弓网接触力杆式压力传感器及其测量弓网接触力的方法与流程

本发明涉及轨道交通的检测技术领域，具体涉及弓网接触力杆式压力传感器及其测量弓网接触力的方法。

背景技术：

受电弓是电力机车及动车组的重要取流装置，随着电气化铁路的发展，弓网耦合之间的矛盾和问题越来越突出，因此对受电弓工作状态的检测变得尤其重要。弓网接触力是判断受电弓受流状态的重要因素之一，能够准确测量出弓网之间的接触力具有重要的意义。

目前，国内外普遍采用的接触力测量方法是在受电弓弓头结构中串入测力传感器，并设计制作对应的工装组件进行固定。这种方法具有以下缺陷：(1)在弓头上安装测力传感器及其工装，破坏了弓头原有的结构；(2)为了留出安装传感器的空间，在有的情况下会将滑板加高，改变了滑板和托架之间的相对高度，这导致测量状态下与正常运行状态下高度有所不同，测量结果不够准确；(3)传感器和传感器工装较大程度增加了弓头重量；(4)有些情况下，为了安装测力传感器并使其受力，会不可恢复的破坏了原有的部件。对受电弓原有结构进行破坏或修改，致使受电弓动态性能发生变化，测得的接触力并非原弓的接触力。因此，欧标en50317中对受电弓接触力进行了规定，需要一系列试验如振动试验、风洞试验等证明串入测力传感器并不会对原有受电弓造成过大的改变。

近一些年，国外有很多学者为克服对原受电弓的破坏和改变，进行了诸多尝试：欧洲学者对受电弓滑板进行分析，将应变片贴于滑板下方，通过测量滑板应变来获得受电弓的接触力，这种方法的精度还待提高；日本学者利用高速相机测量受电弓滑板和框架各点的运动轨迹，推导得到接触力，这种方式的测量精度满足欧洲标准en50317的要求，达到了90％，这种方法在一定程度上减小对原受电弓的影响，但在测量精度或成本上并不能得到满意的效果。

技术实现要素：

本发明的目的之一是为了提供一种弓网接触力杆式压力传感器，该杆式压力传感器安装于可替换受电弓中原有的弓头转轴，将承载与测力两大功能合二为一，在最大程度的减少对受电弓外形和结构的破坏的同时，达到准确测量弓网接触力的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

弓网接触力杆式压力传感器，所述弓网包括受电弓与接触网，而受电弓包括弓头，设置在弓头两端的弓头悬架，以及设置在弓头悬架下方的框架；所述框架包括上框架，设置在上框架下方两端的下框架，以及插入上框架中且两端分别与弓头悬架相连的弓头转轴；所述杆式压力传感器的主体是作为弹性体并用于替换受电弓中弓头转轴的实心细杆，所述实心细杆两端各设有一段相互对称的应变区，每段应变区均位于实心细杆与弓头悬架和上框架的受力点之间、且每段应变区内均设有应变片；所述实心细杆一端端面上还设有与两片应变片均相连的电压信号数据线；所述实心细杆两端各设有一个与弓头悬架连接用的连接装置；所述实心细杆两端还套接有与连接装置匹配、用于约束实心细杆水平移动并保护应变区的套筒。

进一步的，所述两个连接装置对称设置在实心细杆两端，每个连接装置均包括两个贯穿实心细杆上下面且间距在20～30mm的连接孔，以及设置在连接孔中的连接件。

优选的，所述连接件为螺栓。

进一步的，所述实心细杆外径与弓头转轴外径一致、实心细杆长度长于弓头转轴长度。

更进一步的，所述实心细杆中部套接有热缩管，实心细杆上、套接有热缩管的部位铣细了1～3mm，所述热缩管的外径不大于弓头转轴外径。

本发明还提供了一种使用杆式压力传感器测量弓网接触力的方法，包括以下两种情况：

步骤一、静态条件下测量接触力：将本实施例的杆式压力传感器替换弓头转轴1并安装完毕后，其测得的杆式压力传感器示数即为静态条件下的弓网接触力；

步骤二、动态条件下测量接触力：在弓网中，将杆式压力传感器替换弓头转轴并安装完毕后，并在弓头和杆式传感器端头各设置一个加速度传感器，并且称量弓头质量m1，弓头悬架至杆式压力传感器部分的质量m'，杆式压力传感器的质量m0，当弓网运行时，读取同一时间杆式压力传感器的示数和加速度传感器的示数，即可计算得到该时间的弓网接触力fc：

