（光学工程专业论文）弓网动态接触力在线检测系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 接触网一受电弓之间的接触力测试是电气化铁路安全运营的一个非常重 要的组成部分，因为通过接触力的铡试可以反映出弓网之间的受流状况以及 机车运行线路上的缺陷和故障。本文对影响接触力的因素和接触力的研究方 法进行分析，设计出一套先进的弓网接触力测试系统，使弓网之间的测试技 术达到一个薪的水平。 本文详细分析了接触网和受电弓之间的受力状况，在比较国内外测试接 触力方案的基础上给出了本设计采用的测试接触压力的方法。重点阐述了弓 网接触压力测试系统的工作原理和流程，设计了测试系统的硬件部分如：传 感器变送电路，信号调理电路，信号传输系统。另外还编译了软件部分，如： 信号接收以及发送程序，数据处理程序等。 文章最后给出了接触力检测系统在实际实验中得到的一些数据和信号 波形。通过实验可以得出结论：论文所设计的系统可以满足高速运行下的受 电弓与接触网之问的动态接触力的检测要求。 关键词：接触网，受电弓，受流，接触力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h ec u r r e n tc o l l e c t i o n t e c h n i q u e s a n d p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n to f c a t e n a r y p a n t o g r a p hs y s t e mi s o n eo ft h ev e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n t sf o rt h e h i g h - s p e e dr a i l w a yb e c a u s ei tc a nr e f l e c tt h er e a l s t a t eo ft h ec u r r e n tc o l l e c t i o n b e t w e e nc a t e n a r ya n dp a n t o g r a p ha n dt h ed e f e c ta l o n gt h er u n n i n gd i r e c t i o no f t h el o c o m o t i v e 。i nt h i sp a p e r ，t h ed i s c u s s i o nf a c t o r sa n dm e t h o d sf o rs t u d yt h e c o n t a c tf o r c et e c h n o l o g i e sb e t w e e nc a t e n a r ya n dp a n t o g r a l 3 hh a sb e e nd e t a i l e d t h ed e s i g no fc o n t a c tf o r c em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nn e wt e c h n o l o g i e si s c a r r i e do u t s ot h et e s tt e c h n i q u e sf o rm e a s u r i n gc o n t a c tf o r c ep e r f o r m a n c eo f c a t e n a r y p a n t o g r a p hs y s t e mw i l lb ea d v a n c e dt oan e w l e v e l i th a sb e e nd e t a i l e di nt h ep a p e ro ft h es t a t eo fc o n n e c t i n gb e t w e e n c a t e n a r e ya n dp a n t o g r a p h a tt h es a m et i m e ，i th a sb e e ni n t r o d u c e do ft h em e t h o d o fm e a s u r i n gc o n t a c tf o r c ea f t e rc o m p a r i n go t h e rt e c h n i q u e si nt h en a t i v ea n d a b r o a dc o u n t r y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef o r c es t a t eo fc a t e n a r ya n dp a n t o g r a p hh a s b e e na n a l y z e di nd e t a i l e di nt h i sp a p e r t h ea u t h o rp r e s e n t sab a s i cm e t h o do f c o n t a c tf o r c et e s t ，a n di n t r o d u c e dt h ec o n t a c tf o r c em e a s u r i