本發(fā)明涉及軌道交通的檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及弓網(wǎng)接觸力桿式壓力傳感器及其測量弓網(wǎng)接觸力的方法。

背景技術(shù)：

受電弓是電力機(jī)車及動車組的重要取流裝置，隨著電氣化鐵路的發(fā)展，弓網(wǎng)耦合之間的矛盾和問題越來越突出，因此對受電弓工作狀態(tài)的檢測變得尤其重要。弓網(wǎng)接觸力是判斷受電弓受流狀態(tài)的重要因素之一，能夠準(zhǔn)確測量出弓網(wǎng)之間的接觸力具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外普遍采用的接觸力測量方法是在受電弓弓頭結(jié)構(gòu)中串入測力傳感器，并設(shè)計制作對應(yīng)的工裝組件進(jìn)行固定。這種方法具有以下缺陷：(1)在弓頭上安裝測力傳感器及其工裝，破壞了弓頭原有的結(jié)構(gòu)；(2)為了留出安裝傳感器的空間，在有的情況下會將滑板加高，改變了滑板和托架之間的相對高度，這導(dǎo)致測量狀態(tài)下與正常運(yùn)行狀態(tài)下高度有所不同，測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確；(3)傳感器和傳感器工裝較大程度增加了弓頭重量；(4)有些情況下，為了安裝測力傳感器并使其受力，會不可恢復(fù)的破壞了原有的部件。對受電弓原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞或修改，致使受電弓動態(tài)性能發(fā)生變化，測得的接觸力并非原弓的接觸力。因此，歐標(biāo)en50317中對受電弓接觸力進(jìn)行了規(guī)定，需要一系列試驗如振動試驗、風(fēng)洞試驗等證明串入測力傳感器并不會對原有受電弓造成過大的改變。

近一些年，國外有很多學(xué)者為克服對原受電弓的破壞和改變，進(jìn)行了諸多嘗試：歐洲學(xué)者對受電弓滑板進(jìn)行分析，將應(yīng)變片貼于滑板下方，通過測量滑板應(yīng)變來獲得受電弓的接觸力，這種方法的精度還待提高；日本學(xué)者利用高速相機(jī)測量受電弓滑板和框架各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，推導(dǎo)得到接觸力，這種方式的測量精度滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50317的要求，達(dá)到了90％，這種方法在一定程度上減小對原受電弓的影響，但在測量精度或成本上并不能得到滿意的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是為了提供一種弓網(wǎng)接觸力桿式壓力傳感器，該桿式壓力傳感器安裝于可替換受電弓中原有的弓頭轉(zhuǎn)軸，將承載與測力兩大功能合二為一，在最大程度的減少對受電弓外形和結(jié)構(gòu)的破壞的同時，達(dá)到準(zhǔn)確測量弓網(wǎng)接觸力的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

弓網(wǎng)接觸力桿式壓力傳感器，所述弓網(wǎng)包括受電弓與接觸網(wǎng)，而受電弓包括弓頭，設(shè)置在弓頭兩端的弓頭懸架，以及設(shè)置在弓頭懸架下方的框架；所述框架包括上框架，設(shè)置在上框架下方兩端的下框架，以及插入上框架中且兩端分別與弓頭懸架相連的弓頭轉(zhuǎn)軸；所述桿式壓力傳感器的主體是作為彈性體并用于替換受電弓中弓頭轉(zhuǎn)軸的實(shí)心細(xì)桿，所述實(shí)心細(xì)桿兩端各設(shè)有一段相互對稱的應(yīng)變區(qū)，每段應(yīng)變區(qū)均位于實(shí)心細(xì)桿與弓頭懸架和上框架的受力點(diǎn)之間、且每段應(yīng)變區(qū)內(nèi)均設(shè)有應(yīng)變片；所述實(shí)心細(xì)桿一端端面上還設(shè)有與兩片應(yīng)變片均相連的電壓信號數(shù)據(jù)線；所述實(shí)心細(xì)桿兩端各設(shè)有一個與弓頭懸架連接用的連接裝置；所述實(shí)心細(xì)桿兩端還套接有與連接裝置匹配、用于約束實(shí)心細(xì)桿水平移動并保護(hù)應(yīng)變區(qū)的套筒。

