張鵬飛，鐘 源，吳積欽

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一種弓網(wǎng)接觸力內(nèi)嵌式傳感器的研制

張鵬飛，鐘 源，吳積欽

目前常用的幾種使用力傳感器測量接觸力的方法不同程度地影響和改變了受電弓的原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致測量結(jié)果無法反映受電弓的原有特性及實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，測量系統(tǒng)較復(fù)雜且不具有通用性。本文提出一種新型傳感器設(shè)計(jì)將影響降低到最小程度，并確定了測量和補(bǔ)償方法。經(jīng)過實(shí)體建模、理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證，該傳感器具有良好的線性度和準(zhǔn)確度，補(bǔ)償后的接觸力測量準(zhǔn)確度滿足歐標(biāo)要求。

受電弓；力傳感器；弓網(wǎng)接觸力；補(bǔ)償

0 引言

在電力機(jī)車（動車組）運(yùn)行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定接觸是列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵。一定的接觸力意味著滑板與接觸線之間相互接觸，保證正常取流，但較大的接觸力會導(dǎo)致較大的機(jī)械磨耗和接觸線抬升；而接觸力為零時，滑板與接觸線不再接觸（俗稱“離線”），造成電氣磨耗加劇。接觸力的波動情況可以反映弓網(wǎng)系統(tǒng)的動力學(xué)特性，準(zhǔn)確地測量接觸力可較精準(zhǔn)地評價弓網(wǎng)匹配質(zhì)量，因此在弓網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測中，接觸力測量的重要性不言而喻[1]。

根據(jù)已有的文獻(xiàn)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，常用的接觸力測量方法是通過外加力傳感器和加速度傳感器進(jìn)行檢測，受到弓頭質(zhì)量的影響并基于力系平衡原理，測得接觸力后需要進(jìn)行加速度補(bǔ)償以進(jìn)行慣性力修正[2，3]。而與常規(guī)的測量方法不同，文獻(xiàn)[4]提出利用圖像識別的方法得到運(yùn)行中的弓頭彈簧的形變量以推算出接觸力和振動加速度的大小，從而計(jì)算得到接觸力；文獻(xiàn)[5]提出一種檢測弓網(wǎng)接觸力的方案，主要表述了數(shù)據(jù)的采集分析處理，傳感器部分未作描述；文獻(xiàn)[6]將力傳感器固定在滑板兩端支撐點(diǎn)進(jìn)行測量，結(jié)合V/F傳輸?shù)姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)據(jù)采集；文獻(xiàn)[7]在受電弓滑板與支持裝置間裝設(shè)傳感器用以測量弓網(wǎng)接觸力，并進(jìn)行加速度補(bǔ)償。

就目前弓網(wǎng)接觸力檢測方法而言，其測試過程及測試設(shè)備仍待進(jìn)一步簡化，測試精度仍需要進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有的方法實(shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜，對受電弓原有的結(jié)構(gòu)造成了不同程度的影響甚至破壞，所測得的接觸力已不能準(zhǔn)確反應(yīng)受電弓原有的特性。另外，在受電弓高速運(yùn)行時，通過圖像識別的方式會造成誤差增加，無法準(zhǔn)確地測量接觸力。

歐標(biāo)EN50317-2012[8]提到，受電弓的質(zhì)量和幾何形狀受測量系統(tǒng)安裝引起的改變應(yīng)盡可能小，傳感器對原有受電弓空氣動力特性的改變應(yīng)該予以修正。在進(jìn)行弓網(wǎng)接觸力測量時，需遵照標(biāo)準(zhǔn)對受電弓進(jìn)行適度改裝，改裝應(yīng)盡可能小地影響受電弓整體結(jié)構(gòu)。本文提出一種新型接觸力測量內(nèi)嵌式傳感器，以軸銷傳感器為主體，兼顧支撐和測力的功能，將支持裝置與傳感器合二為一，對弓頭進(jìn)行最小程度地改動，將檢測設(shè)備的種類和數(shù)量減為最少，避免受電弓原有特性的改變和空氣動力對受電弓的額外影響。基于受電弓激勵與弓頭轉(zhuǎn)軸應(yīng)變響應(yīng)的線性關(guān)系，更有針對性地進(jìn)行接觸力測量。

1 測量原理

1.1 弓頭結(jié)構(gòu)與簡化模型

受電弓弓頭的簡化模型如圖1所示。該模型將滑板托架與轉(zhuǎn)軸之間的部分簡化為1對彈簧，弓頭與上框架由轉(zhuǎn)軸銜接，承受來自弓頭的力，包括弓頭自重、接觸力、滑板與接觸線的摩擦力等。

