基于圖像測(cè)量微變形的地鐵剛性網(wǎng)諧振檢測(cè)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(cè)地鐵列車(chē)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(chē)出站端的基于圖像模型的微變形檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)采集列車(chē)在出站端至下一站的過(guò)程實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，對(duì)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(jiàn)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(duì)地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)剛性網(wǎng)諧振進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0068-02

1 序言

中國(guó)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(guó)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(cè)方法目的是提供一種先進(jìn)的檢測(cè)手段，對(duì)剛性網(wǎng)的運(yùn)用進(jìn)行理論和實(shí)踐的探討。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)剛性網(wǎng)的諧振測(cè)量介紹不多，總結(jié)國(guó)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)確認(rèn)等問(wèn)題。作者參與深圳地鐵11#車(chē)輛在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)《弓網(wǎng)壓力檢測(cè)子系統(tǒng)》中有關(guān)剛性網(wǎng)諧振監(jiān)測(cè)方案的具體實(shí)施，本文引用的圖表、實(shí)例，提出的新觀(guān)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(wèn)題及原因分析

地鐵剛性接觸網(wǎng)在使用中存在的各種問(wèn)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(guó)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(wèn)題

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

2.2 問(wèn)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(lèi)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(guò)程；本論文敘述剛性網(wǎng)諧振存在于列車(chē)運(yùn)動(dòng)站間全過(guò)程而不是僅發(fā)生于過(guò)車(chē)的短時(shí)間段，該情況導(dǎo)致匯流排、接觸線(xiàn)、懸掛緊固部件長(zhǎng)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(wèn)題影響了地鐵運(yùn)營(yíng)-使剛性網(wǎng)、受電弓的運(yùn)維成本大幅增加；動(dòng)車(chē)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(dòng)影響。文獻(xiàn)[3]給出了剛性網(wǎng)的懸掛自由振動(dòng)頻率大致相同的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算了懸掛剛度、列車(chē)速度、跨距、單弓和多弓的弓網(wǎng)耦合動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chē)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了弓網(wǎng)壓力波動(dòng)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(cè)裝置測(cè)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(dòng)力持續(xù)相互作用；一定臨界速度、壓力條件下（比如滿(mǎn)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(dòng)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(lèi)于電網(wǎng)諧振、軌道諧振例子，即對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)決定自振頻率，寬頻激勵(lì)源滿(mǎn)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(guò)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(chǎng)檢測(cè)并通過(guò)總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)后在國(guó)內(nèi)首次明確提出，現(xiàn)已在三條線(xiàn)路上運(yùn)行驗(yàn)證。相對(duì)于剛性網(wǎng)幾何不平順能在靜態(tài)測(cè)量，項(xiàng)目的意義是明顯易見(jiàn)的。（4）諧振的危害性。如同鐵路軌道、精密車(chē)床、電網(wǎng)、航空器等，避開(kāi)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(méi)有彈性或彈性可以忽略不計(jì)同時(shí)工程上也缺乏對(duì)諧振測(cè)量手段，受電弓產(chǎn)品也未針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(mén)重新審視和測(cè)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(cè)量理論與實(shí)驗(yàn)

3.1 技術(shù)來(lái)源

剛性網(wǎng)諧振檢測(cè)技術(shù)來(lái)源于《一種接觸網(wǎng)受電弓壓力在線(xiàn)檢測(cè)方法》發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01710504511.0。

3.2 技術(shù)原理

一種接觸網(wǎng)受電弓壓力在線(xiàn)檢測(cè)方法，其基于接觸網(wǎng)受電弓壓力在線(xiàn)檢測(cè)裝置實(shí)施，該接觸網(wǎng)受電弓壓力在線(xiàn)檢測(cè)裝置設(shè)有定位標(biāo)志和相機(jī)；通過(guò)將定位標(biāo)志設(shè)置在位于受監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)的懸掛點(diǎn)所在的垂直于受監(jiān)測(cè)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(duì)照片，基準(zhǔn)照片示出了定位標(biāo)志在受監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)未與列車(chē)的受電弓接觸時(shí)的狀態(tài)，比對(duì)照片示出了定位標(biāo)志在列車(chē)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?xún)?nèi)時(shí)的狀態(tài)，利用比對(duì)中心像素點(diǎn)相對(duì)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(duì)應(yīng)的關(guān)系，計(jì)算出列車(chē)的受電弓在比對(duì)照片的拍攝時(shí)刻作用于受監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)上壓力F。

3.3 諧振測(cè)量

檢測(cè)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(cè)點(diǎn)：松崗站出站端弓網(wǎng)壓力檢測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)：松崗-后亭站三分鐘檢測(cè)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(cè)量；數(shù)據(jù)中段列車(chē)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(dòng)的研究）；諧振波通過(guò)剛性網(wǎng)匯流排傳回監(jiān)測(cè)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(huì)傳回檢測(cè)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(shuō)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(guò)弓是剛性接觸網(wǎng)振動(dòng)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(dòng)壓力最大瞬時(shí)值變化為±55N。換算剛性網(wǎng)測(cè)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(duì)波動(dòng)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(chē)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(cè)諧振波及范圍約為2公里，遠(yuǎn)大于列車(chē)自身長(zhǎng)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(cè)點(diǎn)圖像回復(fù)正常的穩(wěn)態(tài)。

4.4 諧振測(cè)量方案改進(jìn)結(jié)果

線(xiàn)陣相機(jī)采樣；測(cè)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(xiàn)路的列車(chē)受電弓經(jīng)過(guò)各自檢測(cè)區(qū)時(shí)的剛性網(wǎng)諧振測(cè)量，由于懸掛點(diǎn)距離測(cè)點(diǎn)差異和速度差異造成了諧振微變形的差異，線(xiàn)陣相機(jī)設(shè)計(jì)分辨力均為0.1mm/pix，并計(jì)算出的測(cè)點(diǎn)剛度系數(shù)分別為55N/mm、30N/mm，折算諧振壓力波動(dòng)大致相同約為弓網(wǎng)壓力的10%～20%。

試驗(yàn)表明：用線(xiàn)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(cè)點(diǎn)距離懸掛點(diǎn)位置與列車(chē)站間最大速度決定諧振微變形的空間動(dòng)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(xiàn)路高行頻0.1mm/pix掃描時(shí)諧振波對(duì)受電弓的沖擊并由于相機(jī)與剛網(wǎng)匯流排夾角，線(xiàn)陣采樣存在y向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(yǔ)

期待通過(guò)大量的實(shí)例測(cè)量掌握諧振波特性，可能用有源懸掛或其它懸掛方式對(duì)諧振波進(jìn)行吸收、隔斷、補(bǔ)償來(lái)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(duì)受電弓碳滑板的沖擊并對(duì)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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