進(jìn)一步的，所述兩個連接裝置對稱設(shè)置在實(shí)心細(xì)桿兩端，每個連接裝置均包括兩個貫穿實(shí)心細(xì)桿上下面且間距在20～30mm的連接孔，以及設(shè)置在連接孔中的連接件。

優(yōu)選的，所述連接件為螺栓。

進(jìn)一步的，所述實(shí)心細(xì)桿外徑與弓頭轉(zhuǎn)軸外徑一致、實(shí)心細(xì)桿長度長于弓頭轉(zhuǎn)軸長度。

更進(jìn)一步的，所述實(shí)心細(xì)桿中部套接有熱縮管，實(shí)心細(xì)桿上、套接有熱縮管的部位銑細(xì)了1～3mm，所述熱縮管的外徑不大于弓頭轉(zhuǎn)軸外徑。

本發(fā)明還提供了一種使用桿式壓力傳感器測量弓網(wǎng)接觸力的方法，包括以下兩種情況：

步驟一、靜態(tài)條件下測量接觸力：將本實(shí)施例的桿式壓力傳感器替換弓頭轉(zhuǎn)軸1并安裝完畢后，其測得的桿式壓力傳感器示數(shù)即為靜態(tài)條件下的弓網(wǎng)接觸力；

步驟二、動態(tài)條件下測量接觸力：在弓網(wǎng)中，將桿式壓力傳感器替換弓頭轉(zhuǎn)軸并安裝完畢后，并在弓頭和桿式傳感器端頭各設(shè)置一個加速度傳感器，并且稱量弓頭質(zhì)量m1，弓頭懸架至桿式壓力傳感器部分的質(zhì)量m'，桿式壓力傳感器的質(zhì)量m0，當(dāng)弓網(wǎng)運(yùn)行時，讀取同一時間桿式壓力傳感器的示數(shù)和加速度傳感器的示數(shù)，即可計算得到該時間的弓網(wǎng)接觸力fc：

其中，m1、m'、m0的單位是kg，fc的單位是n，加速度的單位是m/s²；為弓頭部分的慣性力，為懸架至傳感器應(yīng)變區(qū)部分的慣性力，k0(x'-x2)為桿式壓力傳感器的測量值。

具體的說，所述弓頭包括滑板和托架，所述滑板上固定有一個加速度傳感器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的弓網(wǎng)接觸力桿式壓力傳感器能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，能夠在準(zhǔn)確測量接觸力的同時，對弓頭破壞小，質(zhì)量增加少，并且不會對受電弓造成永久性破壞。

(2)本發(fā)明的桿式壓力傳感器可以將弓頭轉(zhuǎn)軸替換掉，弓頭轉(zhuǎn)軸隨著弓頭的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，懸架安裝孔平面始終平行于受電弓與接觸網(wǎng)接觸的平面，因此在弓頭轉(zhuǎn)軸處測的力始終是接觸點(diǎn)的垂向分量，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3)本發(fā)明測量弓網(wǎng)接觸力的方法是首次提出將桿式壓力傳感器安裝于上框架與弓頭連接處，原理簡單，操作簡便，實(shí)際測量過程簡單，受其他不利因素干擾較少。

(4)本發(fā)明替換弓頭轉(zhuǎn)軸，并不影響受電弓的外觀，因此對受電弓的空氣動力無影響，可不用進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗。

(5)本發(fā)明的弓網(wǎng)接觸力桿式壓力傳感器通用性強(qiáng)，其替換下的轉(zhuǎn)軸為大多數(shù)受電弓均具有的零件之一，該方法可以應(yīng)用到所有有轉(zhuǎn)軸的受電弓上，就算尺寸有所不同，在原方案上稍作修改后重新制作傳感器即可，避免了之前的針對每一型號的受電弓設(shè)計不同方案的情況，省時省力，可以滿足未來傳感器通用性的要求。

附圖說明

圖1為弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2為弓頭轉(zhuǎn)軸受力分析圖。

圖3為本發(fā)明桿式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明桿式壓力傳感器分割后的簡化模型示意圖。

圖5為弓頭轉(zhuǎn)軸及本發(fā)明桿式壓力傳感器外形比較圖。

圖6為動態(tài)條件下只補(bǔ)償弓頭部分慣性力時測量結(jié)果的變化。

圖7為動態(tài)條件補(bǔ)償了弓頭部分和部分框架的慣性力時測量結(jié)果的變化。

圖8為標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和桿式壓力傳感器的安裝結(jié)構(gòu)圖。

