基于加速度測量接觸網(wǎng)平順性研究

宋詩揚(yáng)

（中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081）

接觸線平順性是電力機(jī)車安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。隨著列車速度的提高，為了維持弓網(wǎng)之間有效的高速滑動(dòng)摩擦，除保持弓網(wǎng)之間一定的接觸力以外，還必須保證接觸線的高度平順性。否則，在受電弓滑板高速摩擦運(yùn)動(dòng)中，接觸線上的不平順點(diǎn)將嚴(yán)重?fù)p害受電弓滑板，甚至造成嚴(yán)重的弓網(wǎng)事故，影響高速鐵路的正常運(yùn)輸秩序。

對(duì)于接觸線平順性檢測，國外采用的主流科技包括意大利的受電弓檢測監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)采用了相機(jī)和激光技術(shù)，可以測量一系列參數(shù)，如受電弓的幾何參數(shù)、碳滑板的磨耗、接觸線的抬升以及受電弓圖像的采集等等。它的適應(yīng)檢測速度最高可以達(dá)到300 km/h，對(duì)于碳滑板磨耗測量的精度可以達(dá)到1 mm；瑞士的受電弓滑板監(jiān)測系統(tǒng)，采用高速2D 激光位移傳感器監(jiān)測受電弓滑板，受電弓通過時(shí)2 個(gè)2D 激光傳感器同時(shí)觸發(fā)，并對(duì)受電弓滑板進(jìn)行同步測量；德國的接觸式定位點(diǎn)抬升測量方案，其以線索連接于定位器定位線夾附近位置，另一側(cè)通過滑輪與支持裝置連接在一起。當(dāng)定位器產(chǎn)生垂直向上的位移時(shí)，線索另端連接的電位表即會(huì)有相應(yīng)的位移信號(hào)產(chǎn)生，由此實(shí)現(xiàn)抬升的測量。

國內(nèi)基于圖像技術(shù)的非接觸式接觸線抬升量測量系統(tǒng)，其采用高分辨率相機(jī)，利用非接觸式檢測方式，在不影響被檢測對(duì)象工作狀態(tài)下，可同時(shí)測量固定點(diǎn)抬升量值和抬升量隨時(shí)間變化的曲線。精準(zhǔn)測量瞬時(shí)速度和目標(biāo)段內(nèi)平均速度；結(jié)合弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)，亦能得出接觸線振動(dòng)彈性系數(shù)?，F(xiàn)行《受電弓滑板狀態(tài)監(jiān)測裝置（5C）暫行技術(shù)條件》制定5C 裝置各項(xiàng)技術(shù)相關(guān)要求，提高測量數(shù)據(jù)質(zhì)量［1］。其主要功能是自動(dòng)識(shí)別不同運(yùn)行速度受電弓通過狀態(tài)，確定拍攝時(shí)機(jī)并抓拍受電弓碳滑板區(qū)域技術(shù)狀態(tài)；通過獲取的高清圖像，分辨滑板殘缺、滑板裂縫、弓角磨損等異常狀態(tài)。可以采用有線或無線傳輸方式，在受電弓通過后將圖像推送到客戶端；通過B/S 架構(gòu)可找到引發(fā)故障位置，并進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場接觸網(wǎng)維修維護(hù)。

1 接觸線不平順分析

不平順是一種客觀存在的激擾，借鑒軌道的定義，不平順應(yīng)當(dāng)定義為結(jié)構(gòu)實(shí)際位置與正常位置（理想位置）的偏差，按照這個(gè)定義，首先應(yīng)考慮接觸網(wǎng)的理想位置，即剛度不均勻系數(shù)等應(yīng)當(dāng)不屬于不平順范疇，因?yàn)檫@是系統(tǒng)固有的特征，即便是理想狀態(tài)也存在。因此參考這一涵義，我們可將平順性定義為弓網(wǎng)運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，是描述弓網(wǎng)匹配、疲勞甚至損害的性能指標(biāo)，同時(shí)亦是描述弓網(wǎng)匹配的平順度。

接觸線的不平順時(shí)間效應(yīng)主要表現(xiàn)為時(shí)間維度的磨損，包括不平順帶來的機(jī)械磨損以及電流對(duì)接觸材料影響引起的電磨損，對(duì)于弓網(wǎng)來講二者復(fù)合作用。長期的接觸線不平順，容易惡化發(fā)展成為硬點(diǎn)，導(dǎo)致接觸線與滑板發(fā)生異常沖擊，進(jìn)而引發(fā)滑板擊打受損、接觸線線夾傾斜脫落等弓網(wǎng)事故，嚴(yán)重影響弓網(wǎng)運(yùn)行安全。

1.1 接觸線不平順論述

接觸線不平順的形成和發(fā)展是很多隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。這些因素包括：接觸線本身的平直度、施工高差、設(shè)計(jì)或安裝質(zhì)量集中點(diǎn)、彈性不均勻、弓網(wǎng)動(dòng)力作用，以及雨雪、大風(fēng)、氣溫等環(huán)境因素。多種因素的激勵(lì)和疊加，使得接觸線不平順在空間和時(shí)間上具有典型的隨機(jī)性。基于接觸網(wǎng)系統(tǒng)特殊的工程結(jié)構(gòu)，在受電弓高速滑動(dòng)激勵(lì)下，這種隨機(jī)性越發(fā)突出。在任意特定區(qū)段的接觸線不平順可看成隨機(jī)過程的一個(gè)樣本。這種隨機(jī)特性決定了對(duì)接觸線不平順的描述不能用明確的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，對(duì)于任意里程位置的接觸線不平順值是無法精確預(yù)計(jì)的，只能給出接觸線不平順值取值于某一區(qū)間的可能性或概率。同時(shí)由于弓網(wǎng)作用與速度的強(qiáng)相關(guān)性，不同速度等級(jí)下接觸網(wǎng)系統(tǒng)和受電弓作為系統(tǒng)和激勵(lì)均呈現(xiàn)。