圖1 受電弓弓頭簡化模型1

將轉(zhuǎn)軸單獨(dú)進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)軸受力分析

1、2為轉(zhuǎn)軸受到的來自受電弓上框架的支持力，方向豎直向上；3、4為轉(zhuǎn)軸承受的來自弓頭的壓力，包括弓頭自重、接觸力、摩擦力等，方向豎直向下。左右兩側(cè)的陰影部分表示變形區(qū)，是力敏的感知部位，當(dāng)傳感器承受負(fù)載時，應(yīng)變集中于該區(qū)域，可以被應(yīng)變片感知。

將上框架的轉(zhuǎn)軸作為一個整體，不考慮其內(nèi)部受力情況，受電弓弓頭簡化模型如圖3所示。1為弓頭質(zhì)量，2為轉(zhuǎn)軸質(zhì)量；1、2分別為弓頭懸架、轉(zhuǎn)軸與框架之間的剛度，考慮到弓頭轉(zhuǎn)軸通過軸承與上框架連接，可以認(rèn)為2極大；1、2、0分別表示弓頭、轉(zhuǎn)軸、框架的位移，其中0= 0?；迮c轉(zhuǎn)軸只有垂直方向的單一自由度。

圖3 受電弓弓頭簡化模型2

根據(jù)以上二質(zhì)量塊模型可列出二自由度體系運(yùn)動方程：

式中，1、2與1、2分別為彈簧1、2的阻尼系數(shù)與彈性系數(shù)，c為接觸力。聯(lián)立可得

可見，接觸力受弓頭加速度及轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動速度、位移、加速度的影響，與弓頭位移、速度無關(guān)。

1.2 內(nèi)嵌式傳感器設(shè)計(jì)原理

內(nèi)嵌式傳感器依照圖2、圖3進(jìn)行設(shè)計(jì)。1為弓頭質(zhì)量，傳感器以兩端的變形區(qū)為界可以分為3個部分，其質(zhì)量分別為2、3、4，其中3、4為傳感器變形區(qū)至弓頭連接處的質(zhì)量，3=4；2為傳感器兩變形區(qū)之間的質(zhì)量，得到如圖4所示的簡化模型。1、2為弓頭懸架的剛度，3、4為變形區(qū)的剛度，5為連接傳感器與框架之間軸承的剛度。受電弓弓頭左右兩側(cè)對稱，參數(shù)相同，即1=2，1=2，3=4，3=4。1,2,3,4均只有垂直方向的單一自由度。由于左右兩側(cè)完全對稱，將模型沿對稱軸左右分開，只對左側(cè)進(jìn)行分析。

圖4 轉(zhuǎn)軸受力分析模型

根據(jù)以上三質(zhì)量塊模型可列出三自由度體系運(yùn)動方程為

式（3）中3較小，相對于整體質(zhì)量可忽略不計(jì)，阻尼均忽略不計(jì)，由此簡化后聯(lián)立可得

式（4）中的3(2-3)實(shí)質(zhì)上是傳感器其中一端所受到的力，得出弓頭在運(yùn)動狀態(tài)下接觸力與加速度的關(guān)系，為接觸力補(bǔ)償提供依據(jù)。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及補(bǔ)償

為驗(yàn)證上述接觸力測量方法，以某國產(chǎn)受電弓為試驗(yàn)對象，根據(jù)上述思路設(shè)計(jì)對應(yīng)尺寸的內(nèi)嵌傳感器。該型受電弓的轉(zhuǎn)軸貫穿上框架左右，通過4個螺栓與弓頭銜接，并承擔(dān)所有來自弓頭的力，因此內(nèi)嵌傳感器可適用于該型受電弓。將轉(zhuǎn)軸替換為內(nèi)嵌傳感器進(jìn)行接觸力測量，具有以下優(yōu)勢：（1）部件外形簡單，尺寸易測量和控制，加工難度低；（2）原理簡單，理論基礎(chǔ)成熟；（3）替換受電弓原有部件后，既能實(shí)現(xiàn)原有的支持功能，又兼顧傳感器測力的功能，對受電弓原有結(jié)構(gòu)影響最小。

傳感器安裝于上框架頂管位置（圖5），其截面直徑與原轉(zhuǎn)軸截面直徑完全相同。傳感器兩端變形區(qū)是測力的力敏部位，施加負(fù)載后既要有能夠被應(yīng)變片感知的足夠大應(yīng)變，還需滿足彈性極限強(qiáng)度要求[9]。變形區(qū)預(yù)留30～50 mm，相比原有結(jié)構(gòu)，傳感器長度稍有增加，但對整體結(jié)構(gòu)影響較小。