圖9為靜態(tài)試驗時標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和桿式壓力傳感器測量值變化對比圖。

圖10為動態(tài)試驗時標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與桿式壓力傳感器測量值變化對比圖。

其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的名稱為：

1-弓頭轉(zhuǎn)軸，2-上框架，3-實(shí)心細(xì)桿，4-應(yīng)變區(qū)，5-電壓信號數(shù)據(jù)線，6-連接孔，7-連接件，8-套筒，9-熱縮管，10-滑板，11-托架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。

本實(shí)施例首先提供了一種弓網(wǎng)接觸力桿式壓力傳感器，該桿式壓力傳感器用于檢測弓網(wǎng)接觸力，如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可知，所述弓網(wǎng)包括受電弓與接觸網(wǎng)，而受電弓包括弓頭，設(shè)置在弓頭兩端的弓頭懸架，以及設(shè)置在弓頭懸架下方的框架；所述框架包括上框架2，設(shè)置在上框架下方兩端的下框架，以及插入上框架中且兩端分別與弓頭懸架相連的弓頭轉(zhuǎn)軸1；具體的說，所述上框架2上部設(shè)有與弓頭轉(zhuǎn)軸1相匹配的空心通腔，所述弓頭轉(zhuǎn)軸1水平插入上框架2的空心通腔中，而空心通腔兩端則通過銅質(zhì)軸承將弓頭轉(zhuǎn)軸1約束住，僅限其左右移動和轉(zhuǎn)動，弓頭轉(zhuǎn)軸1兩側(cè)安裝有套筒8，起到約束弓頭轉(zhuǎn)軸1左右移動和方便連接件7安裝的作用。卸下套筒8后即可將弓頭轉(zhuǎn)軸1抽出。弓頭與弓頭轉(zhuǎn)軸1之間可以等效為彈簧。

如圖2所示，以弓頭轉(zhuǎn)軸1為例對其進(jìn)行受力分析，可知，圖中的(f3+f4)為來自弓頭懸架的力，包括弓頭和弓頭懸架自重、及弓網(wǎng)接觸力，該兩個力分別施加在弓頭轉(zhuǎn)軸1的兩端，且方向向下，通過連接件7傳遞，一般來說，該連接件7為螺栓且共有四個，弓頭轉(zhuǎn)軸1兩端各有兩個，該四個螺栓受剪力作用。上框架2上部的空心通腔兩端的軸承給了弓頭轉(zhuǎn)軸1以向上的支持力(f1+f2)。這四個力組成了弓頭弓頭轉(zhuǎn)軸1的力的平衡系統(tǒng)，作為整臺受電弓中將弓頭與上框架2連接在一起的承上啟下的環(huán)節(jié)，作用不容忽視。

而本實(shí)施例提供的測量弓網(wǎng)接觸力的桿式壓力傳感器則是受這一思路啟發(fā)而設(shè)置的，該桿式壓力傳感器可替換受電弓中的弓頭轉(zhuǎn)軸1，使其在基本不改動受電弓原有外形尺寸和較小地增加受電弓重量的前提下，測量出弓網(wǎng)接觸力。

如圖3所示，該桿式壓力傳感器主體為一圓柱體形的實(shí)心細(xì)桿3，其直徑與弓頭轉(zhuǎn)軸1外徑一致，長度較之稍有增加，安裝完成后，本傳感器除了具有弓頭轉(zhuǎn)軸1原有的連接弓頭與上框架2、以及承擔(dān)來自弓頭的力的功能，還兼具了測量壓力大小的功能，將支持作用與測量作用合二為一。

