一种多通道高铁接触网吊弦疲劳试验装置的制作方法

本发明属于高铁接触网技术领域，涉及一种接触网吊弦疲劳试验方法和装置。

背景技术：

接触网，作为直接向电力机车供电的线路，高铁运行时，机车顶部的受电弓与接触线进行接触，从而获得持续稳定运行的动力。接触网是高速电气化铁路的关键组成部分，直接影响电气化铁路的安全稳定运营。

接触网一般包含如接触线、承力索、吊弦、弹性吊索、腕臂、支柱等构件。其中，吊弦作为接触线、承力索间的连接件，承担了二者间振动和力的传递作用，是接触网的关键零部件之一。在现场运营过程中，吊弦一旦断裂，局部的接触网会由于失去支撑而塌陷，轻者会影响弓网动态受流质量，急速缩短接触网使用寿命，严重时会扯坏接触网或打坏受电弓，从而导致列车故障，对列车的安全运行和乘客的生命安全造成十分恶劣的影响。

随着高速铁路线路上动车组弓架次的累计次数的增加，吊弦的缺陷数量逐年上升。由于吊弦的总数较大，且在实际运行检修工程中，凭借常规的检修力量已不足以完全消除该安全隐患及缺陷，且检修的工作量极大。一些断股的缺陷不易排查和消除，可能会存在安全隐患，这种隐患极易造成动车受电弓受损，引发弓网事故，危及动车安全运行。因此，对吊弦进行不同工况下的疲劳试验，预测其寿命，制定相关标准，是十分有必要的。

国家针对吊弦制定了相应的检测标准，具体要求如下：

(1)压缩周期为半个正弦波，吊弦内部力为恒力；

(2)吊弦应与其特定的线夹进行试验；

(3)应按正常使用的最低要求进行试验；

(4)应指定压缩幅度在20mm——200mm之间，吊弦内部力为100n-400n；

(5)频率应为0.5hz-10hz，最小应进行2000000次试验。

针对吊弦疲劳试验标准，目前设计了一些疲劳试验装置，但现有吊弦疲劳试验方案主要存在如下不足：(1)实用新型专利一种接触网吊弦疲劳试验装置(cn201721426702.1)、发明专利一种接触网吊弦疲劳试验方法和装置(cn201711043723.x)、实用新型专利吊弦疲劳试验机(cn201720777240.1)、发明专利吊弦疲劳试验机(cn201710511861.x)和发明专利整体吊弦振动疲劳试验机(cn201810139844.2)均使用一定重量的砝码/重物对吊弦施加力，通过重力使砝码带动吊弦往下做自由落体运动。这种方法存在两个弊端，其一是实际操作过程中，当进行高频试验时,重物/砝码向下运动的最大加速度仅为重力加速度，而砝码托盘运动加速度将远大于重力加速度，专利cn201720777240.1和cn201710511861.x砝码/重物会和托盘分离，试验无法完成；其二是该方案中吊弦的疲劳破坏其实是由砝码的冲击力而非重力造成的，专利cn201721426702.1、cn201711043723.x和cn201810139844.2中使用重物自由落体进行力的加载，试验机实际工作时，重物一次自由落体将导致吊弦多次抖动，并不能模拟实际情况中接触线对吊弦的作用，无法对吊弦寿命进行准确检测；(2)专利cn201721426702.1、cn201711043723.x、cn201720777240.1和cn201710511861.x使用弹簧弹簧进行缓冲，对于百万甚至千万次的疲劳试验来说，弹簧的寿命往往达不到要求，且弹簧会对吊弦加载力产生影响，且随弹簧损耗该力也将不断发生改变，力和位移的加载均会存在误差，和实际情况中承力索与吊弦的连接出入较大；(3)专利cn201721426702.1、cn201711043723.x和cn201810139844.2使用偏心轮或旋转抬升件进行吊弦位移加载，只有几个固定的压缩量可供使用，当需要其他压缩量时，需重新设计和加工偏心轮或旋转抬升件，使用非常不便。(4)之前的5项专利使用国标中的半周期正弦曲线对吊弦进行位移加载，实际运动时，吊弦在位移加载的起始与结束时刻运动速度、加速度均不为零，位移加载存在误差且难以实现；(4)专利cn201720777240.1和cn201710511861.x为单一通道，每次仅能对一根吊弦进行试验，对于需要重复进行百万次千万次的疲劳试验来说效率低下。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种多通道吊弦疲劳试验装置，采用高速电缸控制力和位移，能同时对四根吊弦进行不同工况下的疲劳试验，大大提高了试验效率。

