接触网几何参数测量仪工作原理、测量方法及其溯源方法解读

接触网几何参数测量仪工作原理、测量方法及其溯源方法解读摘要：随着高速铁路的不断发展，铁路运营里程的不断增加，电力机车在铁路运行中正扮演着越来越重要的角色。接触网作为电气化铁路中的一个重要组成部分，对列车安全、有效运行起到了十分关键的作用。因此对于接触网几何参数的测量具有很重要的作用和价值。接触网几何参数测量的方法有很多，本文选取了其中一类进行展开分析，研究其工作原理，及其测量方法，并根据今年即将实施的计量检定规程，对其溯源方式进行了解读。关键词：接触网；工作原理；几何参数；测量方法；溯源方法1.1.绪论1.1课题的目的与意义接触网是电气化铁路中一个重要的组成部分，用来向电力列车提供电能。由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础等几部分组成。接触网的各项几何参数都有严格的要求，其误差一旦超出允许范围，就很有可能发生工网事故，造成严重后果。因此为了保障列车运行的安全有效，避免发生安全事故，必须对接触网的几何参数进行检测。本文基于目前应用十分广泛的接触网几何参数测量仪，通过对其工作原理、测量方法的研究，并根据今年即将实施的新版检定规程，对其溯源方法进行解读。1.2国内外研究现状与水平针对接触网几何参数测量的方法有很多，有基于多目立体视觉［1的测量方法，可全天、实时测量接触网的几何参数，该方法主要运用于低速静态检测以及周期性动态巡检。有基于三维点云的接触网几何参数检测方法⑵，尝试利用三维图像处理技术，对接触网几何参数进行检测。也有基于图像处理技术，进行非接触测量，完成对接触网几何参数的动态检测。国外关于接触网几何参数测量的研究方法亦很多，其中非接触测量原理主要有2种，一种是利用机器视觉原理，通过CCD图像传感器对接触线进行分析，从而得出接触线在空间的位置，另一种是基于激光测距原理，主要利用激光对接触网进行扫描，通过扫描后的结果，实现对接触线位置的识别⑶。而传统的接触式测量方式主要有两类，其中的机械手工式检测由于存在诸多缺陷，目前已被基本淘汰。机械电子式测量为主要检测手段，通过在受电弓上安装各种传感器，利用电磁感应原理检测出接触网导线的位置，进而得到其拉出值及导高等参数，德国、日本、意大利等国已相继研发了这种接触式检测系统⑷。1.1.接触网几何参数列车的运行离不开铁路线路的设计和人的配合，因此为了保障列车运行的安全、有效，作为电气化铁路中一个重要的组成部分，人们对其几何参数提出了一定的要求。接触网几何参数主要包含以几个部分：2.1导高接触导线高度是指接触线的下边缘到两钢轨顶面的垂向距离。导线的高度设计根据不同的路段，有不同的设计要求。2.2拉出值拉出值指接触线定位点到两轨道中心的水平距离。电力机车通过受电弓与接触网滑动接触从而获得电能。在设计上，为了使受电弓滑板各部分磨损状况接近均匀，从而延长其使用年限，在直线段处，接触线呈“之”字形布置，在曲线段，呈折线形布置。接触点随着列车移动，拉出值不断变化，从而达到均匀磨损的目的。拉出值的设置亦有其考量，拉出值如果设置地过小，会使得接触线与受电弓滑板摩擦不均匀，从而降低使用寿命，如果设置地过大，容易发生弓网事故。2.3支柱侧面限界支柱侧面限界是指支柱内缘与临近铁路线路中心线的水平距离。它的设置主要是为了保证行车的安全，支柱侧面限界任何时候不得小于2440mm。2.4轨距轨距是指钢轨头部踏面下16mm范围内两股钢轨作用边之间的最小距离。轨距的误差直接关乎着列车的运行安全。是铁路运行中，最基本、最重要的参数之一。2.5超高超高是指铁路曲线道轨上外轨与内轨之间的高度差。列车在曲线上运动时产生的离心力，会使外轨承受较大的压力，发生剧烈的侧面磨耗，严重时甚至会造成倾覆事故。为此须将外轨抬高到一定的程度，利用车体重力产生的向心力来平衡离心力。超高的过高和过低都会引起不良的反应，严重时更会产生事故。以上是接触网几何参数中最重要的几个项目，其他一些诸如红线高度，非支高差、非支间距等亦属于几何参数，对列车的安全、有效运行，起到非常重要的作用。3接触网几何参数测量仪3.1接触网几何参数测量仪结构接触网几何参数测量仪是在电气化铁路中测量接触网几何参数的一种较为便携的检测装置。根据其显示装置的类型，可以分为数字类和标尺类两种。测量仪结构主要有测量架及主机构成，其中主机包含激光距离传感器、测角仪、轨距传感器、水平传感器等。

主机测量架图1接触网几何参数测量仪结构图3.2接触网几何参数测量仪测量原理首先建立坐标系，该坐标系是建立在以铁路线路两钢轨顶面形成的平面，且以轨道中心为零点。当进行测量功能时，旋转主机，或前后移动测量架，使激光点打在目标测量点中心，按下“测量键”后即可完成相应的测量工作。在仪器内部，主机会根据键盘指令调动激光测距模块、光栅测角模块和内部各种传感器分别测量距离和角度，按照一定的公式计算参数结果，最终在显示屏上输出相应的几何参数。图2导高和拉出值测量原理图接触线高度H：从接触线上M点到轨道面AB的距离