如圖5所示，以弓頭轉(zhuǎn)軸1為參考來詳細(xì)介紹本實(shí)施例的桿式壓力傳感器，弓頭轉(zhuǎn)軸1長度為1062mm，包裹在上框架2內(nèi)部的長度為898mm，兩側(cè)露出的長度均為82mm，在弓頭轉(zhuǎn)軸1露出的兩端分別開設(shè)有兩個孔，孔中均設(shè)有m8的螺栓作為連接弓頭轉(zhuǎn)軸1與弓頭的連接件7，且弓頭轉(zhuǎn)軸1上相同端的兩個孔孔距為25mm，外側(cè)的孔與弓頭轉(zhuǎn)軸1端面距離均為46.5mm。而本實(shí)施例的桿式壓力傳感器的尺寸與弓頭轉(zhuǎn)軸1的大致相同，只是桿式壓力傳感器中留有應(yīng)變區(qū)4，因此長于弓頭轉(zhuǎn)軸1。具體來說，桿式壓力傳感器的主題為總長度為1134mm的實(shí)心細(xì)桿3，實(shí)心細(xì)桿兩端各設(shè)有一段長度為40mm且相互對稱的應(yīng)變區(qū)4，每段應(yīng)變區(qū)均位于實(shí)心細(xì)桿3分別與弓頭和上框架2的受力點(diǎn)之間、且每段應(yīng)變區(qū)內(nèi)各設(shè)有一片應(yīng)變片，所述實(shí)心細(xì)桿3一端端面上還設(shè)有與兩片應(yīng)變片均相連的電壓信號數(shù)據(jù)線5；所述實(shí)心細(xì)桿3外徑與弓頭轉(zhuǎn)軸1外徑一致；所述實(shí)心細(xì)桿3兩端各設(shè)有兩個孔距為25mm的連接孔6，外側(cè)的孔與實(shí)心細(xì)桿3端面距離均為47mm，且每個連接孔6中均設(shè)有用于與弓頭連接用的螺栓作為連接件7；所述實(shí)心細(xì)桿3兩端還套接與連接件7匹配的套筒8，該套筒8長118mm，起到約束傳感器橫向移動、保護(hù)應(yīng)變區(qū)和方便安裝連接件7的作用。所述兩個應(yīng)變區(qū)4之間的實(shí)心細(xì)桿3中部還進(jìn)行了銑細(xì)處理，銑細(xì)了2mm，并在銑細(xì)部位套接了外徑不大于弓頭轉(zhuǎn)軸1外徑的熱縮管9，該設(shè)置一方面是為了使其在保證強(qiáng)度的前提下，減輕重量，另一方面則是為了便于電壓信號數(shù)據(jù)線5走線。

參考弓頭轉(zhuǎn)軸1為本實(shí)施例的桿式壓力傳感器進(jìn)行受力分析，得到如圖4所示的簡化模型。根據(jù)力的平衡式可以得到其動態(tài)方程：

其中，fc為弓網(wǎng)接觸力，單位為n；m1為弓頭質(zhì)量，單位為kg；m'為弓頭懸架至傳感器應(yīng)變區(qū)部分的質(zhì)量，單位為kg；k1是懸架剛度，單位為n/m；k0是傳感器彈性系數(shù)，單位為n/m；k2是受電弓框架剛度，單位為n/m；x1是頭位移弓，單位為m；x'是桿式壓力傳感器位移，單位為m；x2是受電弓框架位移，單位為m；c0、c1、c2為阻尼系數(shù)。

桿式壓力傳感器的示數(shù)為k0(x'-x2)，忽略系統(tǒng)阻尼，可以得到

由此式可知，需要補(bǔ)償x1和的慣性力，桿式壓力傳感器的測量值即為弓網(wǎng)接觸力。

由此可見需要補(bǔ)償x1的慣性力，與的慣性力。將100n的標(biāo)準(zhǔn)正弦力代入公式(1.1-1.3)計算，可以得到x1、x2、x'的運(yùn)動情況。

當(dāng)只補(bǔ)償弓頭部分的慣性力時，即測量結(jié)果為時，結(jié)果如圖6所示。由該圖可以看出，在5hz左右時，系統(tǒng)會出現(xiàn)很大的誤差，而在的質(zhì)量越大時，測量的力越遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)力100n。

如圖7所示，為依照公式(1.4)補(bǔ)償了弓頭部分和部分框架的慣性力的結(jié)果?？梢钥吹剑瑢?shí)際測量的數(shù)值接近于標(biāo)準(zhǔn)力。但當(dāng)質(zhì)量越小時，其測量的值反而越遠(yuǎn)離所給的100n。

當(dāng)替換弓頭轉(zhuǎn)軸時，可以使部分的質(zhì)量很小。按照之前的計算結(jié)果，當(dāng)只補(bǔ)償弓頭慣性力，其準(zhǔn)確度也是較為理想的。在實(shí)際實(shí)驗中，分別進(jìn)行了(1)只補(bǔ)償弓頭慣性力(2)兩部分都進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗結(jié)果，(1)的情況滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，準(zhǔn)確率達(dá)到92％，而(2)的情況可以將準(zhǔn)確度提高大約2％，達(dá)到94％。