一种多通道吊弦疲劳试验装置，其特征在于，包括上横梁，支撑杆，上端夹持装置，吊弦，下端夹持装置，工作平台，底座以及疲劳试验机监控系统。其中，上横梁为圆盘形，可对称布置四个上端夹持装置，两者之间通过紧定螺栓相连；上端夹持装置内安装有伺服电缸，利用电缸运动实现对吊弦的力加载，同时末端配有力传感器可实现精准控制；工作平台为对应的圆盘形，平台上表面与上端夹持装置对应布置有四个下端夹持装置，在每个下端夹持装置内各安装有一个高速电缸，通过该高速电缸实现对吊弦的位移加载，使用两端夹持安装是为了模拟承力索和接触线对吊弦的作用，通过调整上端和下端夹持装置中的电缸运动参数，可同时对四根吊弦进行不同工况的疲劳试验。

在上述的一种多通道吊弦疲劳试验装置，上横梁用于固定4个上端夹持装置以及支撑杆，上端夹持装置和横梁之间通过紧定螺栓链接。

在上述的一种多通道吊弦疲劳试验装置，所述的上端夹持装置包括伺服电缸以及固定支架，伺服电缸可以实现高精度力矩控制，通过增加力传感器可实现吊弦加载拉力的准确控制，实现承力索对吊弦拉力的模拟；

还包括推杆，通过丝杆和电缸相连，下端和吊弦相连，推杆在固定支架的孔槽中上下滑动，可以对吊弦初始位置进行调节，以满足不同长度吊弦的试验需求；

还包括激光位移传感器，传感器置于固定支架上，通过测量支架端面到下端夹持装置中夹持头的圆盘的距离获得吊弦压缩量，以便对控制信号进行修正。

在上述的一种多通道吊弦疲劳试验装置，所述的下端夹持装置包括夹持头，下端丝杆，固定平台，高速电缸以及平台支柱；夹持头包含一个圆盘结构，用于激光位移传感器定位测距；电缸通过平台螺栓和固定平台固定连接，另一端和工作平台固定；夹持头与吊弦固定连接，电缸输出端通过丝杆和夹持头带动吊弦上下运动，模拟列车驶过时，受电弓顶起接触线从而带动吊弦的上下往复运动，达到疲劳试验的目的；使用电缸进行位移加载，可根据需求随时修改位移加载的曲线，方便疲劳试验。

在上述的一种多通道吊弦疲劳试验装置，所述的疲劳试验机监控系统包括控制柜和控制模块。控制柜中包含有主控器、传感器采集模块和控制信号输出模块，其中主控器负责监控系统的整体控制。

本发明的优势在于：1、通过控制每个电缸的输出，能够同时对多根吊弦进行不同工况下的疲劳试验，提高试验效率；2、采用高速电缸作为力和位移输出动力，具有控制方便，精度高，响应迅速，寿命长等优点；3、能自由调节上下端夹持装置间的距离，方便对不同长度吊弦进行疲劳试验；4、利用迭代学习控制方法，设计了一种运动控制器，通过修正控制量，实现高精度跟踪给定的期望轨迹；5、使用五次多项式对国标中的位移加载正弦曲线进行修正，增加试验机的可实现性。

附图说明

图1是本发明的整体结构图.

图2是上端夹持装置图。

图3是下端夹持装置图；。

图4是基于迭代学习的疲劳试验机控制算法框图。

图5是国标中的吊弦疲劳试验(1为压缩的半个周期；2为受到内部力的半个周期；3为压缩；4为力)。

图6是吊弦加载修正曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明提供的吊弦疲劳试验装置进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

首先介绍本发明的结构原理。包括上横梁，支撑杆，上端夹持装置，吊弦，下端夹持装置，工作平台，底座以及疲劳试验机监控系统。

其中上端夹持装置和下端夹持装置分别有四个，能同时对四根吊弦进行不同工况的模拟疲劳试验。

其中，上端夹持装置包含高速电缸，丝杆，固定支架，推杆以及力传感器，高速电缸和固定支架通过紧定螺栓与上横梁链接，高速电缸通过丝杆拉住推杆，加上力传感器，可以精确控制施加给吊弦的力载荷，从而模拟承力索对吊弦的拉力；固定支架上装有激光位移传感器，通过测量固定支架端面到下端夹持装置中夹持头的圆盘距离，可得到吊弦在运动过程中的压缩量。

其中，下端夹持装置包含另一型号高速电缸，丝杆，夹持头，固定平台，平台支柱，该电缸通过紧定螺栓固定在固定平台和工作台上，通过输出位移量，由丝杆带动夹持头，进而带动吊弦进行上下运动，模拟吊弦在列车驶过时，受电弓将接触线顶起引起的吊弦往复运动，不同工况可用不同位移量和速度来模拟，实现疲劳试验。

