电弓与接触导线脱离会引起拉弧断电，轻则烧蚀接 触网，加速接触网的磨耗；重则使机车供电中断，影响机车运行。 2 接触网上出现硬点。由于线夹倾斜过大或定位器倾角不够，造成受 电弓滑板发生撞击，或者接触导线上有硬弯等原因使接触网出现硬点。硬 点对高速运行的受电弓进行冲击时，会对受电弓弓头造成破坏。若受电弓 没有自动降弓能力，损坏的受电弓会对接触网进行拖挂，继而严重损害接 触网。当车速不高时，这些所谓的硬点一般不会表现出来，而机车高速运 行时，机车、受电弓和接触网都会出现大幅振动，网上的硬点就可能被激 发出来，引发弓网故障。 3 动态拉出值超限。拉出值即接触导线相对于受电弓中心位置的距 离。一般说来，架设好的接触网都经过了静态检测，静态拉出值都不会超 限。动态拉出值和静态拉出值相差很大。对于运行中的机车来说，动态拉 出值比静态拉出值更重要。当机车运行速度比较高时，由于机车的晃动、 接触网的摆动和振动，动态拉出值有时会超限，严重时可能造成钻弓事故。 绝大多数弓网故障几乎都与车速以及车、弓、网振幅等有关。货运机车由 于车速较低就很少出现弓网故障。这就说明，检测弓网运行情况必须注重 动态特性。 针对上面指出的动态下的弓网常发生的故障隐患，检测系统拟实现的 目标主要包括以下几个方面： ( 1 ) 受电弓离线检测； 要塑窑湮盔兰堡主堑塞皇堂丝鎏塞 一 兰! ! 基 ( 2 ) 拉出值超限检测； ( 3 ) 硬点超限检测。 所有这些隐患点的检测都是通过安装在受电弓上的压力传感器值的 变化来反映的，一旦检测出有隐患点，系统可以自动报警、记录和打印超 限信息，悯题严重时可以自动降弓。 3 2 系统体系结构 弓网安全检测系统并不是一个“单纯的”只对接触网和受电弓参数进 行检测而不控制的系统，它还要对检测信息进行判断并做出相应的反应。 它具有如下基本特征：以计算机为中心，通过传感器对被测对象有关信息 进行采集，然后通过一定的传输和接收方式传送给计算机进行分析、判断 和处理。如图3 1 所示。 图3 1 检测系统基本构成 为了设计的方便，把弓网安全检测系统以模块化的方式来表述，具体 方法如图3 2 所示。 一 亘查窑鎏盔兰塑圭堡塞生兰焦芝塞 釜堡基 弓网安全检测系统 接触 压力 检测 模块 检测数 据发送 和接收 模块 故障 隐患 分析 模块 图3 2 弓网安全检测体系结构 ( 1 ) 接触压力检测模块 系统是在运营的电力机车上工作，该模块的功能是随着机车的运行检 测接触网与受电弓之间的受力情况。通过压力传感器检测出的弓网作用力 能够反映出接触网与受电弓的状态。 ( 2 ) 数据采集模块 对压力传感器上的数值进行实时采集，采样时间设为0 1 s ，以机车速 度为1 2 0 k m ，h 为例，则每3 3 3 c m 进行一次采样，则完全可以反映出接触 网与受电弓的工况。同时，把采集到的数据保存下来，这样才能在检测结 束后，对其按不同的要求进行分析、统计、报表。 ( 3 ) 检测数据发送和接收系统 对采集到的数据实时的通过无线发送装置进行发送，由无线接收装置 接收数据信号。 ( 4 ) 信号处理及控制模块 由信号处理主机判断数据是否异常，以数值形式和动态曲线的形式显 示检测结果。若发现异常则记录下异常数据，并根据异常情况指示声光指 示器报警和自动降弓。 ( 5 ) 故障隐患分析系统 由计算机软件进行分析，包括硬点处理、离线处理和拉出值处理，形 成缺陷清单，指导接触网的维修。 要塑奎鎏盔兰塑圭堡塞生兰垡鎏塞 。篁! ! 要 3 3 实现系统的关键技术 整个系统的检测是以弓网间的作用力为计算依据的，所以要实现系 统，就必须找出一种可行的方法来检测出弓网间的接触力。要想测出电力 机车在运行中的实际接触力( 即动态值) ，在接触导线与受电弓的接触处 直接加装检测装置是行不通的，因此不能直接测量接触力，只能间接测出 接触力。 3 3 1 接触压力的检测方法 在电气化铁路中，为了延长受电弓的使用寿命，使滑板磨耗均匀，接 触导线在线路的直线区段被布置成之字形，在曲线段被布景成折线的形 式，所以，受电弓沿接触线运行时，接触导线在受电弓滑板上左右移动， 加之车体晃动和轨道的影响，弓网压力的作用位置是不断变化的，并且力 的方向也是不断变化的，但任何方向的接触力都可以分解为两个互相垂直 的力，一个与机车的运行方向一致，这个力由机车的动力来克服：另一个 力与滑板面垂直，是衡量受流质量的重要指标，也即是需要检测的力。因 此，接触压力检测的任务，就是当电力机车在高速运行时，正确检测出接 触导线在滑板任意位置上垂直于滑板面方向的接触力。 