n gs y s t e m t h e h a r d w a r ep a r t so fc o n t a c tf o r c em e a s u r i n gs y s t e mh a v eb e e nd e t a i l e di n c l u d e ： s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tf o rs e n s o r ，s i g n a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，s i g n a lc o n v e r s i o n c i r c u i t t h es o f t w a r ep a r t sh a v eb e e na l s oi n t r o d u c e d ：s i g n a lt r a n s m i s s i o na n d t a k e o v e rp r o g r a m ，d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m t e s td a t aa n dw a v e f o r m sa r eg i y e ni nt h el a s tc h a p t e ri nt h i sp a p e r i ti s v e r i f i e dt h a tt h ec o n t a c tf o r c e m e a s u r i n gs y s t e m f e a t u r e s r e l i a b i l i t y , d a t a p r e c i s i o n ，a n t i i n t e r f e r e n c ec a p a c i t y i tc a ns a t i s f yt h er e q u e s to ft h em e a s u r e m e n t f o r ：o n t a c tf o r c es y s t e m k e yw o r d s ：c a t e n a r y ，p a n t o g r a p h ，c u r r e n tc o l l e c t i o n ，c o n t a c tf o r c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1论文背景 第1 章绪论 通过高架线和受电弓提供电流的电力机车历史要追溯到1 8 3 5 年，当时 t 达文波特采用这种方式给机车供电并且将这一技术公诸于世引起很大轰 动。世界上第一辆载人电力试验车于1 8 7 9 年在柏林诞生，当时是通过1 5 0 v 直流供电，功率为2 2 k w ，最高时速达到了1 2 k m h 。1 8 8 1 年，西蒙海斯科 在德国里奇菲尔德建造了第一条运送旅客的电力机车线路【”。 自1 9 6 4 年世界上第一条时速达到2 1 0 k m h 的高速铁路一日本东海道新干 线开通以来，世界高速电气化铁路就已进入了实用期。在以后的一段时期世 界各国纷纷根据本国情况发展了高速铁路。日本现今新干线的运营时速为 3 0 0 k m h 2 j ；法国自1 9 8 1 年开通巴黎一里昂高速线以来，试验速度达到了 3 8 0 k m h ，行车速度已达到3 0 0 k m h 3 j ：而德国联邦铁路( d b ) 于1 9 8 8 年在 威兹伯格一汉诺威之间的高速线路试验速度达到了4 0 6 9k m h ，当时是第一 次把电力机车的运行速度提高到4 0 0k m h 以上，运营速度已经达到了 2 5 0 k m h 。下表1 为截至到1 9 9 6 年世界电力机车供电系统及总长度统计表。 表卜1世界电力机车供电系统及总长 日本牟世界( 包：陪日本) 系统类型 i c d ni ( a n丰喜国家 低t 1 5 0 0 v9 1 555 1 0 62 德国，英国，瑞士，美国 直 1 5 0 0 v 3 0 0 0 v 1 0 4 8 46 12 2 1 3 89 法国，西班牙，荷兰， 大韶分1 5 0 0 v漳大利砸 流 3 0 0 0 v 以上 7 8 2 7 63 3 俄罗斯，西班牙，波兰， 大部分3 0 0 0 v煮大利南非 5 0i 低于2 0 k v0法国，美国 苴 l2 0 k v3 7 4 12 23 7 4 12 相 6 0 l2 5 k v2 0 4 11 28 4 3 7 63 6饨男斯法国中国等 交 h ，i5 0 k v1 1 7 30美国，加拿大，南非 流 2 5 h z1 1 1 3 k v 1 4 6 91美国，澳大利亚，挪威 一l 1 2 00瑞士 3 5 4 6 11 5德国，瑞典，瑞士 三相夺流3 004 30 法国，瑞士 未知类犁3 6 6 8 2法国，哈萨克斯坦 总合1 7 2 0 71 0 02 3 5 8 1 61 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 我国电气化铁道自1 9 6 1 年8 月1 5 日宝鸡风州段开通运营以来至今已 经历了4 0 年的历程。1 9 9 7 年1 1 月在郑武线首次使用电力机车牵引试验列车 进行了时速为1 8 5k m h 的提速试验【5 1 ，标志着电气化铁路提速的开始。