接触网几何参数测量仪检定台架的设计

刘建文，张文亮，李朝正，程绍澜，林宪旗

(1.济南蓝动激光技术有限公司，山东 济南 250101;2.山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014)

接触网是沿铁路线上空架设的为电力机车供电的特殊供电线路，担负着将牵引变电所获得的电能输送给电力机车的重要任务，接触网的质量和工作状态直接影响着电气化铁道的运输安全［1］。随着电气化铁路的提速以及高铁的规模化运营，接触网几何状态参数(特别是接触线高度和拉出值)对铁路运行安全的影响日益明显。近年来，激光技术开始广泛应用于接触网测量［2－5］。DJJ-8激光接触网检测仪［6］(铁路专用计量器具准入证书编号TJR030110-02-0058，以下简称“测量仪”)实现了接触线高度、拉出值等接触网关键几何参数的快速、准确和安全的测量。为了对该测量仪进行校准，本文设计了接触网几何参数测量仪检定台架(铁路专用计量器具准入证书编号TJR030111-01-0096，以下简称“检定台架”)。

1 工作原理

检定台架包括模拟接触线组件和模拟钢轨组件两部分(图1)。检定台架安装调试完毕后利用标准钢卷尺、镁铝平尺、数显游标卡尺以及重锤、鱼线等工具测量模拟接触线到模拟钢轨的垂直高度以及模拟接触线偏离模拟钢轨中心的距离得到模拟接触线高度和拉出值的实际标准值。将待检定的测量仪置于模拟钢轨上，由测量仪通过激光测距等方法得到模拟接触线高度和拉出值的测量示值，比较测量示值与实际标准值。当测量示值超出标准值误差允许范围时，调整测量仪的内部参数，完成对测量仪的校准。

2 设计方案

图1 检定台架结构示意图Fig.1 Structure illustration ofthe calibrating rack

接触网几何参数测量是对接触网结构参数的检测，主要与接触网和钢轨有关。测量仪工作时以钢轨上平面和钢轨内侧(即列车车轮和钢轨接触部分)为基准，置于两钢轨上面，瞄准接触线后，发射红色可见激光进行测量。根据测量仪的工作状态和工作环境，我们模拟设计了接触网几何参数测量仪检定台架，包括模拟接触线组件和模拟钢轨组件2部分。为减少环境温度变化的影响，检定台架的材料采用膨胀系数较小的碳钢和铸铁，检定室的温度要求为20±5℃，温度波动不大于0.5℃/h，相对湿度不大于80%。此外，在检测室内布置有防震沟，以排除外界震动的干扰，实现检定台架测量的准确性和稳定性。

2.1 模拟接触线组件的设计

模拟接触线采用支持装置和支柱与基础固定。支持装置通过碳钢材料的角铁联接而成，包括支撑架和连接板等(图2)，用以悬吊和支撑模拟接触线，将载荷传递给支柱。模拟接触线在支柱一侧连续分布。

接触线高度是指接触线到轨道顶面的垂直距离，最大值不超过6500mm，最小值不小于5330mm［7－8］。拉出值是指接触线在定位点对受电弓中心的偏移量［7－8］。在电气化线路上，为延长受电弓的使用寿命，接触线在线路的直线段一般布置成“之”字形，拉出值不大于400mm。检定台架模拟接触线高度的设计值为5200～6500mm，模拟接触线拉出值的设计范围为0～600mm，符合接触网的设计、施工以及测量仪的相关标准要求［7－10］。

图2 模拟接触线组件结构示意图Fig.2 Structure illustration of simulated contact wire components

2.2 模拟钢轨组件的设计

模拟钢轨组件(检定台)的结构如图3所示，平台采用铸铁材料。平台和连接座之间是钢性联接，调节旋钮和支撑座之间是柔性联接，通过调整调节旋钮使平台的纵向和横向处于水平状态。两模拟钢轨测量面间的距离(轨距)为1470mm。

