跨座式單軌集電裝置接觸壓力測試方法研究與設(shè)計

何 偉 任光勝

（重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶400044）

0 引言

集電裝置作為軌道交通車輛的能源輸入裝置以及電力系統(tǒng)的重要組成部件，關(guān)系到軌道車輛運行的可靠性、安全性?？缱絾诬壾囕v集電裝置安裝在車輛底部轉(zhuǎn)向架兩側(cè)面，通過氣動頂升裝置和彈簧復(fù)位裝置與PC軌道梁兩側(cè)接觸網(wǎng)接觸與分離，實現(xiàn)車輛直流電源的接入與斷開。與地鐵、高鐵等軌道車輛集電裝置安裝在車頂受取電流的方式不同，單軌車輛接觸網(wǎng)被固定在軌道上，集電裝置與接觸網(wǎng)為剛性接觸，工作環(huán)境并不理想。

日本原裝進口的KC118/218型集電裝置如圖1所示。國產(chǎn)化SCG-100型單臂集電裝置如圖2所示，其結(jié)構(gòu)和原裝進口的集電裝置相似，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、運行可靠的特點[1]。

圖1 KC118/218型集電裝置

圖2 SCG-100型單臂集電裝置

集電裝置分為正極（+）和負極（-）兩類。正極（+）用集電裝置采用電磁閥解鉤裝置釋放吊鉤，利用彈簧自身的彈力升弓，降弓則是采用氣缸。負極（-）用集電裝置沒有裝備自動升弓和自動降弓裝置，升弓過程與正極（+）一樣，降弓過程則是手動操作實現(xiàn)。集電裝置設(shè)計的最高時速為100 km/h，額定工作電壓為1 500 V（DC），額定電流為400 A（DC），工作氣壓為0.35～0.5 MPa，質(zhì)量為15 kg。集電裝置主要組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 集電裝置各組成部分

1 測試原理

根據(jù)跨座式單軌車輛的檢修規(guī)程，集電裝置在檢修后，需要做各種性能試驗，其中最為重要的就是接觸壓力試驗。為了模擬真實的運動情況，本文采用相對運動法，固定集電裝置不動，通過步進電機與絲杠配合形成二維移動平臺，驅(qū)使測力裝置與集電裝置接觸并相對運動。

為了防止接觸網(wǎng)與集電舟上的受電滑塊在同一位置長時間接觸，使得受電滑板磨損不均勻，跨座式單軌PC梁兩側(cè)的接觸網(wǎng)并不是我們視覺上所見的直線設(shè)計，而是呈“之”字型設(shè)計[2]。但是在進行集電裝置性能試驗時沒有辦法在集電裝置運動下與靜止的接觸網(wǎng)接觸，只能反向模擬兩者的相對運動，通過接觸網(wǎng)替代模塊的運動與固定在試驗臺上的集電裝置接觸，由壓力傳感器將集電裝置的受電滑塊在不同工作高度和速度下對接觸網(wǎng)的接觸壓力轉(zhuǎn)變成電信號，再將壓力傳感器轉(zhuǎn)換所得的電信號送到儀表顯示和送到工控機進行顯示、處理和保存。接觸壓力試驗原理如圖4所示。

集電裝置對接觸網(wǎng)的接觸壓力試驗分為靜接觸壓力測試和動接觸壓力測試。

靜接觸壓力是為了模擬車輛集電舟上的受電滑板在靜止狀態(tài)下與接觸網(wǎng)的接觸壓力，主要采用簡單點測量的方式，通過步進電機控制集電裝置伸縮高度測量出集電裝置伸縮高度分別位于295 mm、330 mm、365 mm、400 mm和435 mm時的接觸壓力。