其中，m1、m'、m0的单位是kg，fc的单位是n，加速度的单位是m/s²；为弓头部分的惯性力，为悬架至传感器应变区部分的惯性力，k0(x'-x2)为杆式压力传感器的测量值。

具体的说，所述弓头包括滑板和托架，所述滑板上固定有一个加速度传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的弓网接触力杆式压力传感器能够克服现有技术中的缺陷，能够在准确测量接触力的同时，对弓头破坏小，质量增加少，并且不会对受电弓造成永久性破坏。

(2)本发明的杆式压力传感器可以将弓头转轴替换掉，弓头转轴随着弓头的转动而转动，悬架安装孔平面始终平行于受电弓与接触网接触的平面，因此在弓头转轴处测的力始终是接触点的垂向分量，符合标准的要求。

(3)本发明测量弓网接触力的方法是首次提出将杆式压力传感器安装于上框架与弓头连接处，原理简单，操作简便，实际测量过程简单，受其他不利因素干扰较少。

(4)本发明替换弓头转轴，并不影响受电弓的外观，因此对受电弓的空气动力无影响，可不用进行风洞实验。

(5)本发明的弓网接触力杆式压力传感器通用性强，其替换下的转轴为大多数受电弓均具有的零件之一，该方法可以应用到所有有转轴的受电弓上，就算尺寸有所不同，在原方案上稍作修改后重新制作传感器即可，避免了之前的针对每一型号的受电弓设计不同方案的情况，省时省力，可以满足未来传感器通用性的要求。

附图说明

图1为弓网结构简图。

图2为弓头转轴受力分析图。

图3为本发明杆式压力传感器结构示意图。

图4为本发明杆式压力传感器分割后的简化模型示意图。

图5为弓头转轴及本发明杆式压力传感器外形比较图。

图6为动态条件下只补偿弓头部分惯性力时测量结果的变化。

图7为动态条件补偿了弓头部分和部分框架的惯性力时测量结果的变化。

图8为标准压力传感器和杆式压力传感器的安装结构图。

图9为静态试验时标准压力传感器和杆式压力传感器测量值变化对比图。

图10为动态试验时标准压力传感器与杆式压力传感器测量值变化对比图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-弓头转轴，2-上框架，3-实心细杆，4-应变区，5-电压信号数据线，6-连接孔，7-连接件，8-套筒，9-热缩管，10-滑板，11-托架。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

本实施例首先提供了一种弓网接触力杆式压力传感器，该杆式压力传感器用于检测弓网接触力，如图1所示，根据现有技术可知，所述弓网包括受电弓与接触网，而受电弓包括弓头，设置在弓头两端的弓头悬架，以及设置在弓头悬架下方的框架；所述框架包括上框架2，设置在上框架下方两端的下框架，以及插入上框架中且两端分别与弓头悬架相连的弓头转轴1；具体的说，所述上框架2上部设有与弓头转轴1相匹配的空心通腔，所述弓头转轴1水平插入上框架2的空心通腔中，而空心通腔两端则通过铜质轴承将弓头转轴1约束住，仅限其左右移动和转动，弓头转轴1两侧安装有套筒8，起到约束弓头转轴1左右移动和方便连接件7安装的作用。卸下套筒8后即可将弓头转轴1抽出。弓头与弓头转轴1之间可以等效为弹簧。