在此 之后又进行了多次高速实验。2 0 0 2 年1 2 月，秦沈线高速列车实验达到了 3 2 1 k m h ，说明我国电气化铁路已经迈入了高速领域。 随着我国电气化铁路的高速发展，四十年来已经取得了长足的进步，特 别是近十年来我国的电气化铁路进入稳定发展的新时期。截止到2 0 0 1 年，全 国铁路运营里程达到了7 0 0 0 0 k m ，而电气化线路有1 6 9 0 0 k m ，占全部铁路里程 的2 4 11 ，到今年底将达到2 0 0 0 0k m ，到2 0 1 0 年计划为3 0 0 0 0 k m 。但是目前 在国内很多线路上由于线路质量等原因仍然存在事故多、停电时间长等特点。 以某铁路局为例，2 0 0 2 年弓网事故2 0 件，总停电时间达到了3 0 小时，百万 千瓦时0 0 0 6 件，这些都严重影响了铁路正常运行以及线路优化，铁路要向 高速和重载方向发展，就必须提高其电气化程度和完善自动化检测手段【6 l 。 接触网是电气化铁道的重要供电设备，它的主要任务就是不问断的向电 力机车供电。接触网主要有一下三个特点： ( 1 ) 接触网是沿铁路线铺设的露天供电设备，工作条件恶劣； ( 2 ) 接触网是特殊供电设备，受电弓与接触线滑动接触，在高速运行下， 由于接触悬挂沿跨距弹性不均匀、受电弓的惯性以及静态力的影响， 受电弓在垂直方向产生一定振幅的振动，会使受电弓的工作状态变 得非常恶劣，产生弓网事故； ( 3 ) 接触网是无备用设备，一旦损坏将中断行车，对运输生产带来影响。 由于接触网工作的特殊性，因此对于接触悬挂来说它的安全可靠是保证 弓网关系的重要纽带。受电弓与接触悬挂的配合见图卜l 。 电弓 图1 - 1电力机车和架空受流系统 接触网一受电弓的匹配性能是研究弓网关系的基石，两者之间的良好接触 对高速列车的安全运行是至关重要的。当弓网接触运行时，一旦不能保持良 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 好接触，那么由于机车高速运行下机械磨损的原因受电弓将会受到极大的损 害。因此保持赵好接触是必不可少的。这一概念主要有：弓网振动小、相互 冲击小、离线次数少并且时间短、导线和滑板磨耗小。 高速运行的电力机车的一个关键问题就是对受电弓与接触网之间的接触 力的控制。由于接触网的等价弹性系数并非常数( 由于架空系统的影响) 而 使得接触力在机车运行过程中一直处于振荡状态中，同时振荡的频率和幅度 取决于机车运行速度。这种振荡会使受电弓的机械结构受到损害进而降低其 使用寿命【7 1 。 因此在线检测受电弓与接触网之间的接触力，不但可以再现机车运行过 程中线路状况，找出线路隐患和故障点，而且可以据此提出安全行车的可行 性报告，延长弓网系统的使用寿命。 1 2 本文研究方法以及目标 自1 9 9 7 年1 1 月在郑武线首次电力机车牵引试验列车提速试验以来，至 今国内已经进行了6 次提速，每次提速不但对线路，更是对机车运行状况提 出了更高的要求。针对这种状况，在线监测机车运行状况并且根据报告给出 线路分析显得尤为重要。 在机车运行过程中，接触线与受电弓的相互作用决定了供电可靠性和供 电质量。其相互作用依赖于受电弓和接触网的设计以及动态运动参数，例如 离线、接触压力、导高、磨耗等，在这其中接触压力是最为重要的一项，因 为接触压力大小不但可以评价接触网的运行质量，而且可以评价接触悬挂以 及受电弓的技术性能质量。为了更好保证受流质量，就需要检测受电弓与接 触网在高速运行的状态之下的接触压力。本文就是在基于以上要求的基础上， 综合了国内外一些弓网接触压力检测的先进方法，系统地论述了弓网接触力 检测的硬件设计以及软件工作流程，并给出了一些试验结果。 在对国内目前使用较为广泛的两种受电弓t s g 3 和d s a 2 0 0 进行了仔细研 究的基础上，分别设计了使用在两种不同受电弓的压力传感器以及分别确定 了它们的安装位置，选择了加速度传感器芯片以及设计传感器变送电路。在 试验的基础上，制作了传感器信号采集、传输单元板以及数据处理单元板， 对整个系统作了电磁兼容设计。选择了a t m e l 的m 系列单片机m e g a 3 2 进行数 据采集以及m e g a 6 4 进行数据处理，以无线数据传输机作为由车顶低压至机车 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 内部数据传输的工具，高低压之闽的信号传输是通过无线数据传送方式来进 行，可以很好的实现高低压之间的隔离，编译了与机车运行状态监控装置 t a x 2 箱进行数据交流的相关程序。 测量系统研究设计目标： 所研究的系统装置能够应用到实际弓网接触压力测试中，各部分符 合工程需要和实际应用标准； 能适合单相2 5 k v 交流电气化铁路的接触网环境，具有优良的抗干 扰能力； 参数指标 量程：o - - 4 0 0 n 接触力报警范围： 2 0 0 n 误差：静态0 4 ，动态l 采样频率：4 0 0 h z 硬点报警： 8 0 9 软件系统功能 分析提示功能：分析得到数据，给出超限值； 超限提示报警功能：一旦线路上出现接触力超限或者硬点超限，蜂 鸣器报警以及l e d 闪烁提示； 存储功能：将接收t a x 2 箱的列车运行路段信息与本路段内接触力 存储在存储芯片中并可以将其发送给转储器，供机车运行后调用； 电源电压监控：单片机对电源模块输出保持监控并报警提示欠压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章弓网系统介绍以及接触力检测原理 2 1弓网系统介绍 2 1 1 接触网简介 接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重 要任务。