基于圖像測量微變形的地鐵剛性網(wǎng)諧振檢測方法

王志銘　魏斌　陳東軍

摘 要：為實(shí)現(xiàn)地鐵弓網(wǎng)的狀態(tài)檢修，需要檢測地鐵列車受電弓與剛性接觸網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況。本文研制了一種安裝于列車出站端的基于圖像模型的微變形檢測系統(tǒng)。通過采集列車在出站端至下一站的過程實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行諧振頻率、振幅的分析。在研究相關(guān)文獻(xiàn)后提出諧振是剛性網(wǎng)常見機(jī)械故障與受電弓異常磨耗的主因。本系統(tǒng)能有效地對地鐵列車運(yùn)行時(shí)剛性網(wǎng)諧振進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)檢修；微變形；諧振監(jiān)測

中圖分類號：TU46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0068-02

1 序言

中國城市軌道交通快速發(fā)展，剛性接觸網(wǎng)自2002年廣州地鐵2#從國外引進(jìn)后已被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)。本文敘述剛性網(wǎng)諧振檢測方法目的是提供一種先進(jìn)的檢測手段，對剛性網(wǎng)的運(yùn)用進(jìn)行理論和實(shí)踐的探討。目前國內(nèi)外對剛性網(wǎng)的諧振測量介紹不多，總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)[1-4]，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)設(shè)計(jì)階段對弓網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)不足，弓網(wǎng)維修階段存在機(jī)械故障較多，弓網(wǎng)仿真缺少實(shí)測數(shù)據(jù)確認(rèn)等問題。作者參與深圳地鐵11#車輛在線檢測系統(tǒng)《弓網(wǎng)壓力檢測子系統(tǒng)》中有關(guān)剛性網(wǎng)諧振監(jiān)測方案的具體實(shí)施，本文引用的圖表、實(shí)例，提出的新觀點(diǎn)和建議都源于本項(xiàng)目。

2 剛性接觸網(wǎng)存在的使用問題及原因分析

地鐵剛性接觸網(wǎng)在使用中存在的各種問題及其危害，進(jìn)行了大量的探討和研究，這些寶貴經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于全國地鐵的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維。現(xiàn)將其歸納總結(jié)如下：

2.1 存在問題

列車在大于80公里/h工況時(shí)，由于離線率增加使受電弓碳滑板的電氣磨損急劇增加；碳滑板過流斷裂、脫落和非均勻磨損；弓架變形、中心偏離等。

2.2 問題的危害

文獻(xiàn)資料普遍從工程實(shí)踐角度介紹了該種類的故障損害；其損害機(jī)理：接觸網(wǎng)幾何不平順與剛度不平順相互作用影響、轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了故障由小變大惡性循環(huán)過程；本論文敘述剛性網(wǎng)諧振存在于列車運(yùn)動站間全過程而不是僅發(fā)生于過車的短時(shí)間段，該情況導(dǎo)致匯流排、接觸線、懸掛緊固部件長期連續(xù)沖擊疲勞而產(chǎn)生了原設(shè)計(jì)欠考慮工況。剛性網(wǎng)存在問題影響了地鐵運(yùn)營-使剛性網(wǎng)、受電弓的運(yùn)維成本大幅增加；動車的受流情況變壞且影響了牽引設(shè)備的電源安全性。

2.3 原因分析

振動影響。文獻(xiàn)[3]給出了剛性網(wǎng)的懸掛自由振動頻率大致相同的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算了懸掛剛度、列車速度、跨距、單弓和多弓的弓網(wǎng)耦合動力學(xué)仿真結(jié)果：即跨距是影響自振頻率的關(guān)鍵因素，振動幅度則受懸掛剛度、速度等主要影響；相關(guān)文獻(xiàn)在壓力波動值和產(chǎn)生的最大垂向位移仿真計(jì)算存在差異可能是輸入?yún)?shù)不同；文獻(xiàn)[1]錄得的60公里/h、 80公里/h、120公里/h車載實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了弓網(wǎng)壓力波動性與速度的關(guān)聯(lián)性。