如图2所示，以弓头转轴1为例对其进行受力分析，可知，图中的(f3+f4)为来自弓头悬架的力，包括弓头和弓头悬架自重、及弓网接触力，该两个力分别施加在弓头转轴1的两端，且方向向下，通过连接件7传递，一般来说，该连接件7为螺栓且共有四个，弓头转轴1两端各有两个，该四个螺栓受剪力作用。上框架2上部的空心通腔两端的轴承给了弓头转轴1以向上的支持力(f1+f2)。这四个力组成了弓头弓头转轴1的力的平衡系统，作为整台受电弓中将弓头与上框架2连接在一起的承上启下的环节，作用不容忽视。

而本实施例提供的测量弓网接触力的杆式压力传感器则是受这一思路启发而设置的，该杆式压力传感器可替换受电弓中的弓头转轴1，使其在基本不改动受电弓原有外形尺寸和较小地增加受电弓重量的前提下，测量出弓网接触力。

如图3所示，该杆式压力传感器主体为一圆柱体形的实心细杆3，其直径与弓头转轴1外径一致，长度较之稍有增加，安装完成后，本传感器除了具有弓头转轴1原有的连接弓头与上框架2、以及承担来自弓头的力的功能，还兼具了测量压力大小的功能，将支持作用与测量作用合二为一。

如图5所示，以弓头转轴1为参考来详细介绍本实施例的杆式压力传感器，弓头转轴1长度为1062mm，包裹在上框架2内部的长度为898mm，两侧露出的长度均为82mm，在弓头转轴1露出的两端分别开设有两个孔，孔中均设有m8的螺栓作为连接弓头转轴1与弓头的连接件7，且弓头转轴1上相同端的两个孔孔距为25mm，外侧的孔与弓头转轴1端面距离均为46.5mm。而本实施例的杆式压力传感器的尺寸与弓头转轴1的大致相同，只是杆式压力传感器中留有应变区4，因此长于弓头转轴1。具体来说，杆式压力传感器的主题为总长度为1134mm的实心细杆3，实心细杆两端各设有一段长度为40mm且相互对称的应变区4，每段应变区均位于实心细杆3分别与弓头和上框架2的受力点之间、且每段应变区内各设有一片应变片，所述实心细杆3一端端面上还设有与两片应变片均相连的电压信号数据线5；所述实心细杆3外径与弓头转轴1外径一致；所述实心细杆3两端各设有两个孔距为25mm的连接孔6，外侧的孔与实心细杆3端面距离均为47mm，且每个连接孔6中均设有用于与弓头连接用的螺栓作为连接件7；所述实心细杆3两端还套接与连接件7匹配的套筒8，该套筒8长118mm，起到约束传感器横向移动、保护应变区和方便安装连接件7的作用。所述两个应变区4之间的实心细杆3中部还进行了铣细处理，铣细了2mm，并在铣细部位套接了外径不大于弓头转轴1外径的热缩管9，该设置一方面是为了使其在保证强度的前提下，减轻重量，另一方面则是为了便于电压信号数据线5走线。

参考弓头转轴1为本实施例的杆式压力传感器进行受力分析，得到如图4所示的简化模型。根据力的平衡式可以得到其动态方程：

其中，fc为弓网接触力，单位为n；m1为弓头质量，单位为kg；m'为弓头悬架至传感器应变区部分的质量，单位为kg；k1是悬架刚度，单位为n/m；k0是传感器弹性系数，单位为n/m；k2是受电弓框架刚度，单位为n/m；x1是头位移弓，单位为m；x'是杆式压力传感器位移，单位为m；x2是受电弓框架位移，单位为m；c0、c1、c2为阻尼系数。

