用于6C動態評定的接觸網幾何參數自動調整技術研究*

張士奎

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 國家鐵道試驗中心, 北京 100015)

鐵路及城軌裝備試驗是人們在裝備論證、設計、研制、生產、使用過程中進行的一項重要的實踐活動。隨著現代高技術鐵路及城軌裝備的快速發展，種類日益增多，結構日趨復雜，技術更加密集，對試驗要求越來越高。為了檢查全系統總體方案設計的正確性、協調性，驗證單機產品的技術參數和性能指標是否滿足設計要求；檢驗靜態調試內容的合理性；考核系統間的匹配和工作協調性，鐵路裝備在研制完成后均需進行型式試驗、驗收試驗、匹配性試驗以及評定檢驗。其試驗的測試覆蓋性、測試的有效性以及測試結果的真實性將嚴重影響對該系統的評估，進而影響對該型號設備交付和使用的決策。接觸網的良好狀態對保證電氣化鐵路的安全正點運行至關重要。由于接觸網露天架設,無備用,并要承受受電弓的強烈沖擊,使得接觸網的故障時有發生,已成為電氣化鐵路的一個薄弱環節。加強對接觸網狀態的監測, 按照“定期檢測、狀態維修、壽命管理”的原則，依靠鐵路供電安全檢測監測系統(6C)等手段，實行"運行、檢測、維修"分開和集中修組織模式[1]，是接觸網修程修制改革的核心，是實現“預防為主,重檢慎修”的接觸網維修理念的重要前提。高速鐵路供電安全檢測監測系統(6C 系統)是保障供電設備安全可靠運行以及鐵路運輸暢通、安全的重要技術裝備。6C 系統主要包括：高速弓網綜合檢測裝置(1C)、接觸網安全巡檢裝置(2C)、車載接觸網運行狀態檢測裝置(3C)、接觸網懸掛狀態檢測監測裝置(4C)、受電弓滑板狀態監測裝置(5C)、接觸網及供電設備地面監測裝置(6C) 和6C 系統綜合數據處理中心[1]。在6C 系統中，高速弓網綜合檢測裝置(1C)、車載接觸網運行狀態檢測裝置(3C)、接觸網懸掛狀態檢測監測裝置(4C)均采用了基于攝像機的接觸網幾何參數測量系統。然而，目前隨著6C系統技術的快速發展，評定試驗往往在室內完成，存在難以模擬和復現現場環境、數據的動態準確性難以驗證的客觀缺點。6C系統評定試驗過程中試驗主體和試驗客體之間的矛盾、試驗能力與裝備發展不適應等基本矛盾尤為突出，試驗方法、試驗手段以及試驗接口協調、試驗數據可視化、試驗質量控制等試驗管理還存在一定的缺陷。

1 平臺功能及設計思想

6C中的弓網監測設備實時連續監測整個線路的弓網位置狀態情況。監測設備安裝于運營車輛或專用車輛頂部，可連續監測接觸網空間位置狀態以及受電弓與接觸網線的接觸狀態[2-4]。針對動態弓網檢測設備的特點， 筆者嘗試采用先進的空間尺寸給定系統，系統以兩鋼軌面頂面為水平面坐標、以鋼軌兩內側面的中心面為垂直面坐標建立坐標系， 自動構建接觸網線的空間位置體系， 預置接觸網線的空間位置坐標(導高值、拉出值、動態高差等)。再讓搭載有弓網運行狀態在線監測設備的車輛運行通過評定段的接觸網線位置， 測量得到接觸網線的空間位置，評定檢測設備的測量誤差。平臺架構如圖1所示。系統主要由室外龍門架安裝部分、機械調整機構、前端控制通信模塊、高壓隔離單元以及遠程控制客戶端組成。平臺系統控制原理如圖2所示。

