受电弓、含光纤受电弓的监测设备及方法与流程

本发明属于电气化铁路机车技术领域，涉及一种受电弓、一种含光纤受电弓的监测设备、以及一种含光纤受电弓的监测方法。

背景技术：

受电弓为电力机车、动车受流系统，受电弓碳滑板作为机车从输电网获取电能的导流部件，滑板的性能好坏直接影响机车、动车能否获得足够牵引动能以保证安全可靠运行。现有受电弓滑板磨耗监测方法为将气路设置在滑板近三分之一高度处，受电弓正常运行时，内置气道充满机车及受电弓系统提供的压缩空气，当受电弓磨耗到限致使气管破损时，压缩空气从滑板漏出，受电弓升弓装置压力下降，相连快速降弓阀动作使受电弓降下。因快速降弓阀动作压力范围限制，快速降弓阀对滑板碳条细小的裂缝引起的少量漏气及滑板表面缺陷无反应，只有在工作人员对受电弓进行目检时才有可能被发现。

在此情况下，有必要提供一种新的受电弓滑板磨耗监测方法及受电弓，其能够克服现有技术的以上缺点。

技术实现要素：

根据本发明的一种受电弓滑板磨耗监测方法及受电弓利用光纤具有高绝缘性能、抗电磁干扰性、灵敏度高、耐环境腐蚀、传输距离长、结构灵巧等特点，通过信号处理转化装置将光纤通断信号转化成电信号传递给微机柜中央处理单元，并在司机室操纵台显示终端显示滑板磨耗状态，能实时对电力机车、动车等受电弓状态进行实时监测，减少弓网故障。

根据本发明的一种受电弓，包括：底架，用于承载受电弓的其它构件；光纤管路组件，连接到底架；升弓连杆机构，位于底架上；弓头，位于升弓连杆机构的末端处，能够围绕升弓连杆机构的末端旋转，升弓连杆机构能相对于底架升起和降下弓头；受电弓滑板，位于弓头的至少一侧，用于接触电网从而接收电能；其特征在于，一光纤依次通过光纤管路组件、底架、升弓连杆机构、弓头、和受电弓滑板，以便通过光纤的信号变化来传递受电弓滑板的故障信息。

优选地，升弓连杆机构包括：升弓装置，位于底架上，产生升弓力矩和降弓力矩；下臂，下臂的一端枢转连接到升弓装置；下导杆，下导杆的一端枢转连接到底架；上臂，上臂的一端枢转连接到下臂的另一端和下导杆的另一端，上臂的另一端枢转连接到弓头；上导杆，上导杆的一端枢转连接到下臂，上导杆的另一端枢转连接到弓头，其中，下臂、下导杆、上臂、和上导杆形成铰接结构，能够在升弓装置产生的升弓力矩和降弓力矩的作用下，使弓头上升或下降。

优选地，受电弓滑板包括：滑板托架；含光纤碳滑条，设置在滑板托架上且沿着滑板托架的长度方向延伸；弓角，位于滑板托架的两端且向下弯曲；气路管接头，位于滑板托架下方，用于接通含光纤碳滑条中的气路；光纤接头，位于滑板托架下方，用于接通含光纤碳滑条中的光纤；其中，含光纤碳滑条中具有第一光纤和第二光纤，其中第一光纤设置在受电弓滑板的2/3高度处，第二光纤设置在气路以上3～5mm的高度处，第一光纤和第二光纤在水平面内铺设一圈，光纤在长度及宽度方向上距离滑板的外表面5～10mm。

优选地，光纤接头是防水多芯光纤接头，设置在滑板托架的气路管接头附近，并且具有ip67的防水等级。

根据本发明的一种受电弓的监测设备，包括：根据本发明的受电弓；支撑绝缘子，用于绝缘地支撑受电弓；过线密封件，用于安装和保护光纤；升弓阀板，气动控制单元和电气控制单元均集成安装在升弓阀板上，用以控制受电弓的升降；光发射机，将直流电信号转化成光信号并耦合进光纤；光纤收发器，输入光信号，输出快速以太网数据，通过布线系统可以将数据传输到微机柜中央处理单元；阀板安装座，升弓阀板安装到阀板安装座的正面，光发射机和光纤收发器集成安装到阀板安装座的背面，并在四周预留出管路、线路、光纤接头操作空间，通过防寒自控温电加热护套将受电弓阀板管路各阀件及光发射机、光纤收发器进行防护。