圖5 傳感器簡化示意圖

根據(jù)歐標(biāo)EN 50317-2012要求[5]，接觸力測量時必須進(jìn)行加速度補(bǔ)償，以消除弓頭上下晃動的影響。補(bǔ)償后的接觸力應(yīng)由下式進(jìn)行計(jì)算：

加速度補(bǔ)償需要在測量接觸力的同時測出弓頭的加速度。加速度傳感器與內(nèi)嵌壓力傳感器同時安裝，其中加速度傳感器在弓頭前后滑板中心各安裝1個，用以測量豎直方向的加速度，壓力傳感器只有1個。按照式（6）要求，需要將2個加速度傳感器的示數(shù)取平均值作為加速度值代入。

在本例中，傳感器的設(shè)計(jì)與安裝對受電弓原本特性影響很小，符合歐標(biāo)EN50317-2012中測試系統(tǒng)對原有空氣特性影響不得超過5%的要求，因此不需要進(jìn)行空氣動力修正，取corr,areo= 0。結(jié)合式（6）、式（5），接觸力最終計(jì)算式為

式（7）是歐標(biāo)給出的加速度補(bǔ)償依據(jù)，式（6）為理論推導(dǎo)出的加速度補(bǔ)償計(jì)算式，當(dāng)corr,areo= 0時，式（6）與式（7）具有相同的形式。

3 測試及分析

3.1 靜態(tài)測試

進(jìn)行動態(tài)測試前，需要先對內(nèi)嵌傳感器進(jìn)行靜態(tài)測試，以驗(yàn)證傳感器的線性特性，并標(biāo)注零點(diǎn)。圖6為靜態(tài)測試設(shè)備示意圖。

圖6 靜態(tài)測試設(shè)備示意圖

標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出特性已經(jīng)過專業(yè)標(biāo)定。靜止?fàn)顟B(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)傳感器與內(nèi)嵌傳感器所受力大小相等，方向相反，因此標(biāo)準(zhǔn)傳感器的示數(shù)為該時刻下的接觸力大小。內(nèi)嵌式傳感器以靈敏度作為輸出，經(jīng)在不同接觸力大小下采集、測量、比對，得到不同接觸力下2個傳感器的多組示數(shù)如圖7所示。

圖7 內(nèi)嵌傳感器示數(shù)與受力關(guān)系

內(nèi)嵌傳感器的受力大小等于接觸力大小，兩傳感器的輸出一一對應(yīng)。圖7中縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)傳感器受力大小，橫坐標(biāo)為內(nèi)嵌傳感器的輸出。以同一時刻下2個傳感器的示數(shù)作為一組，圖像體現(xiàn)了該傳感器的輸出特性，具有很好的線性特征，受力與輸出的關(guān)系近似為一次函數(shù)關(guān)系。利用Matlab進(jìn)行線性擬合后，得到該傳感器的輸出特性為

= 1 147 171.117 904 45+ 309.147 453 26（8）

式中，為內(nèi)嵌傳感器輸出；為施加的負(fù)載，N。

3.2 動態(tài)測試

模擬4種大小不同的接觸力，使用激振器對滑板施加步長為1，頻率范圍1～20 Hz的正弦波振動進(jìn)行多組試驗(yàn)。在試驗(yàn)進(jìn)行過程中同時采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器、內(nèi)嵌傳感器、2個加速度傳感器的輸出。由于試驗(yàn)次數(shù)多，數(shù)據(jù)量巨大，只取其中一組（接觸力為83.24 N，頻率為4 Hz）進(jìn)行分析。

加速度1、加速度2分別為固定于前后滑板上的加速度傳感器的輸出，周期為0.25 s。2路傳感器的輸出基本一致，表示前后滑板運(yùn)動狀態(tài)一致。加速度最大值與最小值均約為4 m/s2，平均值為0。

標(biāo)準(zhǔn)傳感器與內(nèi)嵌傳感器輸出對比如圖8所示，對輸出進(jìn)行加速度補(bǔ)償后的結(jié)果如圖9所示。由圖8可以看出，未加補(bǔ)償前，內(nèi)嵌傳感器示數(shù)的幅值小于標(biāo)準(zhǔn)傳感器示數(shù)，但變化趨勢相同，周期為0.25 s；接觸力最大約為160 N，而內(nèi)嵌傳感器測得的接觸力最大約為120 N，平均值均為70 N。

