一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量方法及系统与流程
本发明涉及高速铁路及城市轨道交通接触网领域，具体涉及一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量方法及系统。
背景技术：
棘轮补偿装置是广泛应用于高速铁路及城市轨道交通柔性接触网恒张力补偿的重要设备，主要作用为将柔性接触网的线索（接触线或承力索）拉紧，并保持恒定张力，补偿线索由于外界温度变化时的伸缩量。随着近些年来高铁及城市轨道交通的大量建设，接触网的运营维护是摆在运营部门面前的一大难题，高铁及城市轨道交通的柔性接触网大多建在高架线路上，区间线路长，高架线难以进入，检修时间短等困难为接触网的安全运行带来隐患。而下锚补偿装置作为保持线索张力的关键设备是检修维护的重点，一旦发生故障，则会给线路运行带来不可估量的严重后果。
现有的检修方式是在夜间收车后，依靠人工测量棘轮补偿装置的a(b)值来判断设备是否工作正常，检查设备是否卡滞、偏斜等。耗费大量人力且检修效率低、精度低，无法做到24小时全天候监测，而白天由于温度变化剧烈，往往是设备故障多发的时段。
技术实现要素：
发明目的：提供一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量方法，以解决现有技术存在的上述问题，进一步的目的是提供一种实现上述方法的系统。
技术方案：一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将智能传感器以逆时针转动方向为正方向固定在棘轮本体上；
步骤2、将棘轮本体按照数学坐标系划分为四个象限，定义初始坐标位置，测得初始a(b)值
步骤3、测量棘轮转动时重力在智能传感器水平轴和垂直轴的分量，测得当前智能传感器处于棘轮本体的实时坐标位置；
步骤4、利用平面向量公式得出棘轮转过的角度；
步骤5、根据步骤4得出的数据以弧长公式计算出棘轮本体转过的弧长，此弧长值即为
步骤6、根据初始a(b)值和棘轮本体转过的弧长计算实时a(b)值；
步骤7、根据步骤6中的数据与预设参数比对分析当前棘轮补偿装置的工作状态，将分析结果以无线方式传输到上位机。
在进一步的实施例中，所述步骤1进一步为：
步骤11、所述智能传感器通过防松脱螺栓紧固在所述棘轮本体的大轮远离圆心的一侧。
在进一步的实施例中，所述步骤2进一步为：
步骤21、在棘轮本体的大轮边缘处悬挂配重坠铊；
步骤22、将铁路接触网中的线索连接在棘轮本体的小轮边缘处，此时线索与棘轮本体的小轮相切，切线方向与地平线平行；
步骤23、在初始安装时，记录配重坠铊的下底面与底面的距离，即为
步骤24、智能传感器记录下步骤23初始安装时自身坐标位置，将此坐标位置定义为初始坐标位置；
步骤25、将初始坐标位置和初始a(b)值记录在上位机，在不对接触网维修、维护的前提下，此初始坐标位置和初始a(b)值为恒定标准值；在对接触网进行维修维护后须对初始坐标位置和初始a(b)值重新测量并记录在上位机、覆盖原数据。
在进一步的实施例中，所述步骤3进一步为：
步骤31、智能传感器安装就位后，当棘轮本体转动时，利用地球重力始终向下的原理，计算出重力在智能传感器水平轴和垂直轴的分量，定义与重力方向相反为正，与重力方向相同为负，从而根据智能传感器水平轴和垂直轴输出的正负数据计算当前智能传感器处于棘轮本体的坐标位置，此位置定义为实时坐标位置，智能传感器每隔预定时间测量一次自身所在的坐标位置。
在进一步的实施例中，所述步骤4进一步为：
步骤41、分别计算向量oa和向量ob：
式中：
步骤42、计算向量oa和向量ob的夹角
式中：r为智能传感器的重力感应点与坐标系原点的距离。
在进一步的实施例中，所述步骤5进一步为：
步骤51、计算弧长变化量
式中：
在进一步的实施例中，所述步骤6进一步为：
步骤61、将步骤51中得出的弧长变化量加上初始安装时的初始a(b)值，即为实时a(b)值：
式中：
在进一步的实施例中，所述步骤7进一步为：
步骤71、根据安装线路的锚段长度参数，实时分析计算下锚补偿装置的工作状态是否符合设计要求，将分析结果以无线方式传输到上位机；无线方式包括gprs协议、nb-lot协议、lora协议、zigbee协议中的一种或多种。
一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量智能传感系统，其特征在于包括如下模块：
用于将柔性接触网的线索拉紧，并保持恒定张力的棘轮；
用于测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出传感器在坐标系中的坐标位置的智能传感器；
用于确定初始a(b)值的配重坠铊；
用于分析数据、发送指令的上位机。
在进一步的实施例中，所述智能传感器通过防松脱螺栓紧固在所述棘轮本体的大轮远离圆心的一侧；
