【《受电弓磨耗检测技术研究现状文献综述》3600字】

受电弓磨耗检测技术研究现状文献综述由于受电弓滑板的种种自身特性以及运行条件的影响，当电力机车运行一定的里程后，受电弓滑板均需进行检修与维护，主要对滑板的外部特征进行检查。国内外相关机构和学者制定了多种弓网检修方案，目前弓网检测手段主要分为接触式测量和非接触式测量[8]。接触式测量指的是传统人工检测，列车入库降弓断电，检测人员登顶检测受电弓滑板、故障。还有内埋光纤传感器检测，将传感器埋入滑板内部。非接触式测量包括超声波检测、激光检测、图像分析检测。下文对常用检测手段当前国内外的研究情况进行简单介绍。1.1国内研究现状在本世纪初任世光在前人研究的基础上提出了一种新型的滑板磨耗检测装置，并且该装置还可以实现自动降弓[9]。这一套检测装置采用的关键部件主要是内埋式光纤磨耗传感器。顾名思义，原理就是在受电弓滑板内部嵌入若干光纤检测传感器，在列车运行过程中当受电弓滑板受到接触导线上的硬点冲击时，产生的冲击信号会被预先内埋的传感器采集，然后通过编码器进行编码，编码后的信号反射到光接收机，该传感器接受光信号后将其送到解码器。解码器将接收到的信号解码后推送至相关的处理设备，计算机进行一系列的分析计算之后，针对受电弓滑板不同磨耗等级自动的给出对应报警信号。如果是遇到紧急情况，则可以实现自动降弓操作，一定程度上可以防止弓网事故的发生，检测系统示意图及检测流程如下。图1-3光纤检测示意图我国西南交通大学的伊保来，基于超声波测距的工作原理，提出了一种新的检测方法来对受电弓滑板上表面的工作情况进行检测。在他提出的检测方法中，需要在轨道正上方置一横梁，然后将关键部件超声波发射器安装在上面。列车入库进行检测时，经过超声波检测区域并触发检测元件发出电信号依次打开传感器准备检测，当列车受电弓滑板通过检测区域后，触发原件控制传感器关闭。完成整个检测过程后，系统会将前后两次触发超声波传感器的时间进行存档。计算机利用超声波测距原理，通过相关的算法检测出滑板表面的磨损情况[10]。西南交通大学的孙丰晖利用超声波传感器测距准确、成本较低、信息处理简单的优势，研究设计了一套以超声波传感器作为主要检测设备的受电弓磨耗检测系统。该检测系统基于DSPTMS320LF2407A超声波传感器来测量列车受电弓滑板磨耗值。并且重点对单板和双板受电弓分别进行了调试[11]。系统中考虑超声波传感器的发射方式，将其等距安装于轨旁安装粱上，安装粱连接固定架，列车经过时，通过检测超声波信号完成滑板平面的测距。检测示意图如1-4所示。图1-4超声波传感检测南京理工大学的胡雪冰针对城轨列车运行中常见的滑板磨耗、中心线偏移、羊角缺失三种故障，研究设计了一套基于图像处理的受电弓故障在线检测系统，该系统以三个CCD相机为一组，前后两组相机对受电弓前后弓分别进行拍摄，硬件示意图如下，特别针对现场采集时光照条件不均匀得问题，提出自适应的边缘检测算法，并基于三次多项式的亚像素边缘检测算法，通过提取滑板边缘得到滑板磨耗曲线。同时还需要对高清相机拍摄到的图片进行分析，综合判断受电弓滑板工作表面是否存在异常磨损[12]。图1-5滑板磨耗图像检测示意图石家庄铁道大学的张新龙针对列车运行时由于弓网摩擦产生的受电弓滑板磨耗严重的问题，提出一种基于激光测量的检测技术。该方法是将激光扫描测量技术和单目视觉图像技术结合，传统单目视觉存在视场小、环境影响大的特点。作者在单目视觉在线检测的基础上，在列车行进轨道两旁分别设置立柱，将单目相机与线激光器成一定角度左右安装，安装角度需要保证在列车行驶过检测区域时，滑板纵截面刚好被线激光器全部扫描到，这一点上该方法存在一定的局限性。然后用相机拍摄投射于滑板纵截面上的光条图像，对获取到的光条图像进行去噪预处理，在图像中进行目标提取，获取滑板的上下边缘，最后进行磨耗计算[13]。图1-6超声波传感检测广东工业大学的莫圣阳提出一种基于3D视觉技术的受电弓磨耗检测方法，通过获取受电弓滑板的三维点云数据，并对滑板点云数据进行预处理、对冗余数据进行精简，精简后数据进行插值拟合，得到滑板剖面曲线，并在剖面曲线上进行特征定位，通过斜率法提取滑板未磨损区域的左右端点，即羊角区域到滑板区域的拐点作为特征点，以此还原滑板标准平面计算磨耗值，并设计基于3D视觉的滑板磨耗检测软件，进行磨耗计算的结果分析、输出和显示[14]。1.2国外研究现状日本的长沢広树研制一套光纤内埋式的磨耗检测系统，该系统的原理是通过滑板中光纤的通断数量来计算受电弓滑板的磨耗值的。在工作过程中，需要先把光纤式磨耗传感器安装在受电弓碳滑板内部，列车运行过程中，接触网导线会与碳滑板发生相互的滑动摩擦。当摩擦发生时，滑板中预先内埋的光纤会产生断裂，断裂的光纤会导致检测系统的传感器通光性消失，因此通过该原理可以分析计算受电弓碳滑板的磨损状况。该系统研制成功后在日本东北的新干线上进行了相关的装车试验，试验效果良好，在实际运行状态下能够达到检测精度[15]。此外东日本公司MinoruOgasawara在前人研究的基础上提出一种密集型超声波检测装置。该检测装置同样基于超声波的测距原理，但是和传统的超声检测有一定的区别。此种检测装置由于布置了更为密集的超声传感器，因此极大的提高了检测精度，在以往超声波检测的基础上能够更加精确的实现受电弓滑板磨耗的检测。这套装置研制成功后可以极大提高检测精度和滑板检测效率，因此在东日本铁路公司被广泛的推广使用[16]。