根据本发明的一种受电弓的监测方法，包括：根据本发明的受电弓或受电弓的监测系统，通过信号处理转化装置将光纤通断信号转化成电信号传递给微机柜中央处理单元，并显示滑板磨耗状态，从而对受电弓的状态进行实时监测。

附图说明

以下通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，以便于本领域技术人员结合附图理解本发明的实施例，在附图中：

图1为根据本发明的受电弓滑板磨耗监测方法原理框图；

图2为根据本发明的受电弓滑板磨耗监测方法系统构成图；

图2a为图2的从a方向观察的视图；

图2b为图2的从b方向观察的视图；

图3为根据本发明的受电弓结构图；

图4为根据本发明的受电弓滑板结构图。

附图标记：

1受电弓

101支撑绝缘子

102底架

103阻尼器

104升弓装置

105下臂

106下导杆

107上臂

108上导杆

109弓头

110受电弓滑板

1101含光纤碳滑条

1102弓角

1103滑板托架

1104气路管接头

1105防水多芯光纤接头

111空气管路组件

112光纤管路组件

2过线密封件

3升弓阀板

4阀板安装座

5光发射机

6光纤收发器

具体实施方式

虽然本文参考特定实施例来说明和描述本发明，但本发明并不应被局限于所示细节。确切地说，在权利要求的等价方案的范围内且没有背离本发明的情况下，可以对这些细节做出多种修改。

本文中涉及的“前”、“后”、“上”、“下”等方向描述仅是为了方便理解，本发明并非局限于这些方向，而是可以根据实际情况调整。

以下参照附图详细描述本发明的具体实施例。

图1为根据本发明的受电弓滑板磨耗监测方法原理框图。如图1所示，机车直流电源向光发射机和光纤收发器提供电力。光发射机发出光信号，通过安装在受电弓及滑板的光纤将光信号传输给光纤收发器，光纤收发器再将光信号转换成以太网数据传递到微机柜中央处理单元，最后将受电弓滑板磨耗信息显示在操纵台显示终端上。

图2示出根据本发明的受电弓滑板磨耗监测方法的设备构成图。如图2所示，监测设备包括：受电弓1；支撑绝缘子101，用于绝缘地支撑受电弓1；过线密封件2，用于安装和保护光纤；升弓阀板3，气动控制单元和电气控制单元均集成安装在升弓阀板3上，用以控制受电弓1的升降；光发射机5，将直流电信号转化成光信号并耦合进光纤；光纤收发器6，输入光信号，输出快速以太网数据，通过布线系统可以将数据传输到微机柜中央处理单元；阀板安装座4，升弓阀板3安装到阀板安装座4的正面，光发射机5和光纤收发器6集成安装到阀板安装座4的背面，并在四周预留出管路、线路、光纤接头操作空间，通过防寒自控温电加热护套将受电弓阀板管路各阀件及光发射机5、光纤收发器6进行防护。

受电弓1是含光纤的受电弓，其通过支撑绝缘子101安装在顶盖7上平面的绝缘子安装座上，光缆管通过过线密封件2到达顶盖7下方的机械间，与光发射机5和光纤收发器6连接，升弓阀板3、发射机5和光纤收发器106安装在顶盖下平面的阀板安装座104上。

关于光发射机5，其驱动电路为dc12～48v输入，将机车供给的直流电信号转化成光信号并耦合进光纤。

关于光纤收发器6(光电转换器)，是一种类似于基带modem(数字调制解调器)的设备，光纤收发器驱动电压为dc12～48v，输入光信号，输出为快速以太网数据。通过布线系统可以将数据传输到微机柜中央处理单元。

关于阀板安装座4：升弓阀板安装到阀板安装座正面，光发射机和光纤收发器集成安装到升弓阀板安装座背面，四周预留出管路、线路、光纤接头操作空间。因受电弓阀板管路各阀件及光发射机、光纤收发器正常工作温度范围限制，用防寒自控温电加热护套将受电弓阀板管路各阀件及光发射机、光纤收发器进行防护，加热护套在-30℃的条件下，5分种内可加热到0℃以上，保证各部件正常工作。