所述智能传感器包括用于管理电力供应、涉及正常电力供应与应急电力供应的锂电池管理模块；用于采集电池电量信息、并反馈给mcu模块的电池电量采集模块；用于测量重力加速度变化量的重力加速度传感器；用于对系统实时测温、将测得的温度与初始安装时的测量温度实时对比、并将温度差值与预设阈值对比的温度采集模块；用于计算与控制系统的mcu模块；以及用于收发信号的无线通讯模块；
所述重力加速度传感器用于依靠质量块的偏移将加速度数值、重力分量计算出来，当棘轮转动时，由于重力加速度传感器内置于智能传感系统并固定在棘轮端面上，则棘轮的转动由重力加速度传感器感知，重力加速度传感器通过测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出智能传感系统在坐标系中的坐标位置；
所述温度采集模块利用测温变送器将周边的温度信号采集并转变为数字信号，所述测温变送器集成在电路板上并安装在盒子里；
所述mcu模块通过相应的数据接口将锂电池管理模块、重力加速度传感器、温度采集模块、以及无线通讯模块连接形成相互通信的系统，由锂电池管理模块将异常信息、断电时间、开机时间等以代码的形式记录在mcu模块的flash闪存中；
所述上位机与所述重力加速度传感器和mcu模块通过无线通讯模块连接；
所述配重坠铊悬挂在棘轮本体的大轮边缘处，铁路接触网中的线索连接在棘轮本体的小轮边缘处，此时线索与棘轮本体的小轮相切，切线方向与地平线平行；在初始安装时，配重坠铊的下底面与底面的距离为
有益效果：本发明涉及一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量方法及系统，采用重力加速度传感器按时间段测量棘轮转过的角度，根据弧长公式计算棘轮转动的弧长，此弧长即为棘轮a(b)值的变化量，从而实现了可以连续测量棘轮补偿的a(b)值的目的。智能传感器内置了mcu处理芯片，可以自动分析计算采集到的数据，同时传感器还带有温度测量功能，可以根据温度测量结果分析判断棘轮补偿装置的工作状态是否正常，如果不正常，则立即发送报警数据，从而实现了智能化。智能传感器具有无线传输模块，可以将数据无线传输到上位机，避免了有线传输线缆的缠绕对棘轮补偿装置的影响。
附图说明
图1为本发明智能传感器之于坐标系的位置示意图。
图2为本发明涉及到的平面向量示意图。
图3为本发明的部分结构示意图。
图4为本发明的部分结构示意图。
图5为本发明中智能传感器水平轴和垂直轴的定义图。
图6为本发明中智能传感器的内部组成示意图。
图7为本发明中智能传感器的立体图。
图中各附图标记为：棘轮本体1、大轮11、小轮12、智能传感器2、线索3、配重坠铊4。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
申请人认为，接触网中的线索3（接触线或承力索）随温度变化会伸长或缩短，从而引起棘轮补偿装置的转动，如果按照传统“用卷尺或其他测量设备测量配重坠铊4距离地面的高度”，来测量棘轮a(b)值的变化量判断设备是否卡滞、偏斜，无疑费时费力，且精度得不到保障，同时，由于白天的温度变化剧烈，往往是设备故障多发的阶段。申请人认为，采用一个效率高、精度高、且可以全天候自动化控制的系统来检测接触网线索3张力是至关重要的。
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量方法，采用重力加速度传感器按时间段测量棘轮转过的角度，根据弧长公式计算棘轮转动的弧长，此弧长即为棘轮a(b)值的变化量，从而实现了可以连续测量棘轮补偿的a(b)值的目的。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做具体说明。
如图1至图7所示，一种铁路接触网棘轮补偿装置a(b)值测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将智能传感器2以逆时针转动方向为正方向固定在棘轮本体1上；所述智能传感器2通过防松脱螺栓紧固在所述棘轮本体1的大轮11远离圆心的一侧。
步骤2、将棘轮本体1按照数学坐标系划分为四个象限，（ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ），定义初始坐标位置，测得初始a(b)值
步骤3、测量棘轮转动时重力在智能传感器2水平轴和垂直轴的分量，测得当前智能传感器2处于棘轮本体1的实时坐标位置；智能传感器2安装就位后，当棘轮本体1转动时，利用地球重力始终向下的原理，计算出重力在智能传感器2水平轴和垂直轴的分量，定义与重力方向相反为正，与重力方向相同为负，从而根据智能传感器2水平轴和垂直轴输出的正负数据计算当前智能传感器2处于棘轮本体1的坐标位置，此位置定义为实时坐标位置，智能传感器2每隔预定时间测量一次自身所在的坐标位置。