因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。 由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行 而沿接触线移动和变化的，对接触网提出以下要求： l 、在高速运行和恶劣的气候条件下，能保证电力机车正常取流，要求接 触网在机械结构上具有稳定性和足够的弹性； 2 、接触网设备及零件要有互换性，应具有足够的耐磨性和抗腐蚀能力并 尽量延长设备的使用年限； 3 、要求接触网对地绝缘好，安全可靠； 4 、设备结构尽量简单，便于施工，有利于运营及维修。在事故情况下， 便于抢修和迅速恢复送电； 5 、尽可能地降低成本，特别要注意节约有色金属及钢材。 接触网的分类大多以接触悬挂的类型来区分，目前，世界各国为了满足 高速受流的要求，都根据自己国家高速铁路规划的动力设置和受电弓结构及 性能的不同而采用了不同的接触网悬挂类型。就高速接触悬挂类型来看，现 在世界上主要有弹性链形悬挂、简单链形悬挂和复式链形悬挂1 8 1 ， 德国电气化铁路( i c e ) 接触网采用的悬挂类型是弹性链形悬挂，代表类 型为r e 2 5 0 和r e 3 3 0 型，它们分别适应的速度2 5 0 k m h 和3 3 0 k m h ，其结构 图如下图2 一l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - 1弹性链型悬挂结构示意图 对于弹性链形悬挂来说，它的结构简单，改善了定位点处的弹性，使得 定位点处的弹性与跨中弹性趋于一致，整个接触网的弹性均匀，受流情况良 好，接触力在一跨内的变化幅度减小。缺点在于调整维修比较复杂，接触线 的平均抬升量增加。 法国在开始修建从巴黎至里昂的东南新干线( t g v ) 时，所采用的也是弹 性链形悬挂，但是技术参数略有不同：跨距长度为6 3 m ，弹性吊索长度1 6 m ， 承力索和接触线的张力均为1 4 k n ，试验速度达到了3 6 0 k m h ，运行速度 2 6 0 k m h 。后来在修建大西洋新干线时采用了简单链形悬挂，其结构如下图 2 2 所示。 图2 - 2简单链型悬挂结构示意图 从结构上来看，简单链形悬挂与弹性链形悬挂的主要区别是取消了弹性 吊索，另外调整了承力索和接触线张力，使得跨距内的弹性更加均匀，接触 线的张力也达到了2 0 k n 。法国在大西洋新干线采用简单链形悬挂的另外一个 原因就是结构简单、造价低，一次性投入减少，但是它的最大缺点在于火花 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 趋于严重。 日本高速铁路是惟一采用简单复式链形悬挂的国家，是因为复式链形悬 挂对日本有特殊的优势。这种悬挂形式受流稳定性及风稳定性都比较好，弹 性均匀度高。所以日本的东海道新干线、山阳新干线、东北新干线、上越新 干线均采用了这种悬挂方式。这种悬挂示意图见下图2 3 。 li 一 1r 5 m i - 5 0 m 图2 - 3简单复链型悬挂结构示意图 由于复链形悬挂单位长度质量较大，造成波动速度无法提升，影响机车 速度进一步提高，而且也会造成接触线较大的磨耗，从而影响使用寿命。后 来在修建北陆新干线时日本又采用了简单链形悬挂。 上述三种代表性的接触网悬挂模式通过运行时间证明都能适应2 0 0 k m h 以上的运行速度，不同悬挂类型根据各国具体情况而定。我国1 9 9 8 年开通的 广一深线准高速铁路接触悬挂为简单链形悬挂，运行速度为1 6 0 k m h ，而2 0 0 3 年开通的秦一沈高速客运专线根据我国采用动力集中式的特点，接触悬挂类 型为全补偿弹性链形悬挂，这是一种受流性能较为优越的悬挂形式，也是世 界上普遍认可的高速接触网悬挂类型。 2 1 2 受电弓 受电弓是安装在电力机车车顶，通过与接触导线的滑动摩擦来获取电能 的机械装置。按结构来分类，受电弓单臂和双臂菱形两种结构形式。受电弓 一般包括：滑板、上臂杆、下臂杆、平衡杆、底架、驱动结构和绝缘子。就国 内线路目前而言，应用最广泛的是d s a 2 0 0 和t s g 3 两种受电弓。下图2 4 为 t s g 3 结构简图1 9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 4t s g 3 受电弓的结构简图 该受电弓适应速度为1 6 0 k m h ，用于电压为2 5 k v 的干线电气化铁路，静 态接触压力为8 0 n ，从0 升高到1 8 m 的时间为6 8 s ，从1 8 m 下降到0 的降 弓时间为5 7 s ，考虑到受流的稳定性，该受电弓安装有阻尼器。 d s a 2 0 0 受电弓是由s t e m m a n n t e c 删i k 生产的性能比较优良的d s a 系列 受电弓之一。它具有以下一些特点： - 较小的气动阻力及不同气流条件下保持不变的气动性能： 在单牵引以及多牵引时滑板运行效率较高； 组件更换的简单易行使得维修极为方便，维护快捷无障碍，且维修费 用极低： 较高的横向稳定性： 带有同高度无关的触点压力的万向运动件： 质量最小化的框形弓头； 在4 个拉伸弹簧上带有弹性悬挂装置的框形弓头可以向所有三个空间 方向运动； 在垂直方向上带有渐进式弹簧特征线的框形弓头。 