一种机车弓网硬点光电振动综合检测与gps定位方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机车弓网硬点检测技术领域，尤其设及一种机车弓网硬点光电振动综 合检测与GI^定位方法及系统。
【背景技术】
[0002] 高速铁路大规模的发展，使得具有功率大、过载能力强和速度快等优势的电力牵 引机车成为了发展的必然趋势，运对列车的弓网特性提出了更高的要求，而硬点是影响弓 网关系的主要因素之一，它的发生会对受电弓、接触网、机车电器、牵引电机、牵引变压器W 及整个机车供电系统都造成伤害。在铁运〔2007) 69号文件《接触网运行检修规程》的通 知附录中规定了接触网动态检测项目暂行评定标准，规程中明确对160km/h等级线路和 200km/h等级线路的硬点做了等级划分，250km/h等级线路的评定标准暂比照200km/h等级 线路，具体如表1-1所示：表1-1硬点类别划分
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[0004] 为全国铁路第6次提速及动车组的试运行做准备，2007年初铁道部对京广线安 阳-孟庙、晚海线虞城-太要间1828km接触网线路进行了检测，一共发现50g及50gW上 的硬点多达2941处，平均每公里1.609处。W上大量硬点的存在直接暴露出现有的接触 网质量远不能满足开行200km/h及W上动车组的要求，铁道部当即在要提速线路范围内广 泛开展了接触网硬点大治理工作。同年4月18日，全国铁路大范围的进行了第6次提速， 事后总结铁路第6次成功提速的经验表明，准确检测并治理硬点W及加强高速电气化铁路 弓网施工及日常检修工作，是列车能够安全、高速运行的重要保障。
[0005]弓网硬点造成的严重损伤后果是电力机车受电弓翻弓使得弓头羊角钻网、刮断接 触网吊弦、严重破坏接触网固定件及几何尺寸、甚至造成接触网接地或机车受电弓接地烧 断接触网，最严重的损害结果将影响到铁路干线的行车安全和运输秩序，不能简单用损失 金额来衡量。电气化铁路列车质量大、速度快，一旦弓网事故发生，不可能立即停车，因而事 故对接触网和受电弓的破坏都比较大，维修、恢复供电需要较长时间，造成的直接和间接损 失都是非常严重的，而诱发弓网事故的原因又比较多，既可能由受电弓引起，又可能由接触 网引起，还可能是其他原因引起（线路、自然灾害等）。W往对铁路接触网弓网系统的弓网 参数检测主要是由接触网检测车定期检测完成的，但随着铁路的提速，运营线路的增长W 及行车密度的越大，使用检测车检测硬点的不便更加凸显，但由于其成本高，一个路局只有 一台或几台，检测时可能会占道影响其他机车运行，接触网检测车虽检测全面，数据准确但 对于硬点的检测只有数据而不能很好区分是受电弓的原因还是接触网的原因。由接触网 弓I、受电弓引起的事故占到整个弓网事故总数的绝大部分（90%左右）。由于机车和接触网 归属路局不同部口管理，机车归机务部口而接触网归供电部n，w往出现弓网事故后，它们 又都无法提供各自设备状态的证据，所W在事故的责任划分存在困难。
[0006] 目前我国正在研究时速到多达600公里的列车，被命名为更高速度的试验列车， 轮轨技术、空气动力学性能和弓网关系是更高速列车Ξ大核屯、技术。南车四方机车技术中 屯、设计主审梁建英在指挥试验更高速列车现场说："一直W来"双弓受流"技术是困扰工程 师的技术难题，因为车辆在高速运行时，前弓在取流滑过接触网时，会形成一个激扰波，导 致后弓的离线可能性加大，影响车辆的牵引性能。"机车的运行速度越快，硬点对机车的安 全运行影响就越大，由此我们可W推断，硬点也必将成为今后制约机车高速安全运行的难 题而长期存在。
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[0008] 接触网硬点是在弓网施工、检修中经常碰到的问题，可W说是弓网接触的固有属 性，我们无法完全杜绝它的发生，只能减少其发生的次数和减少其发生带来的危害。接触网 硬点产生的原因复杂，有设计、施工、检修、弓网材质、线路质量等原因，最常用的检测方式 是从产生硬点的机械机理研究出发，通过检测机车受电弓与接触线的接触力W及接触力的 突然变化（即加速度）来检测硬点。其原理是：a= (P+G-T-N)/m，式中a为受电弓滑板质 屯、垂向加速度；m为受电弓滑板归算质量；P为弓网接触压力；G为受电弓滑板重力；T为受 电弓滑板受到的弹黃支撑力；N为受电弓滑板受到的空气抬升力。在忽略不考虑G、T、N的 影响下，可W看出加速度a与接触压力P呈线性正比关系，由此检测硬点。但运种方法在现 场中仍有不少漏检误检现象出现，弓网故障时有发生，尤其在机车大幅度提速后提出的"分 档量化测量加速度思路"，运种方法的弊端更加明显。
[0009] 意大利，日本，德国等国家作为世界上高速铁路比较发达的国家，很早就开始对接 触网硬点进行研究和检测，但多数检测装置并不单纯检测硬点，同时还检测拉出值（接触 线偏离受电弓中屯、位置）、接触线高度（导线距离轨面的距离）、离线（受电弓和接触网的 脱离）等参数，用来评价弓网受流性能和线路质量。检测装置从系统结构可分为非接触式 和接触式，意大利和奥地利的检测设备主要强调接触网检测几何参数，称为非接触检测， 而日本、德国、法国的接触网检测设备相近，主要用来测试弓网动力学参数，称为接触式检 测。
