基于图像测量微变形的地铁刚性网谐振检测方法

王志铭　魏斌　陈东军

摘 要：为实现地铁弓网的状态检修，需要检测地铁列车受电弓与刚性接触网的实际运行工况。本文研制了一种安装于列车出站端的基于图像模型的微变形检测系统。通过采集列车在出站端至下一站的过程实时图像数据，对数据进行谐振频率、振幅的分析。在研究相关文献后提出谐振是刚性网常见机械故障与受电弓异常磨耗的主因。本系统能有效地对地铁列车运行时刚性网谐振进行监测，达到了预期效果。

关键词：状态检修；微变形；谐振监测

中图分类号：TU46 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0068-02

1 序言

中国城市轨道交通快速发展，刚性接触网自2002年广州地铁2#从国外引进后已被广泛应用于城市轨道交通牵引供电系统。本文叙述刚性网谐振检测方法目的是提供一种先进的检测手段，对刚性网的运用进行理论和实践的探讨。目前国内外对刚性网的谐振测量介绍不多，总结国内外相关研究文献[1-4]，发现弓网设计阶段对弓网接口的设计不足，弓网维修阶段存在机械故障较多，弓网仿真缺少实测数据确认等问题。作者参与深圳地铁11#车辆在线检测系统《弓网压力检测子系统》中有关刚性网谐振监测方案的具体实施，本文引用的图表、实例，提出的新观点和建议都源于本项目。

2 刚性接触网存在的使用问题及原因分析

地铁刚性接触网在使用中存在的各种问题及其危害，进行了大量的探讨和研究，这些宝贵经验与实验数据已广泛应用于全国地铁的设计、建设和运维。现将其归纳总结如下：

2.1 存在问题

列车在大于80公里/h工况时，由于离线率增加使受电弓碳滑板的电气磨损急剧增加；碳滑板过流断裂、脱落和非均匀磨损；弓架变形、中心偏离等。

2.2 问题的危害

文献资料普遍从工程实践角度介绍了该种类的故障损害；其损害机理：接触网几何不平顺与刚度不平顺相互作用影响、转化导致了故障由小变大恶性循环过程；本论文叙述刚性网谐振存在于列车运动站间全过程而不是仅发生于过车的短时间段，该情况导致汇流排、接触线、悬挂紧固部件长期连续冲击疲劳而产生了原设计欠考虑工况。刚性网存在问题影响了地铁运营-使刚性网、受电弓的运维成本大幅增加；动车的受流情况变坏且影响了牵引设备的电源安全性。

2.3 原因分析

振动影响。文献[3]给出了刚性网的悬挂自由振动频率大致相同的计算结果。计算了悬挂刚度、列车速度、跨距、单弓和多弓的弓网耦合动力学仿真结果：即跨距是影响自振频率的关键因素，振动幅度则受悬挂刚度、速度等主要影响；相关文献在压力波动值和产生的最大垂向位移仿真计算存在差异可能是输入参数不同；文献[1]录得的60公里/h、 80公里/h、120公里/h车载实测数据验证了弓网压力波动性与速度的关联性。

注：这些结论部分地被本项目谐振监测装置测量验证。

2.4 值得关注的谐振原因

（1）谐振产生条件。刚性网谐振条件--刚性网悬挂产生的固有自振频率与弓网耦合动力持续相互作用；一定临界速度、压力条件下（比如满足10公里时速和60N压力）谐振频率不再与速度、弓网压力关联。（2）谐振判断条件。刚性网谐振判断条件—振动能够被传递和蔓延至较大区间。（3）谐振产生原因。谐振机理聚类于电网谐振、轨道谐振例子，即对象结构参数决定自振频率，宽频激励源滿足一定临界条件产生谐振；结构性刚度不平顺（悬挂区域内约为8～10倍变化）通过弓网耦合激励作用产生谐振，是论文作者结合现场检测并通过总结相关文献后在国内首次明确提出，现已在三条线路上运行验证。相对于刚性网几何不平顺能在静态测量，项目的意义是明显易见的。（4）谐振的危害性。如同铁路轨道、精密车床、电网、航空器等，避开固有自振频率成为安全设计和运行的首要考虑，现有大多数文献与工程实践，是假设刚性网没有弹性或弹性可以忽略不计同时工程上也缺乏对谐振测量手段，受电弓产品也未针对现场测量工况考虑谐振压力最优补偿等适配刚度系数，已严重障碍了刚性接触网的进一步推广应用。刚性网谐振需要被设计和研究、生产部门重新审视和测量计算，以建立新的设计规范、安装工艺与弓网产品减振标准。