表2 一i 为d s a 2 0 0 型受电弓一些主要参数。 表2 - 1世界电力机车供电系统及总长 最高运行速度 2 0 0k m h触点压力7 0 1 2 0 n ( 可调) 材料钢铝驱动类型气动提升驱动机构 重量( 不包括绝缘件)大约1 2 5 k g驱动供压 5 b a r 最高提升高度 3 0 0 0m m ( 包括绝缘件)升弓时间 l o s ( 可调) 弓头长度1 4 5 0 1 6 0 0 1 9 5 0m i l l降弓时间 l o s ( 可调) 额定电压 1 5 k v 2 5k v 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2国内外弓网接触力检测的一些方法 世界上高速铁路比较发达的国家，例如日本、德国等国家很早以前就开 始研制接触力检测装置，用于评估弓网受流性能以及线路质量，下面将它们 分别介绍。 2 。2 1间接测量接触力 日本在2 0 0 2 年七月至八月间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实验，实验机车为e 3 系列的新干线客 车。接触力检测装置安装在如下图的位置。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。测量装置如 下图2 5 。 图2 5日本的弓网接触力检测装置 2 2 2 接触网检测车 德国联邦铁路( d i eb o h n ) 2 0 0 4 年研制成一种接触网检测车。其接触力 检测是这样的：在弓头滑板两端安装四个力传感器，传感器信号经过放大、 v f 变换之后由光纤传送至车内低压接收端，经过o e 变换、放大、f v 变换 之后然后经过程序处理得到实际接触力。为了消除滑板惯性力的影响，在弓 头上安装了四个加速度传感器，由于接触力是双向的，最后还可以得到拉出 值。 2 2 3 仿真法计算接触力 1 0 1 “】【1 2 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 仿真法又分为频率范围内的有限元法、采用频率相关的有限元法、模态 分析法以及传播波动法等方法，现简要介绍有限元法。它的主要原理是运用 有限元法将受电弓与接触网在一个或有限个跨距内分解为有限个单元模型， 进而分析每一个单元的运动方程，通过对各个相关单元组成的矩阵方程的求 解得到受电弓与接触网之间的接触力。在分析模型时，必须对整个系统简化， 以求达到最佳效果，所以一些假设是必要的： 模型以独立锚段为对象，可以取3 、5 、8 跨，端点固定； 承力索和接触线为连续体，质量分布均匀，张力视为常数； 吊弦作为弹性元件，将其质量视为均布载荷分布于接触悬挂上； 定位器的质量部分地集中在承力索和接触线上； 不考虑风速等瞬时载荷以及空气动力的影响。 下图2 - 6 是一个简单的接触网一受电弓接触模型： 图2 6接触网一受电弓线性化模型 在图中，m h 、m f 、k h 、k f 、c 。、c ，、b 。、b ，分别是弓头质量、 框架等效质量、弓头刚度、框架刚度、弓头阻尼、框架阻尼、弓头于摩擦、 框架干摩擦。从图中可以看出，接触悬挂和受电弓都是具有一定弹性的弹性 体，如果外界扰动力很小的情况下，接触悬挂和受电弓都会以其自身的固有 频率及特性沿跨距做周期性的振动，而且这时可以认为接触线和受电弓构成 一个整体，随着跨距弹性系数不同有规律的变化。 最后通过矩阵求解接触力的流程见下图2 7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 3 接触力描述及计算方法 2 3 1 接触力的描述 接触网与受电弓之间的接触力是指受电弓滑板与接触导线之间的动态接 触压力。接触线与受电弓一起组成一个阻尼很小的振动系统，随着运行速度 的提高，受电弓会产生振动( 垂直加速度) ，从而使接触线和受电弓之间的接 触压力产生变化。这样除了接触线固有特性以外，所用的受电弓对接触力也 会产生很大影响。接触力是描述在机车高速运行的条件下，受电弓与接触线 之闯的接触程度与状态，它是评价与控制受流质量的重要条件及内容。通常 的规律是：在相同条件下，运行速度越高，接触力则随之增大。i e c 规定， 接触力最大值在v l o o k m i h 时，为静态力的1 5 倍；y = 1 4 0 k i n i h 时，为静 态力的2 倍；v 一2 0 0 k i n l h 时，为静态力的3 倍。因此在高速情况下接触力 最大值是评价受流的重要指标。 接触线与滑板之间是滑动摩擦，导线与滑板可以说是一对摩擦耦件，弓 网作用力可以分为纵向和垂向力，纵向力由列车纵向动力来克服；垂向力影 响弓网受流的两个指标：接触导线抬升量和接触线磨耗以及滑板磨耗。接触 线抬升量大小影响弓网运行安全，磨耗影响接触线和滑板使用寿命。弓网之 间的接触力大小由受电弓的静态力、空气动力以及垂直方向的质量惯性力决 定。 弓网动态接触力这一参数直接决定了受电弓弓头与接触导线之间的接触 状态，接触力过大，会使弓网之间的磨耗加剧，引起弓网位移增加；接触力 过小，会造成离线，产生电弧。动态接触力主要从接触力的最大值、最小值 以及标准偏差几个方面来衡量。