注：這些結(jié)論部分地被本項(xiàng)目諧振監(jiān)測裝置測量驗(yàn)證。

2.4 值得關(guān)注的諧振原因

（1）諧振產(chǎn)生條件。剛性網(wǎng)諧振條件--剛性網(wǎng)懸掛產(chǎn)生的固有自振頻率與弓網(wǎng)耦合動力持續(xù)相互作用；一定臨界速度、壓力條件下（比如滿足10公里時(shí)速和60N壓力）諧振頻率不再與速度、弓網(wǎng)壓力關(guān)聯(lián)。（2）諧振判斷條件。剛性網(wǎng)諧振判斷條件—振動能夠被傳遞和蔓延至較大區(qū)間。（3）諧振產(chǎn)生原因。諧振機(jī)理聚類于電網(wǎng)諧振、軌道諧振例子，即對象結(jié)構(gòu)參數(shù)決定自振頻率，寬頻激勵(lì)源滿足一定臨界條件產(chǎn)生諧振；結(jié)構(gòu)性剛度不平順（懸掛區(qū)域內(nèi)約為8～10倍變化）通過弓網(wǎng)耦合激勵(lì)作用產(chǎn)生諧振，是論文作者結(jié)合現(xiàn)場檢測并通過總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)后在國內(nèi)首次明確提出，現(xiàn)已在三條線路上運(yùn)行驗(yàn)證。相對于剛性網(wǎng)幾何不平順能在靜態(tài)測量，項(xiàng)目的意義是明顯易見的。（4）諧振的危害性。如同鐵路軌道、精密車床、電網(wǎng)、航空器等，避開固有自振頻率成為安全設(shè)計(jì)和運(yùn)行的首要考慮，現(xiàn)有大多數(shù)文獻(xiàn)與工程實(shí)踐，是假設(shè)剛性網(wǎng)沒有彈性或彈性可以忽略不計(jì)同時(shí)工程上也缺乏對諧振測量手段，受電弓產(chǎn)品也未針對現(xiàn)場測量工況考慮諧振壓力最優(yōu)補(bǔ)償?shù)冗m配剛度系數(shù)，已嚴(yán)重障礙了剛性接觸網(wǎng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。剛性網(wǎng)諧振需要被設(shè)計(jì)和研究、生產(chǎn)部門重新審視和測量計(jì)算，以建立新的設(shè)計(jì)規(guī)范、安裝工藝與弓網(wǎng)產(chǎn)品減振標(biāo)準(zhǔn)。

3 測量理論與實(shí)驗(yàn)

3.1 技術(shù)來源

剛性網(wǎng)諧振檢測技術(shù)來源于《一種接觸網(wǎng)受電弓壓力在線檢測方法》發(fā)明專利申請?zhí)枺?01710504511.0。

3.2 技術(shù)原理

一種接觸網(wǎng)受電弓壓力在線檢測方法，其基于接觸網(wǎng)受電弓壓力在線檢測裝置實(shí)施，該接觸網(wǎng)受電弓壓力在線檢測裝置設(shè)有定位標(biāo)志和相機(jī)；通過將定位標(biāo)志設(shè)置在位于受監(jiān)測接觸網(wǎng)的懸掛點(diǎn)所在的垂直于受監(jiān)測接觸網(wǎng)延伸方向的豎向平面之外的位置，并用相機(jī)采集基準(zhǔn)照片和比對照片，基準(zhǔn)照片示出了定位標(biāo)志在受監(jiān)測接觸網(wǎng)未與列車的受電弓接觸時(shí)的狀態(tài)，比對照片示出了定位標(biāo)志在列車運(yùn)行至其受電弓與所述定位標(biāo)志的中心點(diǎn)在水平方向上的距離在1m以內(nèi)時(shí)的狀態(tài)，利用比對中心像素點(diǎn)相對所述基準(zhǔn)中心像素點(diǎn)的豎向位移量△H必然與接觸網(wǎng)所受到的壓力F存在一一對應(yīng)的關(guān)系，計(jì)算出列車的受電弓在比對照片的拍攝時(shí)刻作用于受監(jiān)測接觸網(wǎng)上壓力F。

3.3 諧振測量

檢測點(diǎn)位于離懸掛點(diǎn)約為0.3m；面陣相機(jī)采樣諧振波形如圖1（監(jiān)測點(diǎn)：松崗站出站端弓網(wǎng)壓力檢測點(diǎn)，監(jiān)測時(shí)長：松崗-后亭站三分鐘檢測數(shù)據(jù)）。