圖1 平臺架構框圖

圖2 平臺控制系統原理框圖

2 前端機械執行調整機構設計

2.1 總體性能

系統室外工作，振動試驗性能能夠滿足《電氣化鐵道接觸網零部件通用技術條件》、《電氣化鐵道接觸網零部件試驗方法》、《金屬拉伸試驗方法》、《金屬布氏硬度試驗方法》中有關規定。接觸線定位點處在標準位置時滿足接觸網熱脹冷縮時接觸網順線路方向的偏移和拉伸要求，彈性滿足0.4～0.6 mm/N，整跨距彈性不均勻度小于等于8%。動態性能滿足弓網受流性能指標的要求，接觸線動態抬升≤120 mm。載流性能滿足現有懸掛條件，整個機構能夠在接觸網短路，遭受雷擊等極端情況下，電動操作機構不受影響，運動機構精度要求0.01 mm。

2.2 設計指標

機械執行機構技術指標：最大垂直工作拉力為10 kN，破壞拉力為30 kN；最大水平工作拉力為10 kN，破壞拉力為30 kN；最大垂直行程為800 mm，有效行程為500 mm；最大水平行程為1 500 mm，有效行程為1 200 mm。調整機構在斷電的情況下能夠保持原位，要求傳動機構具有自鎖功能。

2.3 機構試制

按照技術指標要求，整體機構如圖3所示。該機構分為4個部分：機架、水平調整機構、豎直調整機構和線夾機構。機架由挽臂結構和水平導軌組成。

圖3 機械機構三維模型圖

水平調整機構和豎直調整機構傳動部分均由伺服電機驅動，然后通過如圖4所示蝸輪蝸桿、滑動螺桿傳動進行調整，即將旋轉運動轉化為直線往復運動。豎直調整機構中滑動螺旋部分，螺母進行轉動，螺桿做豎直往復運動。水平調整機構中滑動螺旋部分，螺桿繞定軸轉動，螺母做水平往復運動。同時，添加導桿或者導軌以增強結構剛度。外露的結構均需安裝防塵裝置。線夾結構中，以現有線夾為基礎，添加水平滑動結構和豎直緩沖結構，分別用以適應線材熱脹冷縮變形和緩沖電弓的抬升力。

圖4 蝸輪蝸桿三維模型圖

蝸輪蝸桿機構：采用單頭蝸桿，導程角為3°13′，滿足自鎖要求，當電機處于斷電狀態時，測量機構仍能夠保持原位。蝸桿兩端由深溝球軸承支撐，減小阻力，提高運動平穩性。蝸桿一端鉆孔、開鍵槽，與伺服電機伸出軸連接。 水平調整機構采用雙螺桿、雙蝸輪蝸桿并聯傳動，考慮到其載荷分布的不對稱性，單螺桿可承受的最大工作載荷取為F=6 kN。

圖5 執行機構水平調整機構三維模型圖

執行機構水平調整機構三維模型如圖5所示。圓柱桿即為挽臂結構，雙挽臂提高機架的整體剛度，并防止調整機構傾覆。挽臂兩端通過絕緣子固定在龍門式支柱上，間距可根據實際安裝距離適當調整。水平蝸輪蝸桿機構：為使結構緊湊，采用雙軸伸伺服電機，置中式安裝，而蝸輪蝸桿安裝在兩側。水平滑動螺桿機構：螺桿與蝸輪由鍵連接，將螺桿繞軸轉動轉化為螺母水平移動。螺桿兩端通過角接觸軸承安裝在機架上，可承受較大的軸向力。設備整體質量由導軌和機架承受，螺桿在理想安裝情況下不受徑向力。螺母采用雙螺母墊片調整式方案，利用墊片消除螺紋間的軸向間隙，提高調整機構往復定位精度。

圖6 執行機構垂直調整機構三維模型圖

執行機構垂直調整機構三維模型如6所示。豎直調整機構由伺服電機驅動，蝸輪蝸桿和滑動螺桿由剖分式上、下基座封閉在內。基座兩側增設導桿，一方面與上下側擋板作用，防止滑動螺桿轉動；另一方面增加豎直調整機構的抗彎剛度，提高精度。