因此，優(yōu)選的，固定兩個加速傳感器分別安裝在滑板和所制作的傳感器端頭處，可以的得到更優(yōu)的測量結(jié)果。

上述為理論依據(jù)，為了測量弓網(wǎng)接觸力，本實(shí)施例還提供了使用該桿式壓力傳感器測量弓網(wǎng)接觸力的方法，包括靜態(tài)測量方法和動態(tài)測量方法，其中，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和桿式壓力傳感器的安裝結(jié)構(gòu)如圖8所示，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和桿式壓力傳感器均與pc機(jī)相連，且標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器位于桿式壓力傳感器上方。以下為應(yīng)用本實(shí)施例桿式壓力傳感器進(jìn)行靜態(tài)測量實(shí)驗和動態(tài)測量實(shí)驗步驟。

具體來說，所述靜態(tài)測量實(shí)驗的操作如下：

在弓網(wǎng)中的弓頭上方設(shè)置了一個經(jīng)過校對和檢驗的標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器，然后將本實(shí)施例的桿式壓力傳感器替換弓頭轉(zhuǎn)軸1并安裝完畢后，采用桿式壓力傳感器與標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器相對照的方法，通過調(diào)節(jié)弓頭風(fēng)壓來調(diào)節(jié)弓網(wǎng)接觸力大小；得到如圖9所示的桿式壓力傳感器示數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器示數(shù)之間的線性關(guān)系。由圖9可以看出，本實(shí)施例的桿式壓力傳感器具有很好的線性度，并與標(biāo)準(zhǔn)的傳感器結(jié)果較好的吻合，可以判斷本發(fā)明的桿式壓力傳感器可以測量受電弓靜態(tài)時的弓網(wǎng)接觸力。利用matlab對桿式壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可以得到本實(shí)例中的桿式壓力傳感器系數(shù)

fm＝1147171x+309.15(1.5)

其中，fm為桿式壓力傳感器讀數(shù)，單位為n；x為傳感器輸出靈敏度，單位為v/v。

由此可知，在檢測弓網(wǎng)靜態(tài)接觸力時，本實(shí)施例桿式壓力傳感器的測量值即為弓網(wǎng)接觸力(標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的測量值可等效為接觸力)。

具體來說，根據(jù)式(1.4)，所述動態(tài)測量方法需要同時測得傳感器輸出的示數(shù)和弓頭以及傳感器端頭的加速度，才能得到精確的弓網(wǎng)接觸力測量值，因此，本方法的動態(tài)測量實(shí)驗操作具體如下：

所述標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和本實(shí)施例桿式壓力傳感器的安裝位置不變，再在弓頭滑板和桿式壓力傳感器端頭各設(shè)置一個加速度傳感器。然后通過激振器對滑板施加1～20hz的振動，同時讀取標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、本實(shí)施例桿式壓力傳感器以及弓頭滑板上和本發(fā)明測力傳感器端頭部的加速度傳感器的示數(shù)。由于試驗數(shù)據(jù)量巨大，只取其中一組為例(接觸力為51n，頻率為8hz)進(jìn)行分析，分別將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器讀數(shù)隨時間的變化、帶弓頭補(bǔ)償?shù)臈U式壓力傳感器讀數(shù)隨時間的變化以及帶全部補(bǔ)償?shù)臈U式壓力傳感器讀數(shù)隨時間的變化進(jìn)行對比，得到如圖10所示的對比圖，由該圖可以看出，上述三者的吻合度較高，尤其是帶全部補(bǔ)償?shù)臈U式壓力傳感器讀數(shù)隨時間的變化與標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器讀數(shù)隨時間的變化吻合度極高。

并且，根據(jù)en50317中對弓網(wǎng)接觸力測量的準(zhǔn)確度公式，

可以得到帶弓頭補(bǔ)償?shù)谋緦?shí)施例桿式壓力傳感器的準(zhǔn)確度為92.7％；帶全部補(bǔ)償?shù)谋緦?shí)施例桿式壓力傳感器的準(zhǔn)確度為94.1％。由此可知，本實(shí)施例方法利用桿式壓力傳感器測量接觸力的方法精確度高，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，但凡在本發(fā)明的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實(shí)質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。