高速运行之下，弓网之间的接触力会出现两 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 i 阵和向量的公式：确定接触网和受电弓的初始值 + 确定接触线的静态位置作为微分方程的初始值 i 每个时间距离步骤须重复的内容 确定激发点位置以及所有受电弓动态1 卜 叶1 的晤始信i 对每个固有频率 计算所有受电弓的激发向量 i 求解固有频率的微分方程 1 l 计算固有频率的位移 + 叠加接触线所有接触点的各种运动 对所有受电弓 求解受电弓的微分方程 l 计算受电弓的位移l + 比较受电弓和接触线在各接触点位移 反复纠正动态接触力的近似值卜+ + 绘图( 动态接触力的原始曲线) + i 对曲线异常点进行小波分析、给出判断 结果输出报表、打印接触力曲线 图2 7通过仿真计算接触力的流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 种现象：其一，如果弓和网均具有良好的性能并且有很好的适配性，这时弓 网直接的接触力会随运行速度的增加而呈非线性的增长，并且速度越高，接 触力的量值增长越快，这是空气动力以及惯性分量迅速增长的结果，是动态 特性特有的现象；其二，受电弓或接触网的性能较差，在这种条件下，高速 运行时就会产生跳跃式振动，使受流条件极度恶化。例如，当接触悬挂的波 动速度较低，而运行速度接近或者达到波动速度时，其接触力表现出时大时 小的极不稳定的现象或不稳定运行，都对接触线和受电弓极其有害的。 由于接触线沿线路方向呈之字形，所以受电弓在运行过程中导线会在滑 板上来回滑动，两条滑板的四个支点所受到的力会随导线在滑板上的位置不 同而不同。一般来说不同的受电弓弓头结构是不一样的，因此就需要设计不 同的力传感器。 2 3 2 接触力的力学模型建立以及求解 接触网实际上指的是接触悬挂，从总体上来说它是一个悬索系统，体现 了柔性性能，在受到受电弓的抬升力以及其他干扰力的作用以后，会产生变 形，其变形程度取决于接触悬挂的相关参数。下面首先分析接触网的振动微 分方程地建立及相关理论。 图2 - 8简单链型悬挂的简单图示 从图2 8 所示的跨距f 两端的导线中任取一分段n 6 ，设微分段长度为如， 距左边原点0 为x 。设作用于a 、b 两端的垂直分力分别为只、兄，根据牛 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 顿第二定律，此两垂直分力连l 司作用于微分段上的抬升力， 量与加速度的乘积： 触粤；z 粤咄一晶6 0 w o t 。 o x ”、 式中晶为受电弓的恒定抬升力，令 c ，一j 三 i l 式( 2 1 ) 可以简化为 应等于微分段质 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 蔷芋一c ；a 缸2 y 2 + 晶6 。一w ) 出 ( 2 3 ) 此式就表示在以速度v 行走的受电弓在抬升力晶作用下，具有总张力t 与每 米长度质量为m 的单链型悬挂的接触线振动状态的运动方程，c ，为振动波在 接触线上的传播速度。当时间t 一0 时，受电弓位于工一0 处，则此时一v t 。 将边界条件代入( 2 - 3 ) 中，有 害2 軎+ 吾耋s i n ( n ，= 2 ) s i 嘶删f ) ( 2 - 4 ) 微分方程的解为 y 阶丽2 p o l 。薹砉s 抽竽汹竿一毒s 曲竿，倍s ， 从式中可以看出，如果行驶速度v 等于波动传播速度c 。，由此可以得到 方程的基本谐振特性：即( c ，一y ) 趋近于0 时，接触线的振幅会增加到无穷大， 此时受流被破坏。 2 3 3 接触力的计算方法 为了分析受电弓的受力，我们以受电弓的一元振动模型为研究对象，对 其进行受力分析，振动模型见下图2 - 9 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 - 9受电弓一元受力振动模型 首先来分析静态力，假设受电弓的归算质量为m ，设其静态压力为p ， 受电弓在设计时要求：在工作高度范围内，其接触压力为一定值( 我国受电 弓的静态接触压力规定为7 0 n ) 。也就是说，弹簧给受电弓提供一个确定的 力，用b 表示此力，由受电弓静态受力条件： 马- p + m g ( 2 - 6 ) 由于弹簧力的变化量为零，与弹簧位移无关：根据刚度的物理意义，受电弓 模型中，弹簧的刚度k 为零。 动态情况下，受电弓将受到各种力的影响，因此与静态受力会有很大区 别。这其中包括由于高度迅速发生变化产生的的惯性力只，它会对接触压力 带来较大影响。另外还有空气动力只，在受电弓高度发生变化时，它的自身 结构还产生相应的摩擦力只。其高速运行下的受力模型见图2 一l o 。 空气流 十一 卜一l 十一i 十一ip 女 0 十一l 十一0 c 牛一一 t 图2 一1 0高速运行受电弓受力模型 高速运行中的弓网接触压力可以用下式表示： 受电弓向上运动：p p op o最一只 ( 2 - 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 受电弓向下运动：p p o + 只+ 耳+ 只 ( 2 - 8 ) 式中：只一受电弓的抬升力( n ) 己一受电弓铰接处的摩擦力( n ) 只一受电弓压力的动力分量，由其归算质量及垂直加速度决定( n ) 只一受电弓压力的空气动力分量( n ) 在这几项中，只一m a ，t n 就是它的归算质量，归算质量不是常数，是随受电 弓高度而变化的。