图3示出根据本发明的受电弓1的结构图。如图3所示，受电弓1包括：底架102，用于承载受电弓1的其它构件；光纤管路组件112，连接到底架102；升弓连杆机构100，位于底架102上；弓头109，位于升弓连杆机构100的末端处，能够围绕升弓连杆机构100的末端旋转，升弓连杆机构100能相对于底架102升起和降下弓头109；受电弓滑板110，位于弓头109的至少一侧，用于接触电网从而接收电能。光纤依次通过光纤管路组件112、底架102、升弓连杆机构100、弓头109、和受电弓滑板110，以便通过光纤的信号变化来传递受电弓滑板110的故障信息。

升弓连杆机构100包括：升弓装置104，位于底架102上，产生升弓力矩和降弓力矩；下臂105，下臂105的一端枢转连接到升弓装置104；下导杆106，下导杆106的一端枢转连接到底架102；上臂107，上臂107的一端枢转连接到下臂105的另一端和下导杆106的另一端，上臂107的另一端枢转连接到弓头109；上导杆108，上导杆108的一端枢转连接到下臂，上导杆108的另一端枢转连接到弓头109。下臂105、下导杆106、上臂107、和上导杆108形成铰接结构，能够在升弓装置104产生的升弓力矩和降弓力矩的作用下，使弓头109上升或下降。

受电弓升弓时，压缩空气通过车内各阀及空气管路组件111进入受电弓升弓装置104的气囊，气囊推动相连的不锈钢结构，通过钢丝绳作用于铰接机构下臂105的线导板，使下臂105转动，铰接机构下导杆106、上导杆108带动上臂107转动而使受电弓弓头109升起，滑板110与网线接触。降弓时，排出升弓装置104气囊内的压缩空气，铰接机构的上臂107、下臂105、下导杆106和上导杆108相对运动使受电弓弓头109落下。为防止受电弓升降过程中各部分与底架102相对运动造成光纤折损，将光纤放置在同气路用管一样的软管内，按照气路的走向及固定方式将光纤沿上臂107、下臂105输送到底架102。再通过安装在顶盖的防水过线密封装置将含光纤的软管送到车内的信号发生及接收装置附近。

关于升弓阀板，受电弓1的升弓控制和降弓控制包括气动控制和电气控制，气动控制单元和电气控制单元均集成安装在受电弓的升弓阀板3上。虽然本发明示出了气动控制单元和电气控制单元，但应该理解，可以采用本领域已知的其它控制技术来控制升弓和降弓。

图4示出根据本发明的受电弓滑板结构图。如图4所示，受电弓滑板110包括：滑板托架1103；含光纤碳滑条1101，设置在滑板托架1103上且沿着滑板托架1103的长度方向延伸；弓角1102，位于滑板托架1103的两端且向下弯曲；气路管接头1104，位于滑板托架1103下方，用于接通含光纤碳滑条1101中的气路；光纤接头1105，位于滑板托架1103下方，用于接通含光纤碳滑条1101中的光纤；其中，含光纤碳滑条1101中具有第一光纤和第二光纤，其中第一光纤设置在受电弓滑板110的2/3高度处，第二光纤设置在气路以上3～5mm的高度处，第一光纤和第二光纤在水平面内铺设一圈，光纤在长度及宽度方向上距离滑板的外表面5～10mm。为简化结构且方便操作，将光纤接头1105设置在滑板托架1103的气路管接头1104附近，光纤接头1105防水等级为ip67。

以下描述本发明的作用原理。

首先描述信号的产生过程。电力机车、动车、城轨车辆均具有各种形式的电力供应，其可以提供电信号。在本发明中，将电信号转化成光信号，并且，考虑到仅需要传输光纤的通断信号，所以选用输入为直流电的直接调制方法的光发射机，直接将电调制信号控制半导体光源发光并将光耦合进光纤中进行传输。