2.4 機構機械數理分析與安全校核

執行機構傳功部分主要由滑動螺旋傳動和蝸輪蝸桿傳動兩種類型組成。滑動螺旋傳動機構采用鋼制螺桿、青銅制螺母和單線梯形螺紋。滑動螺桿做往復運動，且需要較高的定位精度，因此螺母采用雙螺母形式，用墊片進行調整螺母與螺桿的接觸面，消除螺旋副在往復運動時的定位誤差。在設計和制作過程中分別從螺紋牙型材料確定、螺紋長度的選擇、耐磨性設計、自鎖性驗算、螺桿螺牙強度計算校核等方面來保證機構能夠滿足目標要求。限于篇幅，僅對蝸輪蝸桿傳動進行論述。

水平蝸輪蝸桿傳動同樣采用鋼制蝸桿和青銅制蝸輪。阿基米德(ZA)型蝸桿，齒形角α0=20°。蝸輪蝸桿傳動的基本參數選擇如下：

心距a=50 mm

模數m=1.25 mm

分度圓直徑d1=22.4 mm

蝸桿頭數z1=1

蝸輪齒數Z2=62

分度圓導程角γ=3°11′38″

變位系數x2=+0.04

2.4.1蝸桿

2.4.2蝸輪

2.4.3蝸輪蝸桿受力分析

滑動螺旋傳動的驅動轉矩包括螺旋副的摩擦轉矩和支撐面的摩擦轉矩。滑動螺旋副中螺母轉動，螺桿作直線運動，支撐面為滾動軸承，摩擦力極小，故其驅動轉矩近似于螺旋福的摩擦轉矩。而蝸輪的轉矩即為螺桿的驅動轉矩：

tan(4.23°+5.32°)=

12 113 (N·mm)

蝸輪蝸桿潤滑良好，轉速較低，當不計摩擦力影響時，

Ft1=Fa2=Ft2tanγ=

312.6×tan3°11′38″=17.5(N)

Fr1=Fr2=Ft2tanα=312.6×tan20°=113.8 (N)

考慮到摩擦力和轉動慣量的影響，采用較大的安全系數進行修正，取S=5。則電機選型時轉矩T≥2S·T1=2×5×0.2=2 (N·m)。

2.4.4蝸輪齒面接觸疲勞強度驗算

蝸輪齒面接觸疲勞強度驗算公式為

Zρ指圓柱蝸桿傳動的接觸系數，與d1/a值有關，查得Zρ=2.6；

K指載荷系數，K=KAKβKV。調整機構載荷小，起動頻率低，使用系數取KA=1；Kβ為齒向載荷分布系數，在蝸桿平穩工作時，取Kβ=1；KV為動載系數，由于蝸輪圓周速度較低，取KV=1.1。故，K=KAKβKV=1.1。

蝸桿齒面進行熱處理，提高硬度。青銅蝸輪許用接觸應力取最小值，[σH]=135 MPa。

代入數據，可得

135.8(MPa)≈[σh]=

135(MPa)

故蝸輪齒面滿足接觸疲勞強度。

2.4.5蝸輪齒根彎曲疲勞強度驗算

蝸輪蝸桿傳動因彎曲強度不足而失效的情況，多發生在蝸輪齒數較多(z2>90)或開式傳動的情況。調整機構封閉式傳動且潤滑良好，發生齒根斷裂的可能性較低，驗算如下。通常把蝸輪近似成斜齒圓柱齒輪進行驗算，公式為