而空气动力分量只对弓线之间的接触压力也会有较大的影 响。实验表明，此值会随着机车运行速度在很大的范围发生改变。速度很高 时往往会因为空气动力的作用造成接触线和受电弓滑板的损伤。 2 3 4 滑板接触压力分析 选取受电弓的一条滑板为研究对象，对其进行受力分析：。机车在高速运 行时，滑板在水平方向受到以下力的作用：一个是弓网间的滑动摩擦力，大 小为滑板接触力与弓网摩擦系数的乘积，方向与机车运行速度相反；另一个 是空气阻力，大小为滑板迎风面积、滑板体积系数、空气密度以及机车运行 速度平方的乘积，方向与机车运行速度相反，作用点为延滑板长度方向均匀 分布载荷；第三和第四个力滑板两支撑点的支撑力。在机车运行过程中水平 方向的受力可以由机车的纵向动力来克服。 滑板在垂直方向受力如下：一个为滑板自身的重力，方向指向大地，作 用点延质量均匀分布；一个是滑板两支撑点的铅垂支撑力；还有一个就是滑 板与接触网的接触力，见下图2 - i 1 。 图2 1 1受电弓滑板受力分析 在图中：p 一滑板接触压力； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 p 一滑扳自身重力； f 。、f 2 一滑板两支撑点的支撑力 以f i 、f 分别表示两条滑板垂直支撑力，那么 e e + f 2 ，昂；f 3 + f 4 ，根据牛顿第二定律，可以得到滑板接触力的表达 式为： f f 0 + 小云一r a g( 2 - 9 ) 其中r 是弓板压力总和，同时有每块滑板的质心加速度为： n m 一鱼 生和4 一z - 生专垒，由此可以综合得到受电弓滑板受力为： f r + m 1 云 l + m 2 4 2 2 m g ( 2 1 0 ) 。 分析动态接触力时需要分析的数据为最大接触压力f 二，最小接触压力e 。 平均接触压力f 0 以及压力的标准偏差盯。 2 4 测量系统的电气方案及流程 压力和加速度传感器安装在电力机车受电弓下面检测受电弓在运行过程 中受力和加速度信号。一旦开机检测到传感器有信号输出之后，通过一个变 送电路将接触力和加速度信号转换为4 2 0 m a 电流，然后经过缓冲隔离、滤 波传入安装在受电弓底座平台上的信号采集、传输单元板，在此单元板上由 单片机对采集到的信号进行处理。由单片机内置的a d 转换模块进行a d 转 换。当单片机接收到车内数据处理单元发送的起始信号之后，将a i d 转换的 数据由4 8 5 模块m a x 4 8 7 e 经过隔离之后送入数传机g w 2 i w ，再传送至机车内 信号处理单元板。4 8 5 芯片将接收下来的信号送入单片机m e g a 6 4 中，单片机? 首先进行代码转换，将其转换为十进制数，然后根据一定算法计算出受力， 数据每满2 0 组时进行一次数字滤波，将滤波后的数据存放在数据存储器中等 待t a x 2 通讯记录单元发送的列车运行情况信息( 每5 0 m s ) ，接收到其中断后 首先进行地址校验，然后接收信息。接受成功之后将存储器中的区段受力信 息( 包括最大、最小以及超限值) 反馈回去，一旦有超限数据，单元板后的 压力状态指示灯红灯亮同时蜂鸣器发出警报，提示区段接触力有超限。一旦 单元板工作出现异常( 例如电压不稳定等) ，立刻关闭4 8 5 与t a x 2 通讯记录 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 单元之间的通讯通道并进行自检，同时故障指示灯亮起。 另外低压侧信号处理单元板将通过状态指示灯来显示工作状态，一旦区 段内有超限情况发生，单片机将控制输出声光报警。 设计中电气部分为高压信号采集、传送以及机车内部t a x 2 箱中的信号低 压处理单元板，高低压之间的信号传输是通过无线数据传送方式来进行，可 以很好的实现高低压之间的隔离。原理图见图2 一1 2 。 传感器 单片机( a d 转换) 4 8 5 通讯 无线敦传 仁= = _ i i 卸o i 嬲传送 蜂鸣器匕多，i 图2 - 1 2系统工作原理框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第3 章硬件部分设计以及器件选择 3 1 压力传感器的原理以及结构 3 1 1电阻应变式传感器工作原理 由于对压力传感器安装位置的周围环境以及实际测量的要求，系统设计 时选用了电阻应变式压力传感器。传感器的工作原理是这样的：电阻应变式 传感器是利用导电材料的电阻应变效应制成，它能将被感应物体的应变变化 转化为电阻变化。应变片粘贴在弹性本体上，测量时，传感器敏感栅贴( 固 定) 在被测物体表面随着被测物体受力变形而获得同样的变形，根据电阻应 变效应，其阻值发生变化，由此就可以反映出外界作用力的大小【”】。 电阻应变效应如下图3 - 1 所示。 + f 图3 一l导电材料拉伸后的参数变化 设有段长为f ，截面半径为，的导电材料，当受到轴向力f 而被拉伸时， 轴向被拉长棚，径向被压缩办，同时电阻率发生变化，电阻相对变化可以表 示为： 坚：生+ 坐一塑( 3 - 1 ) r p la 式中p 一导电材料的电阻率； 4 一截面积。 其中华：，是材料的轴向线应变，掣：2 生，为径向线应变，等于材料的 fa ， 轴向应变s 与泊松比“的乘积，这样，电阻的相对变化就可以由下式表示 百d r = 警+ ( 1 嘶) s 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 对于金属材料而言，其电阻率的相对变化与体积矿的相对变化有关 塑c 坐( 3 3 ) p v 其中c 是由一定材料和加工方式决定的常数，由于 一d v ：丝+ 坐。