一种受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车的制作方法

1.本实用新型涉及磨损监测技术领域，特别涉及一种受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.光纤传感技术以无源的光纤传感器为感知元件，因其独有的不带电监测、长距离传输、抗电磁干扰、本质安全以及系统容量大的优点，在易燃易爆场所监测预警、矿山安全生产、周界安防、军事国防等领域发挥了重大的作用。在某些特殊场因光纤传感技术的特殊性，发挥了巨大作用，且具有传统电子传感器无法比拟的特点。
4.目前常规受电弓碳刷板磨损监测有人工监测方式、激光监测方式、超声监测方式及图像分析监测四种监测方式。
5.本实用新型发明人发现，因受电弓部位有强电压和电流，高铁接触网电压2.5万v，弓网接触电流500a，且受电弓所处工作环境多样及环境温湿状况多变等特点，常规受电弓监测方式存在以下弊端：(1)人工监测方式存在效率低、耗时长、无法实现在线监测等弊端；(2)激光监测方式造价昂贵且受光照影响较大，无法实现在线监测等弊端；(3)超声监测方式对被监测物体表面光洁度具有严格要求，无法实现在线监测；(4)图像分析监测方式的监测效果受限于图像处理技术，存在较大监测误差且无法实现在线监测；(5)常规监测设备带电很难将设备引入机车内部，电子监测设备也易受电磁干扰使用效果差，因此现有的方式大多无法实现在线监测。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车，结合光纤光栅功能特性和线径小的特点，实现了受电弓碳滑板磨损定量监测和定位监测。
7.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
8.本实用新型第一方面提供了一种受电弓磨损在线诊断监测系统。
9.一种受电弓磨损在线诊断监测系统，受电弓磨损面上开有至少两条平行凹槽，每个凹槽内均设有光纤光栅，光纤光栅通过传输光缆与光纤光栅解调仪连接。
10.作为可能的一些实现方式，任意相邻平行凹槽之间的间距相同。
11.作为可能的一些实现方式，光纤光栅包括多个串接在光纤上的光栅。
12.作为进一步的限定，各个光栅的波长不同。
13.作为进一步的限定，任意相邻的两个光栅之间的间距相同。
14.作为可能的一些实现方式，所述光纤光栅通过粘接的方式耦合固定在凹槽内。
15.作为可能的一些实现方式，凹槽的开槽方向垂直于摩擦方向。
16.作为可能的一些实现方式，所述凹槽为与光纤光栅匹配的方形槽或者矩形凹槽或者倒梯形凹槽。
17.作为可能的一些实现方式，光纤光栅解调仪与可编程逻辑控制器(plc，programmable logic controller)通信连接。
18.作为可能的一些实现方式，传输光缆为光纤光栅。
19.作为进一步的限定，传输光缆包括多个串接在光纤上的光栅。
20.作为更进一步的限定，传输光缆的各个光栅的波长不同。
21.作为更进一步的限定，传输光缆的任意相邻的两个光栅之间的间距相同。
22.本实用新型第二方面提供了一种电力牵引机车，包括本实用新型第一方面所述的受电弓磨损在线诊断监测系统。
23.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
24.1、本实用新型所述的受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车，结合光纤光栅功能特性和线径较小的特点，实现了受电弓碳滑板磨损定量监测和定位监测。
25.2、本实用新型所述的受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车，通过返回光波波长及光波强度信息的变化实时在线监测，可精准的定量监测磨损程度，可精准的定位监测磨损位置，可判断是否为光纤自身断裂。
26.3、本实用新型所述的受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车，结合光纤光栅特性，可进行多参数、大容量的实时在线监测；且光纤光栅自身为传感元器件，可全程实现无源在线监测，能够应对高铁、地铁等高压环境下的实时监测工作，解决了电子传感器绝缘问题。
27.4、本实用新型所述的受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车，光纤光栅自身为传感元器件及传输线缆，光缆整体不导电，能够应对信号传输过程中因高强度电磁干扰所造成的信号损失。
