CN114414116B - 一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，包括以下步骤：S1、通过三轴加速度传感器共同判断受电弓运动方向，计算受电弓的位移量；S2、计算静止与运动过程中受电弓倾斜形成的夹角和加速度分量；S3、利用三轴加速度共同确定弹簧弹力方向，计算弹簧弹力在竖直方向上的分量；S4、通过归算质量模型对受电弓碳滑板建立模型，求解弓网接触力。

Description

一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法

技术领域

本发明属于图像处理识别技术领域，具体涉及一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法。

背景技术

城市轨道交通通过受电弓弓头碳滑板与接触网接触完成高压受流，弓头滑板与接触线间相互接触产生的接触压力是影响受电弓受流质量的重要因素，随着列车运行速度的不断提高，弓头滑板与基础网的接触压力波动幅度迅速增大，受电弓初始设置的静态接触压力难以满足列车高速运行时弓网的良性接触，受流质量急剧下降。接触压力过大会导致受电弓与接触网磨损加剧；接触压力过小会造成受电弓与接触网脱落，产生燃弧现象，对电力机车运行安全带来严重影响。弓网接触力是评价弓网受流性能的重要指标，针对弓网接触压力的实时检测是实现电力机车高速平稳运行的关键。

目前，研究受电弓的动力学特性主要采用压力传感器和归算质量模型。压力传感器的安装会破坏受电弓结构，归算质量模型是在受电弓某个高度对其进行等效参数测试，从而将受电弓表示成集总质量和弹簧、阻尼相连的等效模型。归算质量模型具有自由度小、计算效率高的优点，但只能反映弓网间的垂向运动关系。对于受电弓倾斜时需要重新建立模型，使用三轴加速度传感器获得竖直方向的分力，三轴加速度传感器安装在碳滑板底部，不影响碳滑板结构，再结合归算质量模型计算弓网接触力。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，包括以下步骤：

S1、通过多个三轴加速度传感器运动方向共同判断受电弓运动方向并计算受电弓的位移量；

S2、通过受电弓位移量计算受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角，并使用夹角计算竖直方向上的加速度分量；

S3、利用多个三轴加速度传感器共同确定弹簧弹力方向，并获得弹力在竖直方向的分量；

S4、根据受电弓竖直方向上的加速度分量、弹簧弹力在竖直方向上的分量，通过归算质量模型对受电弓碳滑板建立模型，求解弓网接触力。

进一步地：通过多个三轴加速度传感器共同确定受电弓倾斜方向，比较同一碳滑板下左右两边三轴加速度传感器测量得到的倾斜位置的加速度值，并利用加速度值计算受电弓的位移量x：

上式中，a表示受电弓运动过程中三轴加速度传感器测量的加速度值，t表示时间。

进一步地：所述步骤S2中受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角α计算方式为：

所述步骤S2中受电弓竖直方向加速度a_z计算方式为：

a_z＝a·cosα

上式中，L表示受电弓碳滑板长度，x表示受电弓位移量，α表示受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角。

进一步地：所述步骤S3弹簧弹力在竖直方向上的分量的计算方法为：分解弹簧弹力，获得竖直方向上的弹簧弹力分量和位移量。

所述弹簧弹力F_k'的计算公式为：

F_k'＝F_k·cosα＝k·x_z

所述竖直方向位移量x_z的计算公式为：

x_z＝x·cosα

上式中，F_k表示弹簧弹力，k表示弹性系数，x表示受电弓位移量，α表示受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角。

进一步地：所述步骤S4中归算质量模型计算方法为：

F_a+F₁-F_k'-F_b＝ma_z

上式中，F_k表示弹簧弹力，F₁表示弓网接触分力，F_a表示向上的抬升力，为固定值，F_b表示惯性力

考虑碳滑板质量，受到向下的弹簧弹力和向上的抬升力，忽略空气动力惯性力的影响，得到竖直方向的受力情况，具体为：

F_a+F₁-F_k'＝ma_z

该位置的弓网接触分力可以表示为F₁：

上式中，k表示弹性系数，α表示受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角，a表示受电弓运动过程中三轴加速度传感器测量的加速度值，t表示时间，m表示质量。

受电弓上安装四个三轴加速度传感器，两块碳滑板两边各一个三轴加速度传感器，用于判断受电弓倾斜状态，另一块碳滑板受到的弓网接触力计算方式与上述方法相同，总弓网接触力通过两者叠加得出。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：本发明综合归算质量模型，利用三轴加速度传感器，提出一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法。成本低且计算量相对较少，不破坏受电弓结构。

附图说明

图1是弓网接触力检测方法的框架图；

图2是受电弓向左倾斜受力示意图；

图3是三轴加速度在受电弓上位置示意图；

图4是受电***个碳滑板的受力图；

图5是受电弓部分离线示意图；

图6是受电弓向右倾斜示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

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该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1所示，本发明公开了一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，包括以下步骤：

S1、通过三轴加速度传感器共同判断受电弓运动方向，计算受电弓的位移量，如图2所示。

S2、计算静止与运动过程中受电弓倾斜形成的夹角和加速度分量；

S3、利用三轴加速度共同确定弹簧弹力方向，计算弹簧弹力在竖直方向上的分量；

S4、通过归算质量模型对受电弓碳滑板建立模型，求解弓网接触力。

其中竖直方向受到受电弓向上的抬升力和惯性力。该竖直方向的加速度用a_z表示。图3给出了4个三轴加速度传感器的安装位置信息。

受电弓在运行过程中弓网接触力由弹簧弹力、抬升力和惯性力组成，如公式1所示：

F₁＝F_k-F_a-F_b (1)