步骤4、利用平面向量公式得出棘轮转过的角度；
分别计算向量oa和向量ob：
式中：
计算向量oa和向量ob的夹角
式中：r为智能传感器2的重力感应点与坐标系原点的距离。
根据得出的数据以弧长公式计算出棘轮本体1转过的弧长，此弧长值即为
步骤6、根据初始a(b)值和棘轮本体1转过的弧长计算实时a(b)值；将上一步中得出的弧长变化量加上初始安装时的初始a(b)值，即为实时a(b)值：
式中：
步骤7、根据步骤6中的数据与预设参数比对分析当前棘轮补偿装置的工作状态，将分析结果以无线方式传输到上位机。根据安装线路的锚段长度参数，实时分析计算下锚补偿装置的工作状态是否符合设计要求，将分析结果以无线方式传输到上位机；无线方式包括gprs协议、nb-lot协议、lora协议、zigbee协议中的一种或多种。
为实现上述方法，本发明提供一种系统，包括：棘轮、智能传感器2、配重坠铊4、上位机。所述棘轮用于将柔性接触网的线索3拉紧，并保持恒定张力；所述智能传感器2用于测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出传感器在坐标系中的坐标位置；所述配重坠铊4用于确定初始a(b)值；所述上位机用于分析数据、发送指令。所述智能传感器2包括锂电池管理模块、电池电量采集模块、重力加速度传感器、温度采集模块、mcu模块、无线通讯模块、看门狗模块；所述锂电池管理模块用于管理电力供应、涉及正常电力供应与应急电力供应；所述锂电池管理模块包括一节或多节并联的18650锂电池。18650锂电池的内阻小，且相比于传统的镍镉和镍氢电池，锂电池没有记忆效应，长时间存放不会影响其活性。采用多节18650锂电池并联安装，当其中一节出现故障时不会影响总的电动势，与之并联的电池作为备用电池会继续提供电能，具有应急功能。所述电池电量采集模块用于采集电池电量信息、并反馈给mcu模块；所述重力加速度传感器用于测量重力加速度变化量；所述重力加速度传感器用于依靠质量块的偏移将加速度数值、重力分量计算出来，当棘轮转动时，由于重力加速度传感器内置于智能传感系统并固定在棘轮端面上，则棘轮的转动由重力加速度传感器感知，重力加速度传感器通过测量重力在水平轴和垂直轴的分量，计算出智能传感系统在坐标系中的坐标位置；所述温度采集模块用于对系统实时测温、将测得的温度与初始安装时的测量温度实时对比、并将温度差值与预设阈值对比；所述温度采集模块利用测温变送器将周边的温度信号采集并转变为数字信号，所述测温变送器集成在电路板上并安装在盒子里；所述无线通讯模块用于收发信号；所述mcu模块用于计算与控制系统；所述mcu模块通过相应的数据接口将锂电池管理模块、重力加速度传感器、温度采集模块、以及无线通讯模块连接形成相互通信的系统，由锂电池管理模块将异常信息、断电时间、开机时间等以代码的形式记录在mcu模块的flash闪存中；所述上位机与所述重力加速度传感器和mcu模块通过无线通讯模块连接；所述看门狗模块内置在所述mcu模块中，定期的查看芯片内部的情况，当芯片发生错误无法恢复时由看门狗模块对其发出重启信号以快速重启恢复正常运作，防止整个系统陷入停滞状态造成损失。所述配重坠铊4悬挂在棘轮本体1的大轮11边缘处，铁路接触网中的线索3连接在棘轮本体1的小轮12边缘处，此时线索3与棘轮本体1的小轮12相切，切线方向与地平线平行；在初始安装时，配重坠铊4的下底面与底面的距离为
总结来说，本发明工作在以下情形下：由于温度的变化，棘轮本体1会随着线索3（接触线或承力索）的伸长或缩短而转动，从而引起配重坠铊4的上升或下降，配重坠铊4的下平面距离地面的距离为b值，配重坠铊4上平面距离上限位点的距离为a值，因此测量棘轮本体1的转动弧长即可测量出a(b)值的变化量。本发明将智能传感器2固定在棘轮本体1上，将棘轮本体1按照数学坐标系划分为四个象限（ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ），当棘轮本体1转动时，利用地球重力始终向下的原理，计算出重力在智能传感器2水平轴和垂直轴的分量，定义与重力方向相反为正，相同为负，从而根据智能传感器2水平轴和垂直轴输出的正负数据计算智能传感器2处于棘轮本体1的坐标位置。本项目实施时，智能传感器2首先记录下初始安装时所在坐标位置，每隔一个时间段，智能传感器2测量一次自身所在的坐标位置，并与初始安装时的位置坐标进行计算，求解出转过的弧长，此弧长加上初始安装时的a(b)值即为实时测量的a(b)值，然后将测量结果以无线的方式发送到上位机。
需要说明的是，本发明中的相关步骤的顺序并非是限定性，即本领域的技术人员可以调整，本发明中的顺序是一种案例性的撰写方式，而非限定性描述。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
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