YFa2為蝸輪齒形系數。按照斜齒圓柱尺寸進行換算，可得當量齒數

變位系數x2=+0.04，查得YFa2=2.3[σF]為蝸輪的許用彎曲應力。按照基本應力循環次數N=106，許用彎曲應力取最小值，[σF]=22 MPa。

代入數據，可得

21.6<[σF]=22 MPa

故蝸輪齒根滿足彎曲疲勞強度。

2.4.6蝸桿剛度驗算

校核蝸桿的剛度時，通常是把蝸桿螺旋部分看做以蝸桿齒根圓為直徑的軸端，主要校核蝸桿的彎曲剛度，其剛度條件為

Et1為蝸桿圓周力，Ft1為蝸桿徑向力，E為鋼制蝸桿彈性模量，取E=2.09×105MPa。

I為蝸桿危險截面的慣性矩，

L′為蝸桿兩端支承間的跨距，取L′=70 mm。

[y]為許用最大撓度，

代入數據，可得

0.000 6?[y]=0.022 4 mm

故蝸桿滿足剛度條件。

3 前端通信控制模塊嵌入式設計

3.1 軟硬件設計

控制系統是整個調整機構的大腦。導高拉出值的調整在于往復運動，利用電流的正反向原理，使電機實現正反轉，從而達到利用往復運動的原理實現導高拉出值調整的目的。控制系統執行流程如圖9所示。硬件主要包括核心單片機模塊、電機驅動模塊、復位和控制模塊以及通信模塊。

圖7 控制系統執行流程

3.2 嵌入式軟件功能組成

嵌入式軟件功能主要包括IO端口初始化、配置及控制模塊：負責IO端口初始化，保證各開關信號能正常檢測。ADC端口初始化、配置及采集模塊：負責ADC初始化，確保測距、溫度、濕度等輔助傳感器信號能正常檢測。通信端口初始化模塊：負責與無線端口進行通信。狀態開關檢測模塊：負責正確讀取狀態數據并解析，使控制模塊能根據狀態數據作出正確的動作。測距和光電編碼器檢測模塊：負責讀取測距和光電編碼器的數據，并準確解析，為控制系統正確的調整提供依據。控制電機正反轉模塊：根據算法需求，控制電機的方向。控制電機按步精確旋轉模塊：根據控制算法精確控制電機的運動。控制系統軟件工作流程如圖8所示。

圖8 控制系統軟件工作流程圖

4 服務器遠程客戶端軟件界面

軟件操作界面如圖9所示[6]。

控制系統啟動后，在此界面進行控制操作。并伴隨有實時監控圖像，顯示調整機構和被調設備的狀況。軟件界面包括6個板塊：(1)調整機構控制區域，分為水平和垂直兩個方向，只需要指定目標位置，再啟動調整即可，簡單快捷。(2)調整機構監控相機云臺控制區域，可以上下左右旋轉相機或拉長縮短焦距，以便查看想著重觀察的區域，功能齊全。(3)調整機構返回的調整信息，如負載過大、調整到位或設備自檢等信息。(4)調整機構的監控圖像，實時圖像。(5)調整機構選擇區域，可以在調整機構信息管理欄內添加，然后在這里選擇需要操作的對象，即實現了軟件的通用化，一臺計算機可以實現多臺調整機構的控制和管理。(6)操作提示區域。

圖9 服務器遠程客戶端軟件圖

4.1 軟件結構一覽

登錄模塊，登錄流程如圖10所示。

圖10 登陸流程

用戶輸入用戶名密碼登錄系統，登錄成功進入系統后，系統根據給該用戶分配的權限加載對應的模塊。

用戶管理模塊如11所示。

圖11 用戶權限對應的是相應的操作模塊

攝像機管理模塊：攝像機的基本配置和測試播放。

控制機構管理模塊：控制機構的基礎信息，關聯攝像機等操作。

主控模塊操作流程如12所示。

圖12 主控塊操作流程

上位機和調整機構指令流程如圖13所示。

圖13 上位機和調整機構指令流程

5 結 論

接觸網的線路長、結構復雜、工作條件惡劣,運行經驗表明接觸網已成為高鐵牽引供電系統的薄弱環節[7]。隨著高速鐵路通車里程的增加、列車運營速度的提高將加快未來高速鐵路牽引供電6C系統的應用, 這對減輕現場工作人員的勞動強度、降低維修保養費用,都將具有重要意義，同時也勢必對6C檢測系統的準確度、可信度、可靠性,提出了更高的要求。因此開展6C評定工作十分必要。結合相關標準及計量規程，針對供電專業應用特點[3，5]，開發用于6C動態評定的接觸網幾何參數自動系統作為線路動態評定裝置，通過了實驗室測試，印證了評定裝置的實用性和有效性，為今后牽引供電6C系統動態評定試驗奠定方法平臺基礎。