圖8 傳感器的輸出對比

由圖9可以看出，進(jìn)行加速度補(bǔ)償后，2條曲線基本重合，加速度補(bǔ)償效果良好，內(nèi)嵌傳感器輸出經(jīng)過補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果與實(shí)際接觸力基本一致。分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）在一個周期內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器受力最大值為160.48 N，最小值為-16.71 N；內(nèi)嵌傳感器受力最大值為159.95 N，最小值為-13.36 N。根據(jù)誤差率計(jì)算式，得出該工況下的誤差率為0.098；

（2）受到弓頭重量的影響，需要進(jìn)行加速度補(bǔ)償，補(bǔ)償后的結(jié)果基本與標(biāo)準(zhǔn)值吻合；

（3）在整個測試頻率范圍內(nèi)，該傳感器較好地反映了接觸力的變化趨勢，具有良好的跟隨性；

（4）分析對比同一時刻的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌傳感器的輸出相較于標(biāo)準(zhǔn)傳感器有一定的相位滯后，這是由弓頭內(nèi)部的剛度和阻尼造成，可以通過加速度補(bǔ)償消除該影響。

圖9 補(bǔ)償后示數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較

3.3 準(zhǔn)確度分析

根據(jù)歐標(biāo)EN50317-2012要求，為了評估傳感器的準(zhǔn)確性，需要計(jì)算傳感器的準(zhǔn)確度，以作為評估標(biāo)準(zhǔn)。的計(jì)算式為

式中，f為第組數(shù)據(jù)對應(yīng)的頻率；1為試驗(yàn)初始頻率；measured、applied分別為接觸力測量值和標(biāo)準(zhǔn)值。

在1～20 Hz頻率范圍內(nèi)，當(dāng)測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上時，該測量系統(tǒng)才能被認(rèn)為是準(zhǔn)確的[8]。經(jīng)計(jì)算，不同接觸力大小下的傳感器準(zhǔn)確度如表1所示。在不同的靜態(tài)升弓力下，準(zhǔn)確度有少許差異，但總體來看，傳感器的準(zhǔn)確度平均值為92.5%，能夠達(dá)到≥90%的要求。

表1 傳感器準(zhǔn)確度

4 結(jié)語

弓網(wǎng)接觸力內(nèi)嵌式傳感器的制作從選型、結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)、加工多方面進(jìn)行考慮，試驗(yàn)過程嚴(yán)格遵照歐標(biāo)EN50317-2012要求。整個傳感器可以在盡可能小地改動受電弓弓頭原有結(jié)構(gòu)的前提下準(zhǔn)確地進(jìn)行接觸力測量；將轉(zhuǎn)軸替換為內(nèi)嵌式傳感器，使之兼具承載與測力的功能，避免外加過多部件導(dǎo)致弓頭結(jié)構(gòu)及特性改變，無需進(jìn)行空氣動力的修正；應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡單，相比于原有的測量方法，所涉及的變量較少。

通過多組多條件下的靜態(tài)測試與動態(tài)測試，驗(yàn)證了該傳感器的優(yōu)良特性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值符合較好，準(zhǔn)確度可滿足歐標(biāo)要求。在數(shù)據(jù)分析中，由于3遠(yuǎn)小于整體質(zhì)量，在補(bǔ)償時將其忽略，使得推導(dǎo)出的補(bǔ)償計(jì)算式與歐標(biāo)EN50317-2012所要求的形式一致，使分析過程簡便，結(jié)果簡化。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，該傳感器的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到驗(yàn)證，后續(xù)還需經(jīng)實(shí)際線路實(shí)測，以實(shí)現(xiàn)傳感器的實(shí)際應(yīng)用。

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The several common methods used at present for measurement of contact force by force sensors affect and change the pantograph’s original structure in different degrees, and lead to that the measurement results are unable to reflect the original characteristics and actual operation status of the pantograph, the measurement system is rather complicated and is of non-commonality. The paper puts forward a new type of sensor design in order to minimize the influence and determine the methods for measurement and compensation. By solid modeling, theoretical derivation and test verification, the sensor has proper linearity and accuracy, and the accuracy of contact force measurement after compensation complies with the requirements of European Standard.

Pantograph; force sensor; pantograph-catenary contact force; compensation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.013

U264.3

A

1007-936X(2018)06-0054-05

2018-09-13

張鵬飛.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，碩士研究生；

鐘 源.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，博士研究生；

吳積欽.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授。