弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中測量接觸力硬點(diǎn)的研究

趙志 劉洋

（湖南智融科技有限公司，湖南 株洲412000）

1 概述

近年來圖像識(shí)別技術(shù)和圖像處理算法被廣泛研究，圖像處理技術(shù)日趨成熟穩(wěn)定，并被廣泛應(yīng)用到檢測裝備中。弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)用大量使用圖像識(shí)別技術(shù)的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)，用于城市軌道交通車輛對(duì)受電弓、接觸網(wǎng)以及弓網(wǎng)匹配關(guān)系的測量以及評(píng)價(jià)，同時(shí)弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)的安全監(jiān)測、弓網(wǎng)配合效果監(jiān)測、弓網(wǎng)事故原因分析和定責(zé)等功能，逐步成為城市軌道交通中不可缺少的一個(gè)子系統(tǒng)，地鐵公司、主機(jī)廠也在越來越多的項(xiàng)目中使用弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

2 非接觸式硬點(diǎn)檢測原理

受電弓與接觸網(wǎng)的接觸力突然發(fā)生變化的地點(diǎn)成為統(tǒng)稱硬點(diǎn)，硬點(diǎn)的大小通常用加速度表示。非接觸式硬點(diǎn)檢測主要針對(duì)受電弓垂向振動(dòng)而言，通過基于機(jī)器視覺的非接觸式檢測得到受電弓在運(yùn)行過程中的垂向振動(dòng)變化情況。其檢測原理如圖1 所示，在受電弓弓頭上粘貼反光標(biāo)記條條或噴反光漆，高亮光源照射弓上的反光面，當(dāng)受電弓振動(dòng)時(shí)，可通過相機(jī)獲取到反光條的振動(dòng)，進(jìn)而得到受電弓的振動(dòng)狀態(tài)。受電弓的垂向振動(dòng)狀態(tài)不僅可以反應(yīng)受電弓的垂向加速度信息，還可以反應(yīng)受電弓的運(yùn)行過程中的抬升力信息。垂向加速度用于判斷受電弓的硬點(diǎn)信息，抬升力信息作為受電弓的綜合壓力值的一部分。

圖1 中A 為相機(jī)，B 為受電弓上用作檢測標(biāo)記的反光條。

圖1 非接觸式測量安裝示意圖

圖2 受電弓標(biāo)記條安裝圖片

3 非接觸式壓力檢測檢測原理

受電弓在運(yùn)行過程中的接觸力由抬升力（彈簧彈力）、慣性力、空氣動(dòng)力和修正系數(shù)組成，如下圖所示。

圖3 弓頭受力模型分析

根據(jù)上圖中的受力模型分析，受電弓運(yùn)行中的接觸力可表示為：

其中，F(xiàn)c：接觸力測量值；

Fa：運(yùn)行過程中的慣性力，與受電弓的垂向加速度有關(guān)，記為:

Fb：運(yùn)行過程中的空氣動(dòng)力，與受電弓的垂向加速度有關(guān)，記為:

Fd：運(yùn)行過程中的抬升力（彈簧彈力），與受電弓的垂向位移有關(guān)，記為:

通過基于機(jī)器視覺的非接觸式測量方式可以得到受電弓在運(yùn)行中的振動(dòng)狀態(tài)，而受電弓的振動(dòng)狀態(tài)不僅能夠反應(yīng)受電弓的垂向加速度信息，結(jié)合受電弓的質(zhì)量信息，進(jìn)而可以計(jì)算出Fa。其中受電弓垂向加速度的計(jì)算在第二章已經(jīng)詳細(xì)說明。

通過風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)可以得到Fb與車輛運(yùn)行速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過基于非接觸式測量，利用對(duì)受電弓彈簧的彈力進(jìn)行標(biāo)定，可以得到受電弓運(yùn)行過程中的Fd。

圖4 受電弓彈簧彈力的標(biāo)定測試示意圖

通過對(duì)以上受電弓彈簧彈力和慣性力的測量，進(jìn)而可以計(jì)算出弓網(wǎng)接觸力。

4 非接觸式接觸力硬點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室效果

4.1 實(shí)驗(yàn)場景搭建

場景分為處理主機(jī)、圖像采集模塊、振動(dòng)臺(tái)及標(biāo)記條三部分組成。

圖5 振動(dòng)臺(tái)及靶標(biāo)

4.2 實(shí)驗(yàn)效果（圖6-9）

圖6 正弦激振下采集到的圖像

圖7 沖擊下采集到的圖像

結(jié)束語

在城市軌道交通領(lǐng)域，目前弓網(wǎng)接觸力硬點(diǎn)的測量方式主要是通過接觸式光纖傳感器進(jìn)行測量，價(jià)格昂貴、維護(hù)困難且需更改受電弓結(jié)構(gòu)。光纖傳感器是物理傳感器，本質(zhì)上就是力的作用產(chǎn)生形變，利用形變帶來的信號(hào)變化進(jìn)行測量。形變就會(huì)帶來材料疲勞，時(shí)間久了就需要重新校準(zhǔn)，否則精度就會(huì)變差。非接觸式接觸力檢測目前只是在實(shí)驗(yàn)室階段做了驗(yàn)證，缺少實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)，后續(xù)還需要根據(jù)運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)算法進(jìn)行修正，達(dá)到穩(wěn)定可靠的效果。

圖8 實(shí)驗(yàn)室條件下硬點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)

圖9 實(shí)驗(yàn)室條件下接觸力檢測數(shù)據(jù)