受電弓及車頂動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析

趙 磊

(中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南機(jī)務(wù)段， 濟(jì)南 250023)

受電弓是機(jī)車從接觸網(wǎng)獲取電能的重要部件，其參數(shù)、狀態(tài)檢查是日常檢修作業(yè)中的必要環(huán)節(jié)[1]。受電弓及車頂動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)碳滑板尺寸參數(shù)檢測(cè)、升弓壓力測(cè)量、車頂狀態(tài)可視化觀測(cè)等功能，系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，檢測(cè)精度高，可有效減輕車頂作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

受電弓及車頂動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用高速、高分辨率圖像分析測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)代傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)受電弓關(guān)鍵特性參數(shù)的在線動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測(cè)[2]，其主要檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)包含3部分：(1)碳滑板參數(shù)檢測(cè)。采用動(dòng)態(tài)非接觸式圖像測(cè)量技術(shù)分析處理并記錄受電弓滑板磨耗值，中心線偏差值；(2)升弓壓力檢測(cè)。采用高精度傳感器檢測(cè)技術(shù)，動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測(cè)受電弓工作位接觸壓力；(3)車頂狀態(tài)可視化觀測(cè)。采用視頻錄像監(jiān)控技術(shù)，對(duì)機(jī)車車輛的車頂進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像。

1.1 碳滑板參數(shù)檢測(cè)

在碳滑板參數(shù)檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)下，其主要檢測(cè)內(nèi)容包括滑板磨耗檢測(cè)和中心線偏移檢測(cè)[3]。

(1)滑板磨耗檢測(cè)

機(jī)車通過(guò)檢測(cè)設(shè)備時(shí)，采用高分辨率高清晰度相機(jī)，按照如圖1所示設(shè)計(jì)角度對(duì)受電弓碳滑板進(jìn)行拍照，每個(gè)磨耗相機(jī)采集半個(gè)碳滑板圖像，通過(guò)拼接技術(shù)合成整體碳滑板，最終利用圖像分析處理技術(shù)，形成受電弓滑板厚度曲線，計(jì)算獲得最大厚度、平均厚度，最大磨耗差等參數(shù)信息。

(2)中心線偏移檢測(cè)

機(jī)車通過(guò)檢測(cè)設(shè)備時(shí)，采用高分辨率高清晰度相機(jī)，按照如圖2所示設(shè)計(jì)角度對(duì)受電弓兩端羊角進(jìn)行拍照，所獲取的圖像中包含了受電弓羊角相對(duì)于軌道中心線的位置信息，后經(jīng)實(shí)時(shí)圖像處理，得到受電弓中心相對(duì)于軌道中心的偏移量。

圖1 磨耗相機(jī)拍攝方位

圖2 中心線相機(jī)拍攝方位

1.2 受電弓升弓壓力檢測(cè)

圖3為壓力檢測(cè)示意圖，壓力檢測(cè)模塊通過(guò)力的傳遞來(lái)檢測(cè)受電弓升弓壓力，機(jī)車通過(guò)檢測(cè)設(shè)備時(shí)，受電弓在檢測(cè)位對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線有一個(gè)向上的力F，通過(guò)杠桿原理，將力傳遞到尾部的拉力傳感器，通過(guò)標(biāo)定力的關(guān)系模型，獲得升弓壓力。

在壓力檢測(cè)單元的前方和后方的接觸網(wǎng)上，安裝有雙弓隔斷裝置，避免同時(shí)升雙弓或多個(gè)受電弓之間相互壓力的干擾，保證壓力檢測(cè)單元檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

技術(shù)人員結(jié)合機(jī)車修程內(nèi)人工測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，每半年會(huì)對(duì)壓力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)和標(biāo)定，避免測(cè)量時(shí)因升弓高度不一致造成的測(cè)量結(jié)果不一致。

圖3 升弓壓力檢測(cè)模式

2 數(shù)據(jù)可視化分析

濟(jì)南機(jī)務(wù)段總計(jì)配置電力機(jī)車86臺(tái)，機(jī)車每次回段整備，都會(huì)通過(guò)機(jī)6股的受電弓檢測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)對(duì)碳滑板參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)利用Python語(yǔ)言編譯程序，自動(dòng)獲取86臺(tái)電力機(jī)車在受電弓系統(tǒng)中的碳滑板厚度歷史數(shù)據(jù)[4]，作可視化處理形成散點(diǎn)圖，直觀分析碳滑板磨耗趨勢(shì)和系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確性。

電力機(jī)車分Ⅰ端和Ⅱ端受電弓，機(jī)車運(yùn)用過(guò)程中只升其中一端，每臺(tái)受電弓有兩條碳滑板，從Ⅰ端到Ⅱ端，分別記為A、B、C、D，即Ⅰ端弓為AB碳滑板，Ⅱ端弓為CD碳滑板。

圖4 HXD3D 0183機(jī)車碳滑板厚度

(1)圖4為HXD3D0183機(jī)車碳滑板磨耗趨勢(shì)圖，圖中每一個(gè)散點(diǎn)表示記錄的一次檢測(cè)值，可以看出系統(tǒng)對(duì)A、B碳滑板的檢測(cè)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C、D碳滑板，這說(shuō)明由于機(jī)車交路安排的關(guān)系，HXD3D0183機(jī)車通常升Ⅰ端受電弓入庫(kù)檢測(cè)，從而導(dǎo)致Ⅱ端受電弓檢測(cè)次數(shù)較少。