杆式压力传感器的示数为k0(x'-x2)，忽略系统阻尼，可以得到

由此式可知，需要补偿x1和的惯性力，杆式压力传感器的测量值即为弓网接触力。

由此可见需要补偿x1的惯性力，与的惯性力。将100n的标准正弦力代入公式(1.1-1.3)计算，可以得到x1、x2、x'的运动情况。

当只补偿弓头部分的惯性力时，即测量结果为时，结果如图6所示。由该图可以看出，在5hz左右时，系统会出现很大的误差，而在的质量越大时，测量的力越远离标准力100n。

如图7所示，为依照公式(1.4)补偿了弓头部分和部分框架的惯性力的结果。可以看到，实际测量的数值接近于标准力。但当质量越小时，其测量的值反而越远离所给的100n。

当替换弓头转轴时，可以使部分的质量很小。按照之前的计算结果，当只补偿弓头惯性力，其准确度也是较为理想的。在实际实验中，分别进行了(1)只补偿弓头惯性力(2)两部分都进行补偿。实验结果，(1)的情况满足标准的要求，准确率达到92％，而(2)的情况可以将准确度提高大约2％，达到94％。

因此，优选的，固定两个加速传感器分别安装在滑板和所制作的传感器端头处，可以的得到更优的测量结果。

上述为理论依据，为了测量弓网接触力，本实施例还提供了使用该杆式压力传感器测量弓网接触力的方法，包括静态测量方法和动态测量方法，其中，标准压力传感器和杆式压力传感器的安装结构如图8所示，标准压力传感器和杆式压力传感器均与pc机相连，且标准压力传感器位于杆式压力传感器上方。以下为应用本实施例杆式压力传感器进行静态测量实验和动态测量实验步骤。

具体来说，所述静态测量实验的操作如下：

在弓网中的弓头上方设置了一个经过校对和检验的标准测力传感器，然后将本实施例的杆式压力传感器替换弓头转轴1并安装完毕后，采用杆式压力传感器与标准压力传感器相对照的方法，通过调节弓头风压来调节弓网接触力大小；得到如图9所示的杆式压力传感器示数与标准压力传感器示数之间的线性关系。由图9可以看出，本实施例的杆式压力传感器具有很好的线性度，并与标准的传感器结果较好的吻合，可以判断本发明的杆式压力传感器可以测量受电弓静态时的弓网接触力。利用matlab对杆式压力传感器的数据进行线性拟合，可以得到本实例中的杆式压力传感器系数

fm＝1147171x+309.15(1.5)

其中，fm为杆式压力传感器读数，单位为n；x为传感器输出灵敏度，单位为v/v。

由此可知，在检测弓网静态接触力时，本实施例杆式压力传感器的测量值即为弓网接触力(标准压力传感器的测量值可等效为接触力)。

具体来说，根据式(1.4)，所述动态测量方法需要同时测得传感器输出的示数和弓头以及传感器端头的加速度，才能得到精确的弓网接触力测量值，因此，本方法的动态测量实验操作具体如下：

所述标准压力传感器和本实施例杆式压力传感器的安装位置不变，再在弓头滑板和杆式压力传感器端头各设置一个加速度传感器。然后通过激振器对滑板施加1～20hz的振动，同时读取标准压力传感器、本实施例杆式压力传感器以及弓头滑板上和本发明测力传感器端头部的加速度传感器的示数。由于试验数据量巨大，只取其中一组为例(接触力为51n，频率为8hz)进行分析，分别将标准压力传感器读数随时间的变化、带弓头补偿的杆式压力传感器读数随时间的变化以及带全部补偿的杆式压力传感器读数随时间的变化进行对比，得到如图10所示的对比图，由该图可以看出，上述三者的吻合度较高，尤其是带全部补偿的杆式压力传感器读数随时间的变化与标准压力传感器读数随时间的变化吻合度极高。

并且，根据en50317中对弓网接触力测量的准确度公式，

可以得到带弓头补偿的本实施例杆式压力传感器的准确度为92.7％；带全部补偿的本实施例杆式压力传感器的准确度为94.1％。由此可知，本实施例方法利用杆式压力传感器测量接触力的方法精确度高，符合标准的要求。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。