3 测量理论与实验

3.1 技术来源

刚性网谐振检测技术来源于《一种接触网受电弓压力在线检测方法》发明专利申请号：201710504511.0。

3.2 技术原理

一种接触网受电弓压力在线检测方法，其基于接触网受电弓压力在线检测装置实施，该接触网受电弓压力在线检测装置设有定位标志和相机；通过将定位标志设置在位于受监测接触网的悬挂点所在的垂直于受监测接触网延伸方向的竖向平面之外的位置，并用相机采集基准照片和比对照片，基准照片示出了定位标志在受监测接触网未与列车的受电弓接触时的状态，比对照片示出了定位标志在列车运行至其受电弓与所述定位标志的中心点在水平方向上的距离在1m以内时的状态，利用比对中心像素点相对所述基准中心像素点的竖向位移量△H必然与接触网所受到的压力F存在一一对应的关系，计算出列车的受电弓在比对照片的拍摄时刻作用于受监测接触网上压力F。

3.3 谐振测量

检测点位于离悬挂点约为0.3m；面阵相机采样谐振波形如图1（监测点：松岗站出站端弓网压力检测点，监测时长：松岗-后亭站三分钟检测数据）。

图2中数据前段带有低频的位移微变型压力测量；数据中段列车运行速度最大时谐振幅值最大；尤其值得研究的是当接触网刚度不平顺与几何不平顺在最不利情况下的可能叠加严重情况（参考轨道不平顺的相关文献中关于轨道最不利振动的研究）；谐振波通过刚性网汇流排传回监测点；较低频（相当于谐振频率的几分之一）的位移分量则因衰减不会传回检测点；谐振波在刚性网传递衰减因子约-10db/公里。

计算方法说明：

谐振频率：在采样点580#～707#期间内，共计发生38次谐振波，计算刚性接触网谐振周期为208.8秒，频率4.8Hz。

谐振幅度：受电弓过弓是刚性接触网振动幅度最大为5.4，谐振时记录得到的最大幅度2.46，以静态压力120N为基础计算得出振动压力最大瞬时值变化为±55N。换算刚性网测点刚度系数约为300N/mm。

4 实验结论

4.1 谐振频率计算

刚性网谐振频率4.8Hz，与相关文献的跨距8m仿真结果吻合，并且速度在出站端大于10公里/h后维持谐振频率不变特性。

4.2 谐振幅度计算

刚性网谐振幅度随速度变化而变化且換算为弓网压力相对波动变化量值与文献[4]仿真试验结果大致吻合（本案例列车最大速度100公里/h、平均压力120N）：文献记录8m跨距与80公里/h--最大值111.325N、最小值70.115N、变化幅值41.210N、平均值90.873N、标准差9.540N、滑板最大位移4.41mm。

4.3 谐振传递

实测谐振波及范围约为2公里，远大于列车自身长度。大于2公里后即弓网的连续耦合积分作用已小于谐振波的衰减因子影响，监测点图像回复正常的稳态。

4.4 谐振测量方案改进结果

线阵相机采样；测点距离悬挂点分别约为2m、4m方案后的A、B工程案例（如图3、图4）。

两条不同线路的列车受电弓经过各自检测区时的刚性网谐振测量，由于悬挂点距离测点差异和速度差异造成了谐振微变形的差异，线阵相机设计分辨力均为0.1mm/pix，并计算出的测点刚度系数分别为55N/mm、30N/mm，折算谐振压力波动大致相同约为弓网压力的10%～20%。

试验表明：用线阵相机采样具有空间唯一性并存在稳定的像素当量；8m悬挂跨距决定了谐振频率4.8Hz；测点距离悬挂点位置与列车站间最大速度决定谐振微变形的空间动态范围；

高分辨高行频扫描受电弓图片表明了谐振工况下受电弓受冲击的实际工况。

A线路高行频0.1mm/pix扫描时谐振波对受电弓的冲击并由于相机与刚网汇流排夹角，线阵采样存在y向相对运动，显示出受电弓边缘模糊的图像，当调整焦距使相机分辨力大于0.2mm/pix后图像模糊边缘变为清晰。

5 结语

期待通过大量的实例测量掌握谐振波特性，可能用有源悬挂或其它悬挂方式对谐振波进行吸收、隔断、补偿来减小谐振波影响程度和波及范围，最大限度减少刚性网的机械冲击疲劳、损伤及对受电弓碳滑板的冲击并对悬挂结构与受电弓选型提供理论与实践依据。

参考文献

[1]孙睿.刚性接触网环境下的弓网性能试验[J].城市轨道交通研究，2011，14（4）：64-68.

[2]胡舜.架空刚性悬挂接触网新型零部件结构及其优势探讨[J].城市轨道交通研究，2014，17（7）：59-61.

[3]江洪泽.城市轨道交通刚性接触网弓网受流理论探析[J].都市快轨交通，2010，23（4）：54-58.

[4]关金发，吴积钦.城市轨道交通弓网系统现状分析与建议[J].铁道标准设计，2016，（1）：144-147.