[0010] 意大利TECNocRAMM公司开发的接触网检测设备，主要采用激光照射，伺服跟踪和 图像处理技术，该检测装置的摄像机由直线马达拉动，依靠直线马达的速度和摄像机本生 的定位精度来保证摄像机与接触线的对中，该设备对拉出值和导线高度测量较准，对硬点、 接触压力等参数的分析需要更高图像技术，且计算复杂而且精度也不高。
[0011] 德国的接触网动态检测系统是使用了专口的检测受电弓，分别在距离两滑块中屯、 500mm处水平方向和垂直线路方向装有两个接触压力传感器W及一个垂直方向冲击加速度 传感器，该受电弓弓头上还装有坡度传感器、导线接近传感器，受电弓底座上装有测量接触 线高度的传感器W及测量机车速度的光电传感器，主要用于检测弓网间的接触压力、导线 高度、冲击加速度（硬点）、车体振动等信息，系统提供两套数据自动分析方案：一套能自 动分析接触压力和线岔缺陷，另一套需要人工输入检测参数（拉出值、冲击加速度、导线高 度、网压等）的阀口值，系统会对超出阀口值的上、下限的数据进行自动分析，W找出故障， 能够实时显示或打印接触网参数曲线图，根据显示的接触压力、拉出值、冲击加速度等曲 线，能够分析判断出错段关节、分相、吊弦、线岔、定位点等处的缺陷，并且W线路公里标的 形式显示缺陷的位置，该检测系统检测参数的准确性、合理性被很多国家的接触网专家所 认同。
[0012] 德国BB公司研制的接触网非接触式检测装置，主要采用了伺服跟踪和图像处理 技术。具体做法是在车顶并排安装4个CCD摄像机和3个聚光灯，通过伺服跟踪移动，使接 触线在CCD摄像机中成像，然后通过实时图像处理，计算出接触线高度和拉出值。该装置不 具有直接检测硬点的功能，但通过观察图像中出现弧光，可W发现接触网硬点存在的位置， 但此方法不具有定量分析硬点的能力。
[0013]日本研制的接触力检测装备，需要在弓头的滑板和基板之间安装3个力传感器， 导线和受电弓间接触力的改变会使电阻应变片变形，从而引起电桥的平衡发生变化，测出 接触力，接触力大的地方作为硬点检出，又由于滑板、基板的质量大，使的检出有误差，并且 使用的力传感器频率响应也跟不上接触力的变化，该装备有待改进。其研制的时速275km East-i高速检测列车在检测硬点、受电弓冲击使用的是加速度仪。
[0014] 随着超声波、激光等技术的发展，非接触式检测方法在弓网系统检测方面的应用 也越来越多，主要用于测量拉出值、导高W及接触线磨损，能够检测硬点的较少，将光电二 极管放置在透镜系统的焦点处，透镜系统中装有能够独立输出的光接收器，将离线电火花 转换为放大的电信号输出，从而实现对弓网离线电火花最基本的检测。但该系统不稳定，易 受周围环境的影响。
[0015] 传统的弓网硬点检测方法是在受电弓头上安装加速度传感器，通过检测受电弓和 接触网在机车运行过程中禪合受流时的撞击加速度来检测硬点，但分析和检测结果都表明 只测试了受电弓滑板的垂向加速度，不考虑滑板自重、受电弓支架的支撑力和空气气动应 力来分析硬点的方法，的确可W消除了不少弓网故障隐患，但也容易误报和漏报。国际上先 进的检测硬点的方法是通过检测弓网的接触压力计算得到的，因为接触压力的突然变化才 是导致硬点产生的根本原因。接触压力不但可W反映接触网硬点撞击的程度，还可W从接 触力的波形变化W及频域特性深入研究弓网问题；上世纪60年代，我国才开始对弓网系统 安全的研究，那时候机车运行速度较低（均速40km/h)，研究和检测的主要对象是接触网静 态结构参数，如拉出值、线岔、接触线高度等，因为运些参数不达标是造成机车运行故障的 主要原因，上世纪80年代，我国自行研究的接触网检测车，主要检测运营的80km/h接触网 的离线、高度、偏移值。
[0016] 随着机车性能的不断提升，速度的显著提高，开始更多关注反应接触网运营质 量问题的主要动态参数：接触压力、导线高度、硬点等，如西南交通大学电气工程学院在 1998年研制成功的JJC-1型接触网检测装置，利用滑板上安装有检测接触压力、加速度、拉 出值等多种传感器的受电弓，在机车运行过程中对接触网进行检测，该装置能够满足时速 160km/h线路对接触网要求的检测，时至今日我国在弓网系统安全W及硬点的治理都有了 不菲的成就。
[0017] 周忠良等人设计的弓网硬点检测装置原理为：在受电弓弓头的两侧各安装一个双 向加速度传感器，分别检测受电弓沿线路方向和垂向方向上受到的冲击情况。在高电压端， 传感器信号经信号处理、多路A/D转换，变成数字信号，再经过微处理器编码和校验处理， 由无线发射模块发送。在低压端，无线接收模块接收到数据，并通过串口把数据送往PC机 进行数据保存、显示和报警等，进行进一步处理。经过在SS4型机车上进行的多次试验结果 表明，上述机车受电弓硬点冲击检测及数据传输的方案切实可行。
[0018] 高晓蓉等人设计的检测弓网硬点的装置同样是在弓头上安装2个应变式加速度 传感器，不同于周忠良等人设计的硬点检测装置的地方在于信号的高低电压隔离传输方 式，传感器信号首先通过编码，然后由光发射机将其转变为红外光信号，接着发送出去，最 后由安装在机车车顶低电压侧的光接收机接收并将其还原为电信号，从而实现高低