圖4 接觸壓力試驗原理

動接觸壓力是為了模擬車輛運行時與“之”字型接觸網(wǎng)之間縱向相對運動下受電滑塊和接觸網(wǎng)之間的動態(tài)接觸壓力。試驗時，讓替代滑塊在標準工作高度365 mm時以30 km/h、35 km/h、40 km/h、45 km/h、50 km/h的時速上下運動，測量出每個速度下的最小和最大接觸壓力值。

2 試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試

2.1 試驗平臺的設(shè)計

試驗平臺主要由集電裝置固定裝置、XZ軸二維移動機構(gòu)、壓力測量裝置等組成，如圖5所示。XZ軸二維移動機構(gòu)采用滾珠絲杠配合步進電機的方式，在Z軸絲杠上安裝壓力測量裝置，替代滑塊安裝在壓力傳感器上，試驗時與集電裝置受電滑塊接觸。通過兩個接近開關(guān)控制替代滑塊的初始位置。

圖5 集電裝置試驗平臺

2.2 驅(qū)動機構(gòu)

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運行的[3]，通常被用作定位和定速控制，具有慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。步進電機按結(jié)構(gòu)分為永磁式步進電動機（PM）、反應(yīng)式步進電動機（VR）、混合式步進電動機（HB）等[4]，這里選擇性價比最高的混合式步進電動機。

選擇步進電機時，第一要保證步進電機的輸出功率滿足負載所需的功率。而在選擇步進電機的功率時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，使電機的矩頻特性能夠滿足機械負載并有一定的余量保證其運動可靠。一般認為最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。

此試驗移動平臺主要受來自垂直Z軸的工作負載，但是作用力不大，根據(jù)經(jīng)驗選擇步進電機型號為42BYG250B，步距角為0.9°/1.8°，電流為1.5 A。

步進電機的正常運轉(zhuǎn)要靠驅(qū)動器才行，驅(qū)動器是一種能將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機角位移的器件。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，按照步進電機的結(jié)構(gòu)特點，順序分配脈沖，實現(xiàn)控制角位移、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向等目的[5-6]。選擇一款匹配的步進電機驅(qū)動器一般要從四個方面入手：

（1）步進電機的額定電流；（2）需要的步距角大??；

（3）電源提供的交直流電壓；

（4）步進電機運行中要達到一定速度時需要的電壓。

根據(jù)步進電機工作電流，選擇研控兩相步進電機驅(qū)動器YKC2405M。YKC2405M是等角度恒力矩細分型高性能步進驅(qū)動器，驅(qū)動電壓DC 20～50 V，采用單電源供電，適配電流在3.0 A以下、外徑42～86 mm的各種型號的兩相混合式步進電機。該驅(qū)動器內(nèi)部采用雙極恒流斬波方式，使電機噪音減小，電機運行更平穩(wěn)；驅(qū)動電源電壓的增加使得電機的高速性能和驅(qū)動能力大為提高。

為了提高步進電機控制的精度，步進電機驅(qū)動器現(xiàn)在都具有細分功能，細分是通過驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次降為零（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場合力會使轉(zhuǎn)子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）[7]。

驅(qū)動器可以提供2細分到200細分共15種運行模式，利用驅(qū)動器面板上的八位撥碼開關(guān)的第5、6、7、8位可組合出不同狀態(tài)。這里選擇將這4位分別調(diào)至ON/ON/OFF/ON，即使輸出電流選擇在16細分。

該驅(qū)動器最大輸出電流為3 A/相，通過選擇面板上八位撥碼開關(guān)的第1、2、3位可以組合出8種狀態(tài)，對應(yīng)從0.71 A到3 A。這里選擇的兩相混合式步進電機驅(qū)動電流為1.5 A，所以需要將八位撥碼開關(guān)的第1、2、3分別調(diào)至ON、OFF、ON。步進電機驅(qū)動器細分設(shè)定表與電流表如圖6所示。