H=h0+h1=h0+sXcos（a）;拉出值L：接触线偏离轨道中心（AB中点）的距离，L=d0+l—d/2=d0+sXsin（a）—d/2;（其中：h0,d0为机械常数，其值分别为h0=210mm,d0=550mm；d为轨距的测量，a是光栅转过的角度）图3支柱侧面限界测量原理图a是光栅转过的角度，B倾角传感器测得的倾角，于是激光束与水平面成的夹角为：WX40$WX40$9-侧面限界c：-[550-2LOxtan。=90°+B—a（其中d0为轨距测量实际值）。4接触网几何参数测量仪的应用接触网几何参数测量仪具有测量多种接触网几何参数的功能。4.1导高、拉出值、轨距及超高测量测量时先将测量架放置于待测目标下方的轨道上，拨动测量架右端的轨距手柄，使测量架的固定端测头和活动端测头紧靠钢轨内侧，使测量架与轨道基本垂直。将主机放置于测量架的定位盘上，并使旋紧旋钮处于锁紧状态。如图4所示图4接触网几何参数测量仪放置方法待开机后，即可对目标进行瞄准。仪器显示屏中央有十字丝，通过前后挪动测量架和旋转主机头，使十字丝中心与待测目标完全重合。瞄准时，可先用手转动主机头进行粗调，然后根据需要可旋转微调旋钮进行微调，直至对准目标。之后按下“测量”键，即可从仪器显示屏上得到轨距、超高、导高和拉出值的测量。如图5,所示：图5接触网几何参数测量仪显示结果按下“保存”键，输入相应杆号，根据提示操作，即可完成各个目标的测量。4.2线岔中心测量按测量仪放置方法将接触网几何参数测量仪置于轨道上，瞄准岔心，按下“线岔”按钮，读取测量架上轨距刻度尺与另一条内轨交叉处的内轨距数值，输入后得到测量结果。测量时，人需要面对岔心方向测量，测量架固定端测头应在钢轨内侧，以保证内轨距刻度尺能正确读出内轨距。读取内轨距时应在钢轨内沿正上方读数避免视差。如图6所示，图6线岔中心测量方法按类似的方法，可用接触网几何参数测量仪分别对非支、定位器坡度、侧面限界、500mm处高差等项目进行测量。5接触网几何参数测量仪溯源方法分析随着计量技术的不断深入探索，接触网几何参数测量仪在溯源方式上有了一定的变化，新版的接触网几何参数测量仪检定规程已于近日（2020年06月30日）通过批准，自2020年12月30日起实施。相比于JJG（铁道）150-2009《接触网几何参数测量仪》检定规程，新版的规程更加规范，溯源方式更加合理。其变化主要体现在以下几个方面，一是增加了移动式接触网几何参数测量仪，传统的接触网测量仪主要以便携式为主，用主标准器为接触网检定台架在静态条件下对其进行溯源，而随着移动式接触网几何参数测量仪的产生，以及未来市场不断推广普及，在一定程度上满足了现场作业中的实际需求，同时为了保证其性能可靠，也相应地增加了其结构参数、电源适应性，重复瓶装复位可靠性，测量重复性，测量正确性及计程误差，数据采集处理等要求。二是在一些项目上的溯源方式发生了变化，新版《接触网几何参数测量仪》检定规程在测量接触线高度、拉出值、支柱侧面限界参数时，采用了每个位置进行3次测量取平均值的办法，究其缘由，主要是因为溯源方式的变化，由于其主标准器接触网几何参数测量仪检定台架在溯源时也发生了变化，新版《接触网几何参数测量仪检定台架》对其主要参数测量结果的不确定度进行了具体的要求，为了达到相应地指标要求，接触网几何参数测量仪在进行这3项测量时，采用多次测量取平均值的方法，从而降低由重复性引入的不确定分量，进而进一步降低最终检定或校准结果的不确定度，使其达到相应计量性能的要求。另外，新版规程增加了激光发射功率以及对显示测量结果5S内数字跳动量采用秒表计时的方式，使得其溯源方式更加规范，完整。此外，新版规程还对接触网测量仪的结构参数增加了后续检定时的指标，由于在现场使用频次较高，往往在经过一个溯源周期之后，其结构参数性能有所下降，难以达到出厂后首次检定时的性能要求，同时因为在现场应用中，该参数并不需要达到这么高的要求，结合两点因素考虑，新版规程对结构参数中的项目增加了后续检定的指标要求。纵观新版《接触网几何参数测量仪》检定规程，无论是在溯源方式上，还是指标上，都有了进一步的提高，使得接触网几何参数测量仪在溯源时更加规范，完整，保障了计量器具的性能，同时也结合现场的实际需求，提出了移动式测量仪的溯源方法，为未来接触网几何参数溯源的发展提供了保障。6总结在接触网几何参数测量中，接触网几何参数测量仪是一种比较便捷的测量设备，其具有操作方便，界面直观，自动计算，方便储存等优点。本文对接触网几何参数测量仪的工作原理进行了研究，并结合其实际应用对其测量方法进行了分析，同时根据今年即将实施的新版计量检定规程，对其溯源方法进行了解读，提出了自己的看法，对未来进一步探索，提升接触网几何参数测量仪的性能提供了一定