(2)觀察圖4 HXD3D0183機(jī)車B碳滑板磨耗線，可以發(fā)現(xiàn)在4月18日和8月21日附近有兩處檢測(cè)值發(fā)生跳變，之后又恢復(fù)了正常趨勢(shì)，這說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行偶爾存在不穩(wěn)定性。

圖5 HXD3C 0787機(jī)車碳滑板厚度

(3)圖5為HXD3C0787機(jī)車碳滑板磨耗趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，在7月30日左右，HXD3C0787機(jī)車的4條碳滑板厚度陡然升高，并維持在40 mm左右，后經(jīng)調(diào)查分析，這是由于統(tǒng)一更換新碳滑板所導(dǎo)致，在數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析過(guò)程中，如果單位時(shí)間內(nèi)的磨耗趨勢(shì)加劇，分析者就應(yīng)該加強(qiáng)注意，這可能是由于更換碳滑板所致，也有可能是受電弓存在故障，導(dǎo)致碳滑板磨耗突然加劇，這種情況應(yīng)重點(diǎn)分析，查找數(shù)據(jù)變化根本原因。

(4)圖6為HXD3D0307機(jī)車碳滑板磨耗趨勢(shì)圖,從圖6中可以看出，5月份之后A滑板磨耗趨勢(shì)較為平緩，B滑板磨耗趨勢(shì)較為急劇，A、B兩滑板最小厚度的差值呈增大趨勢(shì)。技術(shù)文件規(guī)定，兩碳滑板在同一位置的最大磨耗差不得大于3 mm，否則需要更換碳滑板， A、B碳滑板最小厚度的差值變化可間接反映碳滑板最大磨耗差的變化，因此可以預(yù)判隨著運(yùn)用里程的增加，A、B碳滑板的磨耗差會(huì)逐漸增大，最終達(dá)到限定值3 mm。

圖6 HXD3D 0307機(jī)車碳滑板厚度

在日常分析過(guò)程中，可以對(duì)磨耗差的變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷，如果磨耗差有不斷增大趨勢(shì)，便可在未到3 mm時(shí)對(duì)碳滑板水平度進(jìn)行調(diào)整，使兩碳滑板磨耗速率一致，從而避免將來(lái)對(duì)碳滑板的更換，提高碳滑板利用率，降低使用成本。

3 問(wèn)題與建議

(1)機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中通常是升后弓運(yùn)行，在通過(guò)檢測(cè)線時(shí)，受電弓系統(tǒng)只能對(duì)升起的受電弓進(jìn)行檢測(cè)，如果機(jī)車每次入庫(kù)都是升同一個(gè)受電弓，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)車兩個(gè)受電弓檢測(cè)次數(shù)不均衡，例如第2(1)節(jié)中所示。

建議在機(jī)車入庫(kù)檢測(cè)前，安裝換弓提示牌，根據(jù)機(jī)車上次入庫(kù)升弓情況，提示乘務(wù)員本次入庫(kù)升另外一端受電弓，保證機(jī)車每趟入庫(kù)時(shí)均為不同弓位，從而確保機(jī)車Ⅰ、Ⅱ端受電弓均等檢測(cè)。

(2)從第2(2)節(jié)中的描述可以看出，系統(tǒng)檢測(cè)存在不穩(wěn)定性，偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變，不能真實(shí)反映碳滑板厚度值，對(duì)機(jī)車整備檢修造成誤導(dǎo)。

針對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變情況，督促?gòu)S家查找原因，調(diào)整優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)有軟件進(jìn)行升級(jí)改造，提高精度，減小誤差，保證系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

(3)磨耗差是機(jī)車受電弓部件的重要參數(shù)，研究其變化趨勢(shì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)磨耗差值的預(yù)判，進(jìn)而對(duì)存在隱患的受電弓進(jìn)行調(diào)整，提高碳滑板利用率，但受電弓及車頂動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中的歷史記錄和趨勢(shì)圖選項(xiàng)中未能提供磨耗差數(shù)據(jù)和其變化趨勢(shì)圖，不利于分析應(yīng)用。

建議在受電弓檢測(cè)系統(tǒng)"數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖"選項(xiàng)下，增加磨耗差數(shù)據(jù)和變化趨勢(shì)圖，便于技術(shù)人員分析判斷，指導(dǎo)檢修作業(yè)。

(4)受電弓及車頂動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中有歷史趨勢(shì)圖，但是圖表界面設(shè)計(jì)不合理，縱坐標(biāo)碳滑板厚度值范圍跨度太大，而碳滑板磨耗變化范圍較小，導(dǎo)致其趨勢(shì)圖近似于水平直線，難以進(jìn)行有效分析。

在受電弓系統(tǒng)中的碳滑板磨耗趨勢(shì)圖中，其縱坐標(biāo)范圍為-40～40 mm，建議按照文中圖例中的格式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使得趨勢(shì)圖縱坐標(biāo)的范圍同碳滑板厚度最低值到最高值的范圍基本保持一致，使得對(duì)趨勢(shì)的分析更為直觀準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

受電弓及車頂動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車受電弓各項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，相對(duì)于人工測(cè)量提高了檢測(cè)精度，降低了人工誤差，同時(shí)其數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)功能有助于技術(shù)人員研究碳滑板的使用性能，但系統(tǒng)的應(yīng)用還在初級(jí)階段，使用過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題，隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)技防要求的不斷提升，機(jī)車受電弓檢測(cè)技術(shù)也將會(huì)更加精準(zhǔn)和完善。