圖2中數(shù)據(jù)前段帶有低頻的位移微變型壓力測量；數(shù)據(jù)中段列車運(yùn)行速度最大時(shí)諧振幅值最大；尤其值得研究的是當(dāng)接觸網(wǎng)剛度不平順與幾何不平順在最不利情況下的可能疊加嚴(yán)重情況（參考軌道不平順的相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于軌道最不利振動的研究）；諧振波通過剛性網(wǎng)匯流排傳回監(jiān)測點(diǎn)；較低頻（相當(dāng)于諧振頻率的幾分之一）的位移分量則因衰減不會傳回檢測點(diǎn)；諧振波在剛性網(wǎng)傳遞衰減因子約-10db/公里。

計(jì)算方法說明：

諧振頻率：在采樣點(diǎn)580#～707#期間內(nèi)，共計(jì)發(fā)生38次諧振波，計(jì)算剛性接觸網(wǎng)諧振周期為208.8秒，頻率4.8Hz。

諧振幅度：受電弓過弓是剛性接觸網(wǎng)振動幅度最大為5.4，諧振時(shí)記錄得到的最大幅度2.46，以靜態(tài)壓力120N為基礎(chǔ)計(jì)算得出振動壓力最大瞬時(shí)值變化為±55N。換算剛性網(wǎng)測點(diǎn)剛度系數(shù)約為300N/mm。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.1 諧振頻率計(jì)算

剛性網(wǎng)諧振頻率4.8Hz，與相關(guān)文獻(xiàn)的跨距8m仿真結(jié)果吻合，并且速度在出站端大于10公里/h后維持諧振頻率不變特性。

4.2 諧振幅度計(jì)算

剛性網(wǎng)諧振幅度隨速度變化而變化且換算為弓網(wǎng)壓力相對波動變化量值與文獻(xiàn)[4]仿真試驗(yàn)結(jié)果大致吻合（本案例列車最大速度100公里/h、平均壓力120N）：文獻(xiàn)記錄8m跨距與80公里/h--最大值111.325N、最小值70.115N、變化幅值41.210N、平均值90.873N、標(biāo)準(zhǔn)差9.540N、滑板最大位移4.41mm。

4.3 諧振傳遞

實(shí)測諧振波及范圍約為2公里，遠(yuǎn)大于列車自身長度。大于2公里后即弓網(wǎng)的連續(xù)耦合積分作用已小于諧振波的衰減因子影響，監(jiān)測點(diǎn)圖像回復(fù)正常的穩(wěn)態(tài)。

4.4 諧振測量方案改進(jìn)結(jié)果

線陣相機(jī)采樣；測點(diǎn)距離懸掛點(diǎn)分別約為2m、4m方案后的A、B工程案例（如圖3、圖4）。

兩條不同線路的列車受電弓經(jīng)過各自檢測區(qū)時(shí)的剛性網(wǎng)諧振測量，由于懸掛點(diǎn)距離測點(diǎn)差異和速度差異造成了諧振微變形的差異，線陣相機(jī)設(shè)計(jì)分辨力均為0.1mm/pix，并計(jì)算出的測點(diǎn)剛度系數(shù)分別為55N/mm、30N/mm，折算諧振壓力波動大致相同約為弓網(wǎng)壓力的10%～20%。

試驗(yàn)表明：用線陣相機(jī)采樣具有空間唯一性并存在穩(wěn)定的像素當(dāng)量；8m懸掛跨距決定了諧振頻率4.8Hz；測點(diǎn)距離懸掛點(diǎn)位置與列車站間最大速度決定諧振微變形的空間動態(tài)范圍；

高分辨高行頻掃描受電弓圖片表明了諧振工況下受電弓受沖擊的實(shí)際工況。

A線路高行頻0.1mm/pix掃描時(shí)諧振波對受電弓的沖擊并由于相機(jī)與剛網(wǎng)匯流排夾角，線陣采樣存在y向相對運(yùn)動，顯示出受電弓邊緣模糊的圖像，當(dāng)調(diào)整焦距使相機(jī)分辨力大于0.2mm/pix后圖像模糊邊緣變?yōu)榍逦?/p>

5 結(jié)語

期待通過大量的實(shí)例測量掌握諧振波特性，可能用有源懸掛或其它懸掛方式對諧振波進(jìn)行吸收、隔斷、補(bǔ)償來減小諧振波影響程度和波及范圍，最大限度減少剛性網(wǎng)的機(jī)械沖擊疲勞、損傷及對受電弓碳滑板的沖擊并對懸掛結(jié)構(gòu)與受電弓選型提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

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