受电弓动态检测系统技术原理及应用分析

受电弓动态检测系统技术原理及应用分析

摘要：机车受电弓是电气化铁路电力从接触网上受取电流的装置，受电弓在线

路上运行状态的好坏直接影响到列车的安全运行，其故障甚至可能造成运输中断。随着高速铁路的飞速发展，对受电弓的可靠运行提出了更高的要求，实现机车对

受电弓的动态实时检测具有重大意义。

关键词：受电弓；动态检测系统；技术原理；应用

1受电弓动态检测系统的原理

1.1受电弓磨耗及中心线检测单元的原理

1．1．1受电弓滑板磨耗检测

受电弓滑板磨耗的动态非接触式图像测量技术以200万像素CCD逐行扫描模

拟工业数字摄像机为硬件基础，4台CCD磨耗相机以设计角度布置于检测区域的

四角，当受电弓处于检测区域时，各磨耗相机对受电弓进行拍摄。为提高检测精度，每侧两台相机分别拍摄滑板的一半，所拍照片由PCI－X总线兼容视觉采集卡采集并上传至检测主机做分析处理。主机处理时先对接收的照片进行拼接，这样

4台相机所拍照片的拼接结果便包含了受电弓滑板的全貌。检测主机的分析程序

依据受电弓滑板照片进行扫描分析，拟合受电弓滑板的上下边际线和接触网边际线，进而生成3条定位曲线，其中由受电弓滑板上下边际线拟合成的两条曲线便

包含了滑板厚度和磨耗情况等信息。再经过模拟—数字程序的转换，将曲线信息

转换成反映曲线各点相对位置的数字信息并由系统筛选出滑板最厚处和最薄处的

点位。运算这些点位的数字信息得出滑板磨耗情况，生成反映滑板磨耗情况的理

论曲线并着重提示最大及最小磨耗值。

1．1．2中心线偏移检测

中心线偏移动态非接触式图像检测技术以百万级CCD工业数字相机为硬件基础。两台CCD中心线相机以设计角度分置于检测区两侧，当受电弓处于监测区域

时两台中心线相机分别拍摄对侧受电弓羊角部位，所拍照片经由PCI－X总线兼容视觉采集卡采集上传至检测主机。检测主机对照片做扫描分析定位受电弓羊角的

最外侧点，并将照片上该点的模拟位置信息做模拟—数字转换，得到反映该点空

间位置的数字信息。将此数字信息与预存的标准位置信息进行比对，计算得到实

测点相对于标准点的偏移方向及偏移量。因为受电弓是一个整体所以其羊角最外

侧点偏离标准位置的偏移量即为受电弓中心相对于轨道中心的偏移量。

1.2接触压力检测单元的原理

正常情况下，受电弓与接触网的接触压力在一定范围内波动，其波动规律满

足正态分布。压力如果太小会增加离线率造成拉弧，如果太大会使滑板与接触网

间产生过大的机械摩擦。受电弓接触压力检测单元采用“传感器检测法”。由压力

检测装置建立力传递系统，通过力传递机构（等臂杠杆）将受电弓与接触网的工

作压力传递到检测端位的拉力传感器。测量出传感器的输出值再进行相应补偿得

到对应的接触压力值。具体过程为：待检受电弓进入检测区域后受电弓滑板对检

测区段接触网有一个向上的作用力F1，并使接触网产生一小段向上的位移，力F1经由等力臂传递机构（等臂杠杆）传递到尾部机构转换成向下的力F2并带动拉

力传感器测量出F2的大小。由于杠杆两端力臂等长，所以测量值F2=实际值F1－阻力Ff，其中阻力Ff来自于系统固有结构，可在校准时确定并在系统实际应用时补偿测量值F2，从而实现高精度的弓网接触压力检测。

为避免接触网振动或动车组同时升多弓造成的压力干扰，保证压力检测单元

检测的准确性，在压力检测区段设置了扰动隔断装置。扰动隔断装置是以刚性绝

缘材料组成的两个三角形机构，分别用于固定检测区段接触网的两端。以此屏蔽

检测区段以外的干扰因素，保证传感器所测接触压力仅由待测受电弓产生。

2整备人工检测与系统动态检测的对比分析

2.1整备人工检测流程

整备人工检测受电弓的一般流程为：①待检机车调转至整备位，停车并降弓。

②隔离开关监护员净空车内人员并检查待检机车周边，确保分闸安全。③隔离

开关操作员分断接触网隔离开关。④地检司机上车升弓验电并确认接触网无电。⑤隔离开关监护员加挂接触网接地线。⑥机车登顶检测人员登顶。⑦受电弓检

测员用卡尺测量受电弓滑板中心点及左右各70mm处两点的滑板厚度。⑧将受

电弓升起，先用弹簧测力计向下拉动受电弓滑板至距车顶1．6m处维持平衡，记录测力计读数，后在（1．6±0．1）m范围内上下移动受电弓滑板并记录多个位

置测力计读数，计算均值。⑨车顶检测人员撤离，隔离开关监护员再次检查机车车内及周边保证合闸安全，撤除接地线。⑩隔离开关操作员闭合隔离开关恢复接触网供电，完成整备。

2.2系统动态检测流程

系统动态监测的一般流程为：①机车进入压力检测区触发“压力开始”光电开关。②检测程序发出压力采集指令，传感器开始压力采集。③机车驶出压力检

测区触发“压力结束”光电开关。④检测程序发出结束采集指令，传感器停止压力

采集。⑤压力程序读取数据经处理后输出结果至显示终端。⑥机车进入磨耗检

测区触发“磨耗开始”光电开关。⑦CCD相机采集受电弓滑板磨耗及中心线照片。

⑧机车驶出磨耗检测区触发“磨耗结束”光电开关。⑨采集卡采集滑板磨耗及中

心线照片并上传检测程序。⑩检测程序进行数据处理并输出结果至显示终端，完成检测。

2.3两种检测方式的对比分析

在数据测量方面，动态检测系统可在±0．5mm精度等级上测量受电弓滑板中

部1000mm范围内任意位置的滑板厚度，在±3mm精度等级上测量±400mm范围

内中心线偏移量；人工检测仅能测量受电弓滑板中心点及左右70mm处共3个点

的滑板厚度。在检测效率方面，动态监测系统无需停车，待测受电弓通过检测区

即可完成检测，以最佳速度10km/h通过时，检测时长小于20s；人工检测需经过繁琐的机车转线，分合隔离开关等步骤，正常检测时长大于30min。在劳动强度

及人身安全方面，动态检测系统工作于远程控制状态，检测现场无需职守，在远

程检测中心自动完成检测结果的显示、对比、记录；而人工检测需操作接触网隔

离开关和攀登机车车顶，既是高危又是高空作业，存在极大安全风险且劳动强度

较大。

结论

利用现代化检测设备，实现高精度、高效率的机车检测已成为全局乃至全路

机务系统的重要手段。依托检测数据不断完善机车数据库和机车状态跟踪体系，

同时各专业系统相互配合，实现数据共享，不断推进铁路云计算和大数据网络建设，也必将为“强基达标，提质增效”的铁路发展新目标提供有力支持。

参考文献：

［1］吴积钦．受电弓与接触网系统［M］．成都：西南交通大学出版社，2016．