( 1 2 口沁 ( 3 4 ) vza 因此金属材料的电阻相对变化就为 譬。【( 1 + 2 t ) + c ( i 一2 1 a ) 。盈 ( 3 _ 5 ) k 为金属丝材料的应变灵敏系数，在一定范围内它为恒定值，电阻相对变化 就与应变成正比关系。 由于电阻应变片的电阻变化很小，因此必须通过测量桥路可以将应变转 化为电压变化输出。测量电桥的结构如下图3 2 所示。 图3 - 2电桥电路的结构 u n ；l 一l k 砜4 赢一赢严 静态情况下，r ，= r 2 = r ，= r 。= r ，动态情况下， ” 尺+ 丝 r 一r r 一曲+ 只+ r尺一a 尺+ r + r 。竺u r = 七s u ( 3 6 ) 当恐和r 。发生变化后， ( 3 - 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 1 2 传感器安装位置以及基本参数 系统设计中，通过对受电弓的受力分析以及结构分析，为了精确地测量 受电弓和滑板之间的接触力，针对目前国内目前使用的两种主要受电弓型号 t s g 3 和d s a 2 0 0 ，分别设计了安装位置和传感器的形状，分别见下图3 3 和 3 4 。 图3 - 3用于检测t s g 3 受电弓的力传感器的机构简图 图3 4用于检测d s a 2 0 0 受电弓的力传感器的机构简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 传感器性能要求如下： ( 1 ) 由于弓网之间接触位置在滑板上不固定，所以要求不论接触线在任何位 置时传感器均能准确迪测量到接触力； ( 2 ) 由于弓网之间的接触关系并非稳定，因此当产生离线时，会伴有强烈的 拉弧现象，形成强烈的电磁干扰，因此要求传感器有很强的抗干扰能力； ( 3 ) 受电弓弓头质量直接影响测量结果，要求传感器质量尽量轻； ( 4 ) 传感器安装位置尽量不改变受电弓结构。 表3 - 1 传感器的基本参数要求 量程 0 2 0 0 n 温漂 0 0 0 3 f s c 滞后 0 0 2 f s 灵敏度 1 m v v 绝缘电压 3 0 0 0 0 v 非线性度 0 0 2 e s 工作温度 一2 0 - - 2 0 0 。c 工作电压 9 3 0 n 过载能力 1 5 0 f s 下图3 - 5 为压力传感器机械结构示意图。 1 i4()| | li ii lj l r ：- - - - - j | 广1 kd 图3 - 5压力传感器机械机构示意图 3 2 加速度传感器工作原理以及选择 3 2 1 电容式加速度传感器的工作原理 加速度传感器用于测量机车行进过程中的受电弓上下运动的加速度，根 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 据加速度传感器的输出数值还可以得到线路硬点的大小。 实际应用中加速度传感器芯片选择m o t o r o l a 的m m a 系列的 m m a l 2 0 0 d ，它是硅电容式加速度计，量程为2 5 0 9 ，m m a l 2 0 0 d 是变间 距式电容传感器，如下图3 6 示一共有3 块g - 单元板，其中上 o _ 下两块是固定的，而中间这一块是可以偏转的， 匕= d = = = 当中间一块板发生偏转而与上下两块距离改变， 图3 咱传感器物理模型 这个距离就是传感器要测量的量。设初始位置时， 两块固定板与可移动板之间的问距相等， 盈；6 ：= 6 。那么就有，两边电容相等，都是 c 。= 。，假设动极板有向上或是向下位移 a 6 ，那么电容变化有： j c - 暑c 。+ c( 3 8 ) i c 2 ；c o a c 即 c 1i c 5 0 - a 3 。c n ( 1 一笃0 0 。1 ( 3 9 ) c ：一南嵋o + 争 在6 归。( ( 1 情况下，将上式按级数展开并相减，则得到电容变化为 彬一c , - c 2 = c o 降z 肇+ ( 3 - 1 0 ) 略去高次项，那么 型：2 竺 ( 3 1 1 一2 一 u c o6 0 灵敏度s = 等= 2 ，相对非线性误差e ，2 ( 等) 2 x l 。，相比较来说， 这种差动式电容传感器比一般单一结构的灵敏度高一倍，而且非线性误差小 了很多。 3 2 2 加速度传感器芯片的变送电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 传感器输出信号在进入单片机之前，必须先将其转化为电流信号，尤其 在高压电气端来说，电流信号可以很好的避免受到2 5 k v 的高压影响。 在系统设计中我们采用了a m 4 2 2 来完成电压电流转换这个过程。a m 4 2 2 是一个用于模拟信号转换处理的电压到电流的专用接口集成电路，这种芯片 可以用作输入电压范围可变的输出为电流的标准接口电路。它可以采取两线 方式( 4 2 0 i i l a ) 或者三线方式( o 4 - - 2 0 m a ) 输出，并且它的电流输出范围 和偏置调零可以通过外接电阻进行任意调整。下图3 7 为a m 4 2 2 接口原理图。 g n d 图3 70 1 4 2 2 接口原理图 由原理图中可以得知，a m 4 2 2 是由