系统设计是选择压力传感器来检测弓网之间的接触压力。压力传感器 应该安装在受电弓的什么部位呢? 首先看一下受电弓的构造。 电力机车用于接受输送电力的电器设备，大都是一个以弹簧为工作主 元件的机械弓架，一般称之为受电弓。受电弓由于其电流容量大、坚固、 绝缘性能和动态性能都比较好，被广泛使用于各种电力机车、电动车辆以 及有轨电车。 受电弓形式非常繁多，按其传动方式分为弹簧上升式和空气上升式； 按照臂杆的形式又可分为单臂受电弓和双臂受电弓：按照使用的速度还可 分为高速受电弓和一般速度受电弓；按照使用场合分，有直流受电弓和交 流受电弓；按受电弓框架的层数又可分为单层受电弓和双层受电弓( 亦称 子母弓) 等等。目前我国电力机车上常用的是单臂受电弓，该受电弓由弓 头、框架、底架和传动机四部分组成【1 8 】，如图3 3 所示。底架支持框架， 通过绝缘子固定在车顶上，框架通过升弓弹簧支持弓头，从机构学分析， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 整个框架是两个四连杆机构，传动杌构作用于框架的下臂杆来实现升降弓 动作。 1 。弓头 弓头安装在受电弓框架的顶端，借助于框架的伸缩可以做上下移动， 并能扰自身的固定转轴做少量的转动。弓头主要由滑板、滑板托架、滑板 紧固装置和弓头支持装置组成。 2 框架 框架用来支持弓头重量和传递升弓弹簧压力，其尺寸主要由所要求的 受电弓工作高度范围来决定，而工作高度范围又是由架空接触导线沿线路 豹架设高度所决定的。在相同的接触网压下，如果接触导线沿线路的架设 高度变化范围小，那么受电弓框架和整体的尺寸都可小一些。框架除上述 作用外，在低速运行时，还能对接触导线的振动起到一定的补偿作用。框 架一般分成上、下两部分，中间用铰链连接起来。就目前的受电弓结构， 框架大体上可分作以下几种形式：四腕菱形双臂框架和二腕菱形双臂框 架、单臂框架、四腕交叉形双臂框架和双层框架等。单臂框架一般包括上 框架、下臂扦、拉杆等。 3 底架 底架也就是固定受电弓框架的底座。一般用型钢或板料挤压成型或用 钢管拼焊而成。受电弓框架的刚性不高，所以要求底架有较强的刚性，以 免在搬运和安装过程中造成框架歪扭，影响受电弓的性能。底架通常用三 个或四个绝缘子固定在车顶盖上，受电弓绝缘子是机车电气设备中使用环 境最为苛刻的绝缘子，经受日晒，风雪雨淋和滑板粉碎的侵袭，挂弓时还 可能受到很大的冲击力作用。 4 传动机构 受电弓的传动机构分为压缩空气上升和弹簧上升两大类。为防止升弓 时弓头对接触网的冲击 和降弓时对框架和底架的冲击，一般都设有专门的 缓冲机构或阈。传动机构除了保证框架和弓头的正常升降之外，还担负着 产生弓头压力的作用。为此，在传动机构上又专门设置了各样的附加机构。 在单臂受电弓上广泛采用的是凸轮式扇形板。 堕妻窑鎏查兰堕主堑塞竺兰堡i 垒苎一 兰旦基 l 、底架2 、阻尼器3 、升弓装置4 、下臂 5 、弓装配 6 、下导杆7 、上臂8 、上导杆9 、弓头支持装置1 0 、滑板 图3 3 受电弓结构图 从受电弓的结构来看，必须在受电弓滑板下顽，在受电弓支持装置的 上面加装检测装置。 由于接触线在受电弓滑板上的位置不确定，所以选择在前后滑板的链 接处安装两个压力传感器( 左右各装一个) ，如图3 4 所示。在技术要求 上，这两个压力传感器的结构、性能、灵敏度、误差及线形度都应该是相 同的。在接触线压倒滑条上以后，这两个压力传感器都会动作，并感应出 相应的量值。 要查奎烫盔堂塑主竺窒圭兰垡笙塞 差! ! 戛 ( a ) 受电弓框 1 2 受电弓滑板 压力传感器 图3 4 在受电弓上安装的传感器示意图 图3 4 ( b ) 为受电弓俯视图中压力传感器的安装位景，( c ) 为受电 弓侧视图中压力传感器的安装位置，图( b ) 中的1 为安装在滑板左侧的 压力传感器，2 为安装在滑板右侧的压力传感器，这两个压力传感器检测 出的力分别用曩、只表示，f 舟是两个压力传感器检测力叠加后的值，疋 要壹窭望盔兰堡主塑塞兰堂丝迨塞 蔓! ! 要 是弓线间的接触压力，则 即 f 香= f f i ( 3 1 ) 在静止状态下，f 台与弓线接触力f c 可以通过一个简单的换算得到， f c 2f 一m g ( 3 2 ) m 受电弓滑板的质量 但是在动态下，压力传感器检测出来的值还应包括滑板惯性力的影响。 3 3 2 动态下受电弓滑板的受力分析 由于压力传感器检测出来的力并不是弓线间的实际的接触力，所以需 要对运动中的受电弓滑板的受力情况进行分析。