2.3 壓力檢測裝置

根據(jù)機電裝置最大工作接觸壓力值，結(jié)合滾珠絲杠滑臺結(jié)構(gòu)，選擇懸臂梁式壓力傳感器，壓力傳感器的量程選擇0～10 kg，工作電壓10 V DC（最大12 V DC），輸出mV信號，輸出靈敏度（2.0±0.1）mV/V，懸臂梁式稱重壓力傳感器采用剪切或彎曲懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端固定，一端受力，外形高度低，結(jié)構(gòu)強度高，可用于各種拉伸力和壓縮力的承載和測量。

電阻應(yīng)變式力傳感器由彈性元件承受力并發(fā)生形變，使附著其上的電阻應(yīng)變器也發(fā)生形變，從而轉(zhuǎn)化為阻值變化[8]。同樣的輸入電壓下，輸出為毫伏（mV）信號，mV信號特別微小，容易受傳輸引線（電阻）、強電壓/電流（電磁）干擾，不能遠傳，也不是標準信號，不能被大部分的二次儀表、PLC等所采集。所以需要力傳感器與變送器配套使用，變送器又叫做信號放大器，可以將傳感器信號變送成標準的0～5 V、0～10 V、4～20 mA信號，抗干擾能力強，適合0～100 m以內(nèi)的信號傳輸，并且更容易被接收和采集。這里選擇的變送器輸入信號為0～20 mV DC，輸出信號為4～20mA，電源電壓為24V（DC）。

圖6 驅(qū)動器細分設(shè)定表與電流表

3 PLC控制與程序

3.1 PLC選型

考慮到力傳感經(jīng)變送器輸出的信號是模擬量信號，控制步進電機動作需要高速脈沖輸出，同時為方便以后功能的拓展等，選擇西門子S7-200 PLC。PLC的數(shù)字量輸出分為繼電器輸出和晶體管輸出兩種，繼電器輸出一般用于開關(guān)頻率不高于0.5 Hz的場合，對于開關(guān)頻率高的應(yīng)用晶體管輸出，此外對PLC的輸入和輸出點要求不高，所以S7-226CN型CPU可以滿足要求。由于壓力變送器輸出的是4～20 mA信號，所以需要一個模擬量輸入擴展模塊，通過查閱西門子PLC選型手冊，選擇EM231CN模塊。

3.2 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計

PLC數(shù)字量輸入、輸出信號如表1所示。

3.3 PLC控制程序設(shè)計

PLC控制功能的實現(xiàn)，主要是靠其內(nèi)部存儲的程序進行控制的。使用一根PPI/PP電纜，一端連接在上位機上，一端連接在PLC的PORT口上，就可以實現(xiàn)上位機和PLC的通信。STEP7-Micro/WIN軟件是Siemens公司專門為S7-200系列PLC設(shè)計開發(fā)的上位機編程軟件。該軟件功能強大、界面友好，通過PPI通信協(xié)議，能方便地進行各種編程操作，同時可以實現(xiàn)PLC程序執(zhí)行情況的監(jiān)控[9]。

表1 PLC數(shù)字量輸入、輸出

試驗時模擬接觸網(wǎng)的替代模塊，需要分別測試集電裝置升至295 mm、330 mm、365 mm、400 mm、435 mm時各高度的靜接觸壓力，以及在處于標準工作高度365 mm時，不同速度上下運行時的動接觸壓力。替代模塊簡易運動位移圖如圖7所示。

圖7 替代模塊運動位移圖

西門子S7-226CN自帶位置控制模塊可以選擇配置PLC內(nèi)置PTO/PWM操作，指定Q0.0為X軸步進電機脈沖發(fā)生器，Q0.1為Z軸步進電機脈沖發(fā)生器，分別配置運動包絡(luò)定義，實現(xiàn)對步進電機的控制。這里簡介Q0.0運動包絡(luò)配置方式，如圖8所示。