F₁：弓网接触分力；

F_a：运行过程中的抬升力，为固定值。

F_b：运行过程中的受电弓由于空气动力原因产生的受电弓惯性力，与受电弓的垂向加速度有关。

F_k：运行过程中的弹簧弹力，与受电弓的垂向位移有关。

使用三轴加速度表示受电弓抬升力和惯性力，图2给出了受电弓受力图。

其中列车运行方向的受电弓碳滑板受到的力记作F₁和，后面的碳滑板记为F₂。可以将受电弓受到的接触力F表示为：

F＝F₁+F₂ (3)

每一个位置的受到的力可以建立二元归算质量模型为：

F_a+F₁-F_k-F_b＝ma_z (4)

F_a+F₂-F_k-F_b＝ma_z (5)

特殊的是，根据电力机车现场使用情况，在实际的运行中，受电弓前后两块碳滑板由于速度和空气动力等原因出现受力不均匀的情况，导致电力机车运行方向的碳滑板与接触线接触，而另一块出现悬空的状态。用公式表示为：

F＝F₁ (6)

此时列车运行方向前面的碳滑板与接触线接触，其余接触力为0。

F＝F₂ (7)

此时列车运行方向后面的碳滑板与接触线接触，其余接触力为0。

如图4、5、6所示，其中a，b表示受电弓上的两个碳滑板，当a碳滑板与接触线接触，b碳滑板所受到的接触压力为0。

通过三轴加速度传感器确定受电弓倾斜方向，利用加速度值计算受电弓的位移量x：

通过受电弓位移量，计算受电弓倾斜角度α和加速度分量a_z：

a_z＝a·cosα

分解弹簧弹力，获得竖直方向弹力的分量F_k'和竖直方向的位移量x_z；

F_k'＝F_k·cosα＝k·x_z

x_z＝x·cosα

利用归算质量模型计算单个碳滑板下的弓网接触分力：

F_a+F₁-F_k'-F_b＝ma_z

考虑滑板质量，受到竖直向下的重力和向上的抬升力，忽略空气动力的影响，得到竖直方向的受力情况：

F_a-F₁-F_k'＝ma_z

该位置的分力可以表示为F₁：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过多个三轴加速度传感器共同判断受电弓运动方向，计算受电弓的位移量；

S2、通过受电弓位移量计算受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角，并使用夹角计算受电弓竖直方向上的加速度分量；

S3、利用多个三轴加速度传感器共同确定弹簧弹力方向，并获得弹簧弹力在竖直方向的分量；

S4、根据受电弓竖直方向上的加速度分量、弹簧弹力在竖直方向的分量，通过归算质量模型对受电弓碳滑板建立模型，求解弓网接触力；

所述步骤S4中归算质量模型计算方法为：通过受电弓在运行过程中受到的向下的弹簧弹力、向上的抬升力和惯性力，建立模型为：

F_a+F₁-F_k'-F_b＝ma_z

上式中，F₁表示弓网接触分力，F_a表示抬升力，为固定值，F_b表示惯性力，F_k'表示弹簧弹力在竖直方向的分量，a_z表示受电弓竖直方向上的加速度分量；

所述步骤S4具体为：

考虑碳滑板质量，受到向下的弹簧弹力和向上的抬升力，忽略惯性力的影响，得到竖直方向的受力情况，具体为：

F_a+F₁-F_k'＝ma_z

此时弓网接触分力可以表示为F₁：

上式中，F_a表示抬升力，k表示弹性系数，α表示受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角，a表示受电弓运动过程中三轴加速度传感器测量的加速度值，t表示时间，m表示质量；

受电弓上安装四个三轴加速度传感器，两块碳滑板两边各一个三轴加速度传感器，用于判断受电弓倾斜状态，另一块碳滑板受到的弓网接触力计算方式与上述方法相同，总弓网接触力通过两者叠加得出。

2.根据权利要求1所述的基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：通过多个三轴加速度传感器共同确定受电弓倾斜方向，比较同一碳滑板下左右两边三轴加速度传感器测量得到的倾斜位置的加速度值，并利用加速度值计算受电弓的位移量x：

上式中，a表示受电弓运动过程中三轴加速度传感器测量的加速度值，t表示时间。

3.根据权利要求2所述的基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，其特征在于，所述步骤S2中的受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角α计算方式为：

上式中，L表示受电弓碳滑板长度，x表示受电弓位移量。

4.根据权利要求3所述的基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，其特征在于，所述步骤S2中的受电弓竖直方向上的加速度分量a_z计算方式为：

a_z＝a·cosα

上式中，α表示受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角，a表示受电弓运动过程中三轴加速度传感器测量的加速度值。

5.根据权利要求4所述的基于三轴加速度的弓网接触力分析方法，其特征在于，所述步骤S3中弹簧弹力在竖直方向的分量的计算方法为：

所述弹簧弹力在竖直方向的分量F_k'计算公式为：

F_k'＝F_k·cosα＝k·x_z

上式中，F_k表示受电弓方向受到的弹簧弹力，k表示弹性系数，α表示受电弓静止状态下和运动过程中倾斜所形成的夹角，x_z为弹簧弹力在竖直方向的位移量；

弹簧弹力在竖直方向的位移量x_z的计算公式为：

x_z＝x·cosα

上式中，x表示受电弓位移量。