28.5、本实用新型所述的受电弓磨损在线诊断监测系统及电力牵引机车，光纤光栅直接铺设于垂直于被监测物体摩擦力方向的侧面内，因光纤线径窄，安装耦合光纤光栅不破坏被监测物的自身结构，解决了因安装传感器破坏其原有组成等问题。
29.本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
30.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
31.图1为本实用新型实施例1提供的受电弓磨损在线诊断监测系统原理图。
32.图2为本实用新型实施例1提供的受电弓磨损在线诊断监测系统原理侧视图。
33.图3为本实用新型实施例1提供的受电弓磨损在线诊断监测系统的整体示意图。
34.图4为本实用新型实施例1提供的被磨损物不同磨损状态下示意图(a)。
35.图5为本实用新型实施例1提供的被磨损物不同磨损状态下示意图(b)。
36.图6为本实用新型实施例1提供的被磨损物不同磨损状态下示意图(c)。
37.图中，1、光栅；2、磨损面；3、被磨损物；4、凹槽；5、光纤；5
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1、光纤1；5
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2、光纤2；5
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3、光纤3；5
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4、光纤4；5
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5、光纤5；5
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6、光纤6；5
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7、光纤7；5
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8、光纤8；5
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9、光纤9；6、光纤光栅解调仪；7、plc；8、光栅1；9、光栅2；10、光栅3；11、磨损位；12、光栅4；13、光栅5；14、光栅6；15、光栅7；16、光栅8；17、光栅n；18、光栅n+1；19、磨损位；20、光栅n+2。
具体实施方式
38.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
39.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
41.在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。
42.本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。
43.在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.实施例1：
45.如图1和图2所示，本实用新型实施例1提供了一种受电弓磨损在线诊断监测系统，受电弓磨损面(2)上开有多条等间距的平行的凹槽(4)，每个凹槽内均设有光纤光栅，光纤光栅通过传输光缆与光纤光栅解调仪连接。
46.本实施例中，本实施例中包括9根光纤，分别为光纤1(5
‑
1)到光纤9(5
‑
9)，当然可以理解的，光纤的数量可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
47.光纤光栅包括多个串接在光纤(5)上的光栅(1)，各个光栅的波长不同，任意相邻的两个光栅之间的间距相同，且光纤光栅的直径为0.125mm。
48.所述光纤(5)为若干条，为光栅串联提供载体；所述凹槽(4)与光纤条数一致，给光纤光栅与被磨损物体耦合提供固定位；所述被磨损物体(3)为磨损面(2)和凹槽(4)的主体，为整个监测方法的实施提供载体。
49.本实施例中，所述光纤光栅通过粘接的方式耦合固定在凹槽内。