圖8 Q0.0運動包絡(luò)配置方式

根據(jù)X軸運動位移與速度要求，定義6個運動包絡(luò)，包絡(luò)0～4選擇操作模式為相對位置，包絡(luò)5選擇操作模式為單速連續(xù)旋轉(zhuǎn)。每個包絡(luò)的具體目標速度與位移設(shè)置如表2所示。Q0.1運動包絡(luò)設(shè)定方式類似于Q0.1，只是具體運動包絡(luò)參數(shù)不一樣，Q0.1的每個包絡(luò)具體目標速度與位移設(shè)置如表3所示。

表2 Q0.0運動包絡(luò)定義

表3 Q0.1運動包絡(luò)定義

每次試驗之前，需要確保X、Z軸歸零，程序會自動檢測是否到位，如果沒有歸零到位，需按下復(fù)位按鈕進行X、Z軸歸零復(fù)位。在確認兩軸都復(fù)位后，按下試驗開始按鈕，整個試驗開始進行，可以通過數(shù)顯表觀測實時的接觸壓力值。

配置好位置控制模塊后，PLC會生成相應(yīng)的子程序，在使用這些子程序時，需要先啟用和初始化PTO輸出。

X、Z軸運動控制程序都是后一個模塊使能位為前一個模塊的完成位，依次執(zhí)行。這里給出了X、Z軸第一段運動控制程序，如圖9、圖10所示。

圖9 X軸第一段運動控制程序

圖10 Z軸第一段運動控制程序

最大、最小接觸壓力值采用比較法獲得，用兩個數(shù)據(jù)儲存區(qū)分別存放最大值與最小值，通過與實時測量值進行比較，更新數(shù)據(jù)儲存區(qū)數(shù)據(jù)。

部分壓力測量程序如圖11所示。

4 結(jié)語

軌道交通已成為市民出行中必不可少的代步工具，為保證跨座式單軌車輛的正常運行，對于車輛集電裝置的維護顯得十分重要。

作為集電裝置維修檢查的重中之重，接觸壓力試驗?zāi)軌蛑庇^準確地檢測出集電裝置各工況下的受力情況，反映潛在的問題隱患，做到減少甚至避免車輛運行時由于機械傳動環(huán)節(jié)出現(xiàn)磨損、緊固件松動、應(yīng)力損傷等情況引起的集電裝置軸承架斷裂、支撐桿斷裂等嚴重影響車輛運行安全的事故[10]。

本文通過對集電裝置接觸壓力試驗原理的分析，確定了利用相對運動的試驗方式，在滾珠絲杠配合步進電機組成的二維移動平臺與力傳感器共同作用下，實時測量出集電裝置在各個工作高度時的靜接觸壓力以及在標準工作高度時不同運行速度下的動接觸壓力；介紹了滾珠絲杠、步進電機、步進電機驅(qū)動器、力傳感器和PLC選型思路，編寫了步進電機控制程序、壓力檢測程序等。

圖11 壓力測量程序

[1]段友麗.重慶跨座式單軌車受電弓失效分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[2]賴慶峰.基于雙目視覺的跨座式單軌接觸網(wǎng)磨損檢測技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[3]張瑞芹.淺析步進電機的選擇計算方法[J].技術(shù)與市場，2014，21（4）：165.

[4]張文海，梁功勛.“微特電機”講座第4講：步進電動機原理及其應(yīng)用[J].電世界，2014（7）：45-47.

[5]毛昀，楊峰.基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014（4）：87-89.

[6]徐寧，張博舒，張連華，等.PLC控制步進電機加減速運行的設(shè)計[J].電子世界，2011（11）：18-19.

[7]賀光友，高俊飛，李瓊，等.固體物料自動取樣機：102564808A[P].2012-07-11.

[8] 黃玉莎.電阻應(yīng)變式傳感器的原理[J].科技風(fēng)，2013（14）：27.

[9]陳忠平，周少華，侯玉寶，等.西門子S7-200系列PLC自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[10]潘華強，段友麗，趙建華.跨座式單軌車受電弓有限元受力分析[J].科學(xué)咨詢，2010（15）：82-83.