澳大利亚的一家铁路运维设备制造公司设计了一套列车状态检测系统，也称之为PTMS系统。普通的基于图像检测的系统，有一个弊端就是光线的明暗会对系统的精度造成很大的影响。但是该系统其中之一的创新性就是可以在光线较暗环境下，利用激光检测的手段，使用激光传感器去扫过受电弓滑板的工作表面，然后再用高分辨率相机拍摄滑板轮廓上面的高亮度激光束，经过算法计算输出受电弓滑板的三维轮廓图。该系统的工作原理是通过激光束打在滑板轮廓上时，如果受电弓滑板的表面存在裂纹、缺口、偏磨等异常状况时，激光束会产生一定的变形。当激光条的实际变形量超过检测系统的设定标准后，系统进行报警，检测人员根据报警信息对相关的滑板进行及时的检测及维修，可以有效地避免发生严重的列车运行事故。PTMS滑板系统具有良好的环境容错性同时也具有较高的检测精度，系统研制成功后在澳大利亚铁路公司得到了广泛使用和推广。此外澳大利亚麦考瑞大学的相关研究机构设计出一种受电弓检测系统，该系统主要针对受电弓的滑板运行状态进行检测。检测方案使用2台高速工业相机获取滑板的俯视图及左右侧视图，以此来提取到滑板的边缘信息，完成滑板磨耗的检测[17]。日本的酒井雄人设计了一套基于图像法的受电弓滑板检测系统，该系统是最早几家基于图像分析来检测受电弓滑板运行状态的，虽然现在其检测设备稍显落后，但其检测方法和检测理论具有较高的借鉴意义。首先该系统的设备布局结构如图1-7所示。该检测装置首先需要在一横杆上安装了两个高分辨率的立体摄像机，通过一左一右的布局对受电弓滑板的两个侧面进行拍摄。同时考虑到图像检测法在不同环境下不同的光照条件对检测结果的影响较大，因此加装了辅助照明设备，通过照明装置尽量的降低光照变化、雨雪天气等不利因素对摄像机拍摄图像质量的影响。在检测过程中可以根据需要实时调整照明设备角度，优化软件算法，得到更为清晰的受电弓滑板磨耗曲线。作者最后对该图像测量装置进行精度验证，试验结果证明该系统检测精度能够满足列车实际运行时的检测需求[18]。图1-7基于图像分析的受电弓滑板磨耗检测设备给成图参考文献李成新.《中国城市轨道交通TOD发展概览（2010-2020）》发布[J].城市轨道交通,2021(03):40-41.中国城市轨道交通2019年度数据统计[J].隧道建设(中英文),2020,40(05):762-767.梅桂明.受电弓—接触网系统动力学研究[D].西南交通大学,2011.黄显峰.受电弓滑板材料的制备、组织与性能研究[D].长春工业大学,2012.白金花.受电弓可靠性分析与研究[J].机械研究与应用,2021,34(01):41-43.华公平,丁春华.铁路机车受电弓碳滑板材料研究[J].金属热处理,2008(02):28-33.邵利峰,韦强,徐立新,石宗利.电力机车受电弓滑板研究进展[J].材料开发与应用,2008(05):94-96.马莉.LV2600型受电弓滑板磨耗检测算法研究[D].西南交通大学,2011.任世光.新型滑板磨耗检测及自动降弓装置[J].铁道运营技术,2000(04):139-141.尹保来.基于超声波的受电弓滑板磨耗检测系统设计[D].成都：西南交通大学,2009.孙丰晖.受电弓滑板磨耗检测系统的设计及调试[D].西南交通大学,2011.胡雪冰.基于图像处理的受电弓故障在线检测系统研究[D].南京理工大学,2019.莫圣阳.基于3D视觉技术的受电弓磨耗检测系统研究[D].广东工业大学,2015.张新龙.基于单目视觉激光扫描成像的受电弓磨损检测系统设计[D].石家庄铁道大学,2019.长沢広树,刘鑫.使用光纤维检测受电弓损伤[J].铁道机车车辆工人,2002(12):32.MinoruOgasawar,于慧娟,林克.铁道车辆道旁监测系统的发展现状[J].国外机车车辆工艺,2000(05):1-3+14.HameyLGC,WatkinsT,YenSWT.Pancam:in-serviceinspectionoflocomotivepantographs[C]//DigitalImageComputingTechniquesandApplication,9thBiennialConferenceoftheAustralianPatternRecognitionSocietyon.IEEE,2007:493-499.酒井雄人,彭惠民.受电弓滑板图像式测量装置的开发[J].国外机车车辆工艺,2019(05):18-21+24.吴庆阳.线结构光三维传感中关键技术研究[D].四川大学,2006.贾倩倩.基于闭合光刀法的多摄像机自由曲面测量关键技术研究[D].清华大学,2009.陶立.彩色三维激光扫描测量系统关键技术的研究[D].天津大学,2005.马颂德，张正友，计算机视觉[M].北京：科学出版社，1998.JianhuaWang,FanhuaiShi,JingZhang,YuncaiLiu.Anewcalibrationmodelofcameralensdistortion[J].PatternRecognition,2007,41(2).WengJuyang,PaulCohen,MarcHerniou.Cameracalibrationwithdistortionmodelsandaccuaacyevaluation[J].IEEETransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence,1992,14(10)