50.可以理解的，在其他一些实施方式中，所述光纤光栅也可以通过限位槽或者一体成型的方式或者其他任意的固定方式固定在凹槽内，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
51.本实施例中，凹槽的开槽方向垂直于摩擦方向，图2中的双向箭头线为摩擦方向。
52.本实施例中，所述凹槽为与光纤光栅匹配的方形槽。
53.可以理解的，在其他一些实施方式中，所述凹槽也可以是矩形凹槽或者倒梯形凹槽或者其他规则或者不规则凹槽，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
54.本实施例中，所述传输光缆为与前面所述的光纤光栅同一根的光纤光栅。
55.同样的，传输光缆包括多个串接在光纤上的光栅，传输光缆的各个光栅的波长不同，传输光缆的任意相邻的两个光栅之间的间距相同。
56.具体的工作原理为：
57.当一束宽带光束穿过所述光纤光栅，其光栅将过滤掉特定波长的光，返回过滤后的光波，当所述被磨擦物体磨损时，会依次将光纤1、光纤2、光纤3
……
磨损或磨断，通过监测其返回光波波长及强度信息变化，从而定量判断被磨擦物体磨损程度；通过标定光纤磨损量与返回光强之间的一一对应关系，通过返回光强信息更精准的判定被磨损物体的磨损量。光纤铺设密度越大，其磨损定量越精确。
58.若所述被磨擦物体磨损导致光纤1被磨损或磨断，其磨损位置可能出现在a或b或c或
……
某个位置，通过返回光波波长及强度信息的变化判断其磨损的具体位置。光栅串联越紧密，其磨损定位越精确。
59.所述光栅串联于整条光纤，若所述光纤光栅在传输路线上断裂或磨损，通过监测其返回光波波长及返回光波强度信息可判断其具体磨损位置及是否为因被磨损物体磨损所致，通过标定光纤受损状况与光纤光栅返回功率之间的关系，能够更精准确定其传输线路的磨损位置，从而实现光纤光栅自诊断的效果。
60.如图3所示，光纤光栅通过传输光缆直接与光纤光栅解调仪(6)连接，光纤光栅解调仪通过通讯线与plc(7)进行通讯。
61.具体的，根据如下实例进行光纤磨损或断裂的在线监测：
62.如图4所示，每条光栅光纤包括设置在磨损面上的光栅1(8)、光栅2(9)、光栅3(10)、光栅4(12)、光栅5(13)、光栅6(14)、光栅7(15)、光栅8(16)以及不设置在磨损面上的光栅n(17)、光栅n+1(18)、光栅n+2(20)所述磨损位(11)某位置出现了一段磨损，导致光纤1断裂或是光纤磨损，磨损位置位于光栅3与光栅4之间。
63.如果光纤光栅解调仪仅捕捉到光栅4及之后的光栅所反射回的波长，从而判断光纤1断裂，且磨损位在光栅3、光栅4之间；如果光纤光栅解调仪捕捉到的光栅3及之前的光栅所反射回的光波强度减弱，光栅4及之后的光栅所反射回的光波强度不变，从而判断光纤1磨损。
64.根据光纤光栅磨损与光波强度之间的关系判定光纤1磨损的程度，且磨损位在光栅3、光栅4之间。根据光纤光栅铺设间距或光纤光栅磨损与光波强度之间的关系即可精确判定磨损深度，根据光栅在光纤上的分布间距即可判定磨损范围。
65.如图5所示，所述磨损面2某位置出现了一段磨损，导致光纤1断裂、光纤2断裂或磨损，光纤1断裂位置位于光栅2与光栅5之间；光纤2断裂或磨损位置位于光栅3与光栅4之间。
66.如果光纤光栅解调仪将仅捕捉到光纤1中光栅5及以后的光栅所反射回的波长，捕捉到光纤2中光栅4及以后光栅所反射回的波长，从而判断光纤1断裂且断裂位于光栅2与光栅5之间，光纤2断裂且断裂位于光栅3与光栅4之间；如果光纤光栅解调仪将仅捕捉到光纤1
中光栅5及以后的光栅所反射回的波长，捕捉到光纤2中光栅3及之前的光栅所反射回的波长强度减弱，光栅4及之后的光栅所反射回的波长强度正常，从而判断光纤1断裂且断裂位于光栅2与光栅5之间，光纤2磨损且磨损位于光栅3与光栅4之间，根据光纤光栅磨损程度与光波损耗之间的关系更精准判定磨损程度。
67.根据光纤光栅铺设间距、光纤光栅磨损与光波损耗之间的关系即可精确判定磨损深度，根据光栅在光纤上的分布间距即可判定磨损范围。
68.如图6所示，光纤光栅断裂且位于被监测物外的传输线路上，光纤断裂位于光栅n+1与光栅n+2之间的磨损位(19)。此时光纤光栅解调仪将捕捉到光栅n+2及之后的光栅所反射回的波长，根据光纤光栅中光栅的分布情况判定断裂位置位于传输光缆中，具体位于光栅n+1与光栅n+2之间。实现了光纤光栅自诊断功能。
69.实施例2：
70.本实用新型实施例2提供了一种电力牵引机车，包括本实用新型实施例1所述的受电弓磨损在线诊断监测系统。
71.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。