3 测量不确定度的评定

依据测量仪器示值误差符合性评定的基本要求［11］，使用检定台架校准和检定测量仪前需要对检定台架的相关参数的测量不确定度进行评定。

3.1 接触线高度测量的不确定度评定［12］

3.1.1 测量方法

检定台架调整完毕后，将1级平尺放置在两模拟钢轨上，将10m标准钢卷尺挂在模拟接触线上并用5kg重锤拉直钢卷尺。利用分辨力为0.01 mm的数显游标卡尺测量钢卷尺零刻线与钩环内顶侧的距离、平尺高度以及模拟接触线的直径尺寸。钢卷尺稳定后读取平尺顶面对应的钢卷尺示值，重复测量3次。模拟接触线高度实际标准值由式(1)求出。

3.1.2 数学模型

其中，HS:模拟接触线高度标准值;¯H:模拟接触线高度3次测量的平均值;L0:钢卷尺零刻线与钩环内顶侧的距离;ΔLt:钢卷尺环境温度修正值;ΔL:钢卷尺修正值;d1:模拟接触线直径;H1:平尺高度。

3.1.3 分量标准不确定度评定

3.1.3.1 标准钢卷尺引入的标准不确定度u1的评定

(1)标准钢卷尺7000mm范围内的示值误差引入的标准不确定度u11的评定

标准钢卷尺精度为±(0.02+0.02L)，实际使用长度不大于7000mm，最大示值误差为±0.16 mm，假定服从均匀分布，则u11=0.0924 mm。

(2)标准钢卷尺读数引入的标准不确定度u12的评定

标准钢卷尺的分度值为1 mm，分辨力取分度值的1/4为0.25 mm，分辨力引入的最大可能误差为±0.125 mm，假定服从均匀分布，则 u12=0.0722 mm。

(3)标准钢卷尺受环境温度波动影响引入的标准不确定度u13的评定

检定台架工作时环境温度波动不大于0.5℃/h，标准钢卷尺工作长度按7000mm计算，假定服从均匀分布，则 u13=0.0233 mm。

图3 模拟钢轨组件结构示意图Fig.3 Structure illustration of simulated rail components

3.1.3.2 两模拟钢轨上表面的横向高差引入的标准不确定度u2的评定

横向高差不大于0.05 mm，由此引起的最大误差为±0.05 mm，假定服从均匀分布，则u2=0.0289 mm。

3.1.3.3 模拟接触线两端高差引入的标准不确定度u3的评定

模拟接触线两端高差不大于0.3 mm，测量模拟接触线高度时标准钢卷尺位于模拟接触线中间，由两端高差引入的最大误差为±0.15 mm，假定服从均匀分布，则u3=0.0866 mm。

3.1.3.4 游标卡尺引入的标准不确定度u4的评定

(1)游标卡尺最大允许误差引入的标准不确定度u41的评定

200mm游标卡尺的最大允许误差为±0.03 mm，假定服从均匀分布，则u41=0.0173 mm。

(2)游标卡尺分辨力引入的标准不确定度u42的评定

游标卡尺数字分辨力为0.01 mm，假定服从均匀分布，则u42=0.0029 mm。

3.1.4 合成不确定度的评定

3.1.5 扩展不确定度

U=k×uc=2×0.151=0.30mm (包含因子 k取2)。

1级精度的测量仪的接触线高度示值允许误差为±3.0mm［7－8］，检定台架的相应精度要求为1.0mm，则检定台架接触线高度的测量不确定度不应超过0.33 mm［11］，满足要求。

3.2 拉出值测量的不确定度评定［12］

3.2.1 测量方法

检定台架轨距和水平调整完毕后(轨距1470mm)，将钢直尺700mm刻度处作为拉出值“0”点，把线坠挂在模拟接触线上，线坠线沿模拟接触线一侧(靠近0拉出值侧)并贴近检定台架钢直尺边缘坠下，线坠稳定后读出线坠线对应的钢直尺读数，重复测量3次。模拟接触线拉出值实际标准值可由式(2)求出。