其中，疲劳试验机监控系统包括控制柜和控制软件，控制柜中含有主控器、传感器采集模块和控制信号输出模块，其中主控器负责监控系统的整体控制，例如通过控制信号输出模块驱动电动缸运动，通过传感器采集模块采集电缸运动位移、吊弦受力及环境视频信息等。

其中，控制软件选用迭代学习控制ilc进行运动控制器设计，可通过迭代修正控制量，实现高精度跟踪给定的期望轨迹。

图中：1上横梁；2支撑杆；3上端夹持装备；4吊弦；5下端夹持装置；6工作平台；7底座；8紧定螺栓；9固定支架；10高速电缸小；11丝杆；12力传感器；13推杆；14激光位移传感器；15夹持头；16下端丝杆；17固定平台；18平台螺栓；19高速电缸大；20平台支柱。

如图1所示，该发明包括上横梁，支撑杆，上端夹持装置，吊弦，下端夹持装置，工作平台以及底座。上横梁用于固定四个上端夹持装置，其上开有螺孔，固定支架和高速电缸小通过紧定螺栓与其固连；

上端夹持装置中的高速电缸输出力，通过丝杆和推杆相连接；固定支架上开有圆形导向槽，圆柱形推杆可在其中上下移动，以便于调整吊弦的初始位置；

圆柱形推杆上端装有力传感器，可以测出对吊弦施加拉力的大小；高速电缸配合力传感器，可以实现精密控制力的输出，控制精度可达1％；

固定支架上断面处安置有激光位移传感器，通过测量支架固定端面到下端夹持装置中夹持头的圆盘结构之间距离，可得到吊弦在运动过程中的压缩量，进而对运动进行精确控制；

上横梁通过底座上的支撑杆固定；

吊弦长度可在0.5m——1.5m范围内进行调节，可以模拟实际不同工况中工作的吊弦；

工作平台上固定有四个与上端夹持装置对应的下端夹持装置，每个下端夹持装置包括高速电缸大，固定平台，平台支柱以及夹持头；

夹持头上的圆盘结构用于激光位移传感器的定位；

固定平台通过平台支柱支撑在工作平台上，高速电缸大通过紧定螺栓与固定平台和工作平台固定连接，输出的是位移量，夹持头与吊弦下端固连，电缸通过丝杆带动夹持头上下运动，模拟列车驶过时，吊弦由于受到列车受电弓向上顶接触线作用而发生的上下震荡；

疲劳试验机监控系统设计包含硬件设计和软件设计。硬件部分要由4个部分组成，包括：主控器、电动缸、传感器和输入-输出设备。

1.主控器：是监控系统的核心部分，主要负责电动缸运动控制、相关数据处理和存储等；

2.电动缸是监控系统的关键部件，通过电动缸的运动实现吊弦的压缩，完成吊弦的疲劳测试；

3.传感器包括位移传感器、力值传感器和视频监控传感器，通过传感器的检测，保证监控系统的正常运行；

4.输入-输出设备操作电脑是用户与监控系统交互的桥梁，通过输出设备调整监控系统参数，实现疲劳试验；通过输出设备获取试验结果，证明监控系统的有效性。

试验机运行控制是监控系统软件设计的核心，主要包括三个部分的内容：参数设置、设备运行控制和数据处理。

其中，参数设置是试验机正常工作的先决条件，只有正确的设定相关参数，才可以保证试验的正常进行。本监控系统首先需要进行传感器标定和设备报警参数，其中传感器标定主要对力值传感器和位移传感器进行标定。

其中，电动缸运动控制器设计包含：1、反馈控制器的设计，在试验机上整定反馈pid参数；2、ilc控制器的设计：a)针对某一确定的参考输入，试验整定ilc中的pid参数，得到学习函数l；b)调整q滤波带宽，试验得到最优的收敛误差；c)根据上述参数进行试验，记录收敛后的ilc控制输入；d)针对不同的参考输入，得到不同的最优ilc控制输入，建立通过ilc学习后的控制输入库；

其中，为了保证疲劳试验的可靠性，系统使用了力传感器和位移传感器对吊弦的试验情况进行了监测，力传感器用于测量吊弦的应力，位移传感器测量每次试验吊弦的压缩量。在试验开始前，必须对传感器进行标定，以保证传感器数据测量准确；为了评估试验的可行性，需要将传感器采集的数据与电动缸的实时参数进行对比，通过误差分析，评估疲劳试验的设置参数与实际试验结果的误差，判断试验的可靠性。数据处理部分主要对电动缸的运动参数(频率、幅值)等、吊弦受力情况进行统计和分析，以供后续使用。

以上内容仅仅是描述了本发明基本原理以及优势所在，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明涉及精神的前提下，本发明还会有各种变化可改进，均应该落入要求保护的本发明范围内。