便攜式接觸網(wǎng)參數(shù)智能檢測裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

引言

接觸網(wǎng)是電氣化軌道交通中所特有的沿軌道線路上空架設(shè)的一種特殊形式的輸電線路,其目的主要是為電力機(jī)車提供可靠、不間斷的電能,是現(xiàn)代電氣化軌道交通牽引供變電系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分。電力機(jī)車通過自身車頂?shù)氖茈姽徒佑|網(wǎng)接觸線的良好接觸來獲得電能并產(chǎn)生動(dòng)力來源,其受流質(zhì)量時(shí)刻受到接觸網(wǎng)接觸線運(yùn)行狀態(tài)的影響。要想保持接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)良好,除了嚴(yán)格要求接觸懸掛的設(shè)計(jì)、施工及鐵路線路的運(yùn)營以外,對接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行周期性的一系列檢測與記錄也是極其重要的環(huán)節(jié)。接觸網(wǎng)參數(shù)智能檢測系統(tǒng)結(jié)合了激光掃描儀、測速裝置和筆記本電腦,通過編程處理實(shí)現(xiàn)相關(guān)幾何參數(shù)的非接觸式采集、采樣點(diǎn)定位和數(shù)據(jù)處理,以獲得接觸網(wǎng)的各個(gè)幾何參數(shù),經(jīng)試驗(yàn)該裝置能有效提高接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的檢測精度,測量精度達(dá)到士10mm。該設(shè)備安裝在機(jī)車車頂或采用手推式機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)參數(shù)的不間斷連續(xù)測量,可以有效降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提升測量精度和工作效率,解決了目前高速鐵路夜間作業(yè)和傳統(tǒng)量測、目測工作存在的實(shí)際問題。

1接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法包括接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測是一種直接將檢測裝置與接觸線接觸測量的方式,傳統(tǒng)的接觸式檢測方法具有較大的應(yīng)用缺陷:(1)效率低,許多參數(shù)不能直接獲得,需要進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換:(2)安全系數(shù)低,工人在高壓環(huán)境下工作,需要安全防護(hù),風(fēng)險(xiǎn)高:(3)檢測精度低,容易受到環(huán)境因素(絕緣桿自重、風(fēng)、濕度等)的影響。從現(xiàn)代角度來說,這種方法顯然不能滿足工程要求。

非接觸式檢測方法分為基于激光掃描的測量、基于超聲波原理的測量以及基于圖像處理的測量。其中,基于超聲波原理的非接觸式檢測方案中,超聲波受到溫度、濕度以及大氣壓等環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響較大,設(shè)備老化程度較快:基于圖像處理的非接觸式檢測方案中,對攝像元件和高壓隔離電路的絕緣要求高,且有效信息提取、處理的算法復(fù)雜。相對前兩者而言,基于激光掃描檢測的方案受影響因素更小,在實(shí)際應(yīng)用中,算法相對成熟可行。為了方便接觸網(wǎng)工作業(yè),本文從國內(nèi)外接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的眾多檢測方案中,優(yōu)先選擇基于激光掃描處理的非接觸式檢測方案來設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)。

2導(dǎo)高和拉出值的計(jì)算原理

導(dǎo)高是接觸線到軌平面的垂直距離,拉出值是接觸線到受電弓中心的水平距離,導(dǎo)高和拉出值是接觸網(wǎng)檢測的核心參數(shù),其計(jì)算原理如圖1所示。

圖1接觸網(wǎng)參數(shù)計(jì)算原理

根據(jù)導(dǎo)高的定義及計(jì)算原理圖可知,接觸網(wǎng)導(dǎo)高的計(jì)算公式如下:

式中,Hj表示導(dǎo)高(mm):H0表示激光掃描儀激光源距離鐵軌表面的距離(mm):h表示激光源距離接觸線的垂直距離(mm):s表示激光源距離接觸線的距離(mm):α表示接觸線相對于激光掃描儀起始掃描角的角度(О)。

拉出值的合理設(shè)置能夠避免因此造成的各種弓網(wǎng)事故,所以對拉出值進(jìn)行物理分析就顯得尤為重要。拉出值計(jì)算公式如下:

式中,a表示拉出值(mm),正值表示位于線路中心線的左側(cè),負(fù)值表示位于線路中心線的右側(cè):s表示激光源距離接觸線的距離(mm):α表示接觸線與激光源掃描起始角的角度(О)。

3檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。接觸網(wǎng)參數(shù)智能檢測系統(tǒng)由檢測裝置和檢測軟件構(gòu)成。檢測裝置包括各種傳感器,以及負(fù)責(zé)預(yù)處理數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)服務(wù)器,在通過數(shù)據(jù)線交由筆記本進(jìn)行處理,并反饋信息。

3.1檢測裝置設(shè)計(jì)

該檢測裝置如圖3所示,設(shè)計(jì)了便攜式車體,機(jī)械車體可做簡單折疊,并和檢測電腦分開存放和攜帶。在材料上進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì),車體采用航空鋁材分體式設(shè)計(jì),車身重量較輕,且包括推行把手在內(nèi)的推行裝置固定端均可折疊,使其可迅速切換作業(yè)和非作業(yè)工作狀態(tài)。

3.2檢測軟件設(shè)計(jì)

該裝置系統(tǒng)軟件層的通信采用接口通過數(shù)據(jù)線與裝有windows系統(tǒng)的筆記本電腦進(jìn)行連接并接收,其功能分為以下幾部分:(1)初始掃描參數(shù)設(shè)置:(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示:(3)動(dòng)態(tài)圖像繪制:(4)數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中便于讀取、處理。在系統(tǒng)開始工作前,可以設(shè)定初始參數(shù),包括激光源離軌道平面距離、激光掃描范圍、公里標(biāo)初始值、數(shù)據(jù)采集間隔、激光源距離接觸線的縱向距離等。通過設(shè)定以上數(shù)據(jù),可以減少一些冗雜數(shù)據(jù),為使數(shù)據(jù)更加精確,在繪圖時(shí)采用取平均值的方法使誤差進(jìn)一步減小,最后以公里標(biāo)為基量繪制出導(dǎo)高、拉出值、速度,并實(shí)時(shí)顯示所測得數(shù)據(jù),如圖4所示。

3.3系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

在進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試時(shí),采用了目前接觸網(wǎng)檢測最常用的設(shè)備(DJJ78激光多功能接觸線檢測儀)進(jìn)行設(shè)備的精度校準(zhǔn)測試,如圖5所示。

從接觸網(wǎng)施工同步檢測裝置與DJJ78激光測量儀的測量結(jié)果(表1)對比來看,測量誤差約為-10mm,滿足工程要求。在接下來的研發(fā)工作中,可以通過傳感器補(bǔ)償及濾波算法來提高測量精度。

4結(jié)語

為方便接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的檢測,本文設(shè)計(jì)了便攜式接觸網(wǎng)參數(shù)智能檢測裝置,車體采用航空鋁材分體式設(shè)計(jì),車身重量較輕,包括推行把手在內(nèi)的推行裝置固定端可折疊,使其可迅速切換作業(yè)和非作業(yè)工作狀態(tài),方便生產(chǎn),且實(shí)用、耐用。與現(xiàn)有常用的非接觸式檢測設(shè)備(DJJ-8激光多功能接觸線檢測儀)相比,本文研發(fā)的檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)參數(shù)的連續(xù)(不間斷)測量,且終端的多樣化大大提高了本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。接觸網(wǎng)參數(shù)智能檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化,提高了工作效率,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,應(yīng)用前景廣闊。