3.2.2 数学模型

其中，SS:模拟接触线拉出值标准值;¯S:钢直尺3次读数的平均值;S1:“0”拉出值对应的钢直尺读数值;d:模拟接触线直径。

3.2.3 分量标准不确定度评定

3.2.3.1 钢直尺最大允许误差引入的标准不确定度u1的评定

钢直尺的最大允许误差为±0.20mm，假定服从均匀分布，则u1=0.115 mm。

3.2.3.2 内径千分尺最大允许误差引入的标准不确定度u2的评定

内径千分尺测量轨距时，在1500mm测量范围内的最大允许误差为±0.027 mm，假定服从均匀分布，则 u2=0.0156 mm。

3.2.3.3 内径千分尺与检定台架线膨胀系数差引入的标准不确定度u3的评定

内径千分尺与检定台架线膨胀系数在±1×10－6℃－1范围内引入的不确定度假定服从均匀分布，其线膨胀系数差Δa在±2×10－6℃－1范围内服从三角分布，检定台架的工作温度为20±5℃，与标准温度20℃的温差不超过5℃，则u3=0.00612 mm。

3.2.3.4 线坠引入的标准不确定度u4的评定

由于线坠轻微的摆动造成定位的不准确，假定在最高位置模拟接触线时，线坠摆动±0.1 mm，假定服从均匀分布，则u4=0.058mm。

3.2.3.5 两模拟钢轨上表面的横向高差引入的标准不确定度u5的评定

横向高差最大允许值为±0.05 mm，模拟钢轨间距离为1610mm，则接触线高度为6500mm时引入的拉出值偏差约为±0.20mm，假定服从均匀分布，则u5=0.115 mm。

3.2.4 合成不确定度的评定

3.2.5 扩展不确定度

U=k×uc=2×0.13=0.26 mm (包含因子 k取2)。

测量仪的拉出值的示值允许误差为±5.0mm［7－8］，检定台架的相应精度要求为1.7 mm，则检定台架拉出值的测量不确定度不应超过0.57 mm［11］，满足要求。

4 应用举例

表1是检定台架第1、3和6根模拟接触线的接触线高度标准值的6次测量计算值以及DJJ-8激光接触网检测仪的3次测量示值。从表中可以看出，检定台架接触线高度的多次测量计算的标准值几乎没有变化，说明台架结构稳定性好，性能可靠。校准后的DJJ-8激光接触网检测仪3次重复测量示值的误差不大于0.3 mm，符合1级精度测量仪的示值允许误差的要求。

表1 检定台架模拟接触线高度标准值和DJJ-8激光接触网检测仪测量示值Table1 Standard values of the contact wire height of the calibrating rack and measurement values of DJJ-8 laser contact wire geometry measuring instrument

5 结论

本文设计制造的检定台架是国内首台套获得铁路专用计量器具准入证书的接触网测量仪检定装置，已在全国多个铁路计量机构安装使用每年检定、校验的检测仪达千余套。多年的实际应用证明，该检定台架操作简便、结构稳固、性能可靠。

该检定台架接触线高度和拉出值的精度满足对1级接触网几何参数测量仪的检定要求。检定台架的推广应用，使测量仪的定期检定和校准更加方便和及时，可有效保证接触网几何参数检测和维护工作的准确、可靠，从而保证了铁路运营的安全。然而，目前检定台架对安装的空间要求较高，在一定程度上限制了它的普及，设计一种更为方便、轻巧的检定台架是下一步的工作目标。

［1］张文亮.一种全数字化电气化铁路接触网检测仪的研发［D］.济南:山东大学，2009.

［2］刘月苏，刘真梅，文骁阳，等.激光接触网检测仪的研究［J］.电气化铁道，2002(2):29－30.

［3］彭朝勇.便携式接触网导线几何参数检测系统［D］.成都:西南交通大学，2005.

［4］韩丙虎.新型激光接触网全参数检测仪的研制［J］.铁道技术监督，2007，35(12):29－30.

［5］张子扬，周洪，吴昌博，等.牵引供电接触网激光测距系统的开发［J］.微计算机信息，2009(22):59－61.

［6］王道睿，李朝正，张文亮，等.全数字化电气化铁路激光接触网参数检测仪:中国，CN201086645［P］.2008－07－16.

［7］TB/T 3227-2010，接触网几何参数测量仪［S］.

［8］JJG(铁道)150-2009，接触网几何参数测量仪检定规程［S］.

［9］TB10208-98，铁路电力牵引供电施工规范［S］.

［10］TB10009-2005，铁路电力牵引供电设计规范［S］.

［11］JJF1094-2002，测量仪器特性评定［S］.

［12］JJF1059-1999，测量不确定度评定与表示［S］.