接下来描述信号传输过程。受电弓1及受电弓滑板110作为从输电网获取电能的导流部件，受电弓1在工作状态时整体为高压导体，其与输电网间存在高频电磁场，且受电弓滑板110与输电网的接触部位局部温升迅速。光纤具有高绝缘性能、抗电磁干扰性、灵敏度高、耐环境腐蚀、传输距离长、结构灵巧等特点，用光纤传输信号不受受电弓1及受电弓滑板110的高电压及高温升影响，且光纤结构和设置方式比较灵活，不会对受电弓滑板110的结构性能及通电性能造成影响。

由于多根光纤被预埋在受电弓滑板110内部，可以将受电弓滑板110分为多个区域。这样，当受电弓滑板110磨耗到限、有裂纹或掉块时，光纤受损折断造成通光性能变化。通过光信号的变化可以判断受电弓滑板110的故障区域。

接下来描述信号的接收与处理过程。光纤收发器6(光电转换器)是一种类似于基带modem(数字调制解调器)的设备，其可以将输入光信号转换为快速以太网数据输出，通过布线系统可以将数据传输到微机柜中央处理单元，中央处理器通过对每根光纤的通断信号进行编程处理后，将受电弓滑板磨耗信息以图形或文字方式输出。

本发明的受电弓滑板磨耗监测方法及受电弓具有以下特点和优点是。

抗电磁干扰性强

电力机车、动车行驶时的电磁辐射主要由受电弓与导线连接引起，受电弓与导线之间存在接触电阻，行驶中的受电弓和电网更加不可能严密的接触。这个接触面的等效电路模型就不能是单纯的电阻模型，而是由一个电阻、电容和电感共同构成的模型。同时，行驶过程中，受电弓和导线接触面的紧密程度不断变化，它们之间的等效电路模型参数亦在不断变化，使流过机车的电流产生高频谐波电流，对外发生高频电磁谐波。本发明型一种受电弓滑板磨耗监测方法中用光纤传输信号不受电磁场任何影响，且信号衰减速度慢，用光纤传输信号稳定安全。

灵敏度高、实时监控

现有受电弓滑板磨耗到限装置(即，快速降弓装置)，受气管强度及布置位置限制，只有在受电弓磨耗到最低限时，气管漏气才会使快速降弓阀动作使受电弓降下。受快速降弓阀动作压力范围限制，滑板碳条细小的裂缝引起的少量漏气及滑板表面缺陷不会被检测到，只有在工作人员对受电弓进行目检时才有可能被发现。本发明型一种受电弓滑板磨耗监测方法中用两根光纤将受电弓滑板在高度方向和宽度方向分为多个区域，滑板磨耗到限、有裂纹或掉块时，均会造成光纤受损，输光性能失去，中央处理单元将信号处理并传递到司机室操纵台显示终端，电力机车、动车操作人员能及时获知受电弓滑板故障状态。

性能稳定、耐候性强

在受电弓碳滑板成型前，将光纤预置在受电弓碳滑板模具内部，光纤的添加不影响碳滑板机械强度及导电性能；光纤传输时将光纤放置在软管中，接头处采用防水插头并用热缩套管防护，走向及固定方式与受电弓气路管路相同，光纤穿过顶盖平面进入机械间时通过防水过线密封件，光纤不会因受电弓动作折断，且抗紫外线及耐环境腐蚀性能强；用防寒自控温电加热护套防护将升弓阀板、光发射机及光纤收发器防护，在-30℃的条件下，5分种内可加热到0℃以上，保证在极端寒冷条件下仍能正常工作。

结构灵巧、成本低

光发射机及光纤收发器与受电弓升弓阀板均安装在阀板安装座上，结构紧凑；光发射机及光纤收发器驱动电压均为dc12～48v，光纤收发器将光的通断信号转化成以太网信号传输给微机柜中央处理单元，系统电路简单；系统输出为以太网数据，符合普通以太网通讯协议，不用加入其它的信号处理设备，微机柜中央处理可将受电弓滑板故障信息在司机室操纵台显示终端显示，成本低、结构灵巧、易于操作。

虽然本文已示出并描述了优选实施例，但是应理解这些实施例仅作为示例给出。本领域技术人员将会想到许多变型、改变和替换，而不背离本发明的精神。因此，随附权利要求旨在覆盖落在本发明的精神和范围内的所有这样的变型。