从图3 5 可以看出，作 用于受电弓滑板的力主要有以下几种： ( 1 ) 接触导线施与的接触力； ( 2 ) 支撑滑板的框架施与的内力； ( 3 ) 滑板的重力； ( 4 ) 滑板的惯性力，这里所说的惯性力是把物体的加速度运动换成力的 假想力。 接触力l l 重力 幽4 5 动态下滑扳的受力分析 以上这些力相互平衡，使受电弓处于相对稳定的状态。 堕妻銮鋈盔兰塑主堡塞生兰笪婆塞釜! 旦基 3 3 3 接触力的测量原理 由于在滑板上加太多的传感器不是很方便，所以选择的测量弓网接触 力的方法是一种全新的方法，是从滑板的力学输入输出关系入手，通过其 振动特性寒分析计算得到。 下面通过图3 6 来具体说明这种方法的原理。 图3 6 接触力测量原理 滑板 这种新的检测方法是以接触力的检测为核心，在理论分析时是按图 3 6 顺向的方式进行，通过受电弓的振动特性找出接触力与传感器输出 ( 检测力) 之间的关系，并为弓网安全检测的设计提供有力韵理论依据。 而在实际的检测中，是通过对检测力的分析而判断出弓网之间的接触状 况，也即是图3 6 中的逆向方式。 3 。3 。4 压力传感器的选择 压力传感器是一种将非电物理量一压力转换为电量一电流或电压的 器件，它可以用来测量压力、位移等。压力传感器采用弹性元件结构形式 是简支梁式。当压力作用在弹性元件上时，力使弹性元件产生一个微小变 形，这个微小变形使粘贴在弹性元件上的应变片电阻发生变化，通过桥路 将该变化转化为电压输出。这样，力就转换成电压信号。 1 应变式压力传感器 应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量 的，应变片是由金属导体或半导体制成的f 邑阻体，其阻值随压力所产生的 应变而变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文j 兰盟亟 2 压电式压力传感器 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用 的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时， 在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。 3 光导纤维压力传感器 光导纤维压力传感器与传统压力传感器相比，有其独特的优点：利用 光波传导压力信息，不受电磁干扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在 高压、易燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏高度，体积小， 可挠性好，可插入狭窄的空间是进行测量，因此而得到重视，并且得到迅 速发展。 由于压力传感器是随车动态检测的，处于2 7 1 【、r 的高电环境中。其特 殊的工作环境就需要它具有一些特殊的性能。 1 高压环境适应性 因为压力传感器必须出现在动态环境下，换言之，机车在运行中，也 就是机车处于升弓运行状态，那么取流弓的弓头必定处在“高压电场”中， 并且，当弓网之间产生离线时，会伴有强烈的拉弧现象，形成强烈的电磁 干扰，所以，选取的压力传感器必须具有在高压、强电磁干扰、电弧烧灼、 野外气象等环境下可靠工作的能力。 2 足够高的灵敏度 由于接触线在受电弓滑板上的位置是不确定的，所以要求传感器有足 够高的灵敏度，不论接触线在任何位置都能准确地测量到接触力。 3 连续不问断的工作特性 根据弓头、网线的物理特性可知，其压力是持续出现的，所以，必须 具备连续不问断测量的能力。 4 足够大的量程 若接触线上有硬点时，会给受电弓一个很大的力，所以，压力传感器 必须具备承受较高量程的力。 亘童銮望盔兰塑圭塑窭生兰堡笙塞 釜! ! 夏 第4 章弓网接触力的仿真分析 通过计算机仿真，模拟出接触网与受电弓在不同参数和工况下的运营 状态，得出体现这种运营状态的弓网间的接触力，并提出接触力的评价标 准，从而指导弓网安全检测的设计。 4 1 运行状态下的弓网接触力模拟 在低速运行时，由于受电弓高度变化的速度较慢，受电弓与接触网导 线间的接触压力可以近似地看成是一个常量，但在高速运行状态下，随着 机车速度的不断的变化，弓网间的接触压力就变得十分的复杂了。 首先，接触网是一个质量和弹性都不均匀的弹性系统，接触导线距轨 面的高度是变化的，其次，机车本身也是一个弹性系统，在快速运行中， 其本身振动及它与钢轨接缝处的机械振动通过车体作用于受电弓，此外， 风和因车顶