接觸線不平順雖然具有典型的隨機(jī)性，但從統(tǒng)計(jì)的角度講又具有一定的規(guī)律性。國內(nèi)外普遍使用接觸線硬點(diǎn)最大值計(jì)算法則：當(dāng)垂向加速度的最大值大于規(guī)定速度下的門檻值，則判定該跨接觸網(wǎng)內(nèi)有硬點(diǎn)［2］?！陡咚俟W(wǎng)綜合檢測裝置（1C）暫行技術(shù)條件》中給出硬點(diǎn)的定義為“接觸線底面不平順或接觸線垂直彈性突變的點(diǎn)，接觸懸掛不均質(zhì)狀態(tài)的統(tǒng)稱”［3］。

然而，最大值計(jì)算法僅片面解讀不平順特征。實(shí)際運(yùn)行中受電弓滑板垂向加速度幅值有可能有多處大于門檻值；存在外界干擾情況時(shí)，亦可能造成受電弓垂直加速度增加。因此，還需要對(duì)接觸線硬點(diǎn)的其他特征進(jìn)行分析，硬點(diǎn)出現(xiàn)直至由硬點(diǎn)引起的受電弓滑板垂向振動(dòng)這一整個(gè)過程具有一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)特性，可以根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)接觸線垂向振動(dòng)的幅值、振動(dòng)過程的加速度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)特性，判斷是否真正存在硬點(diǎn)。另外，還可以引入能量的概念，借助弓網(wǎng)接觸力的測量數(shù)據(jù)，通過判斷硬點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)接觸壓力的變化情況，對(duì)硬點(diǎn)進(jìn)行輔助性判斷。

1.2 對(duì)弓網(wǎng)受流的影響

接觸網(wǎng)—受電弓受流系統(tǒng)的受流過程是受電弓在接觸網(wǎng)下，以機(jī)車速度運(yùn)動(dòng)完成的。弓網(wǎng)受流過程經(jīng)歷一系列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電氣狀態(tài)轉(zhuǎn)化：受電弓相對(duì)于接觸線的滑動(dòng)摩擦；同時(shí)，幾百安培的牽引電流要流過受電弓滑板和接觸線的接觸面，牽引電流發(fā)生劇烈變化；可能產(chǎn)生離線電弧等。當(dāng)接觸線出現(xiàn)不平順時(shí)，受流質(zhì)量也隨之下降，影響列車取流和正常運(yùn)行。

宏觀上，當(dāng)接觸線出現(xiàn)不平順時(shí)，接觸網(wǎng)局部質(zhì)量不均勻區(qū)域和硬彎會(huì)影響受電弓與接觸線的滑動(dòng)接觸，而平穩(wěn)和可靠的接觸是影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量的關(guān)鍵。另外，不良的滑動(dòng)接觸也會(huì)造成弓網(wǎng)離線，所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)會(huì)影響整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的性能以及周邊的通信信號(hào)設(shè)備。

微觀上，接觸線的不平順會(huì)使受電弓通過時(shí)受到垂向的振動(dòng)或沖擊，損壞弓頭處的滑板。這樣不僅影響了受電弓滑板的使用壽命，也會(huì)降低受流質(zhì)量。這是因?yàn)椋阂皇钦袷幠p后影響了滑板與接觸線之間的接觸面積，改變了接觸表面的阻抗值，降低了電流的傳導(dǎo)質(zhì)量；二是弓網(wǎng)離線時(shí)造成的火花或電弧在高溫的作用下對(duì)碳滑板的表面發(fā)生化學(xué)腐蝕，影響其材料性能及壽命。

1.3 采用加速度測量接觸線不平順方法

當(dāng)接觸線上有硬彎或質(zhì)量集中點(diǎn)時(shí)，對(duì)高速滑動(dòng)的滑板造成沖擊振動(dòng)，這種振動(dòng)能夠分解為2個(gè)方向：水平方向和垂直方向。實(shí)際應(yīng)用中測量的是受電弓滑板受到的沖擊加速度值，一般采用垂直方向的加速度評(píng)價(jià)接觸線平順性。使用綜合檢測車，主要靠加裝于受電弓上的壓力傳感器及加速度傳感器完成。在收到刮弓報(bào)警信息后，檢測車對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行檢測，再由人工分析檢測得到波形檢測圖［4］。

加速度計(jì)是測量物體振動(dòng)最敏感的元件，對(duì)于接觸線短波不平順的檢測采用沖擊加速度的方法測量。當(dāng)受電弓滑板受到?jīng)_擊時(shí)，它可以準(zhǔn)確靈敏反應(yīng)，從而檢測接觸線硬彎。加速度計(jì)按照作用和原理有壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電容式傳感器等。目前主流應(yīng)用的K-Beam 型電容式傳感器，各軸由微小的慣性質(zhì)量體和一個(gè)位于2 塊極板之間的彎曲元件懸臂組成。當(dāng)質(zhì)量在加速度作用下發(fā)生改變時(shí)，極板間電容值會(huì)隨之變化。加速度計(jì)的信號(hào)調(diào)節(jié)器內(nèi)置交流激勵(lì)和同步振幅解調(diào)電路，可提供一個(gè)與作用的加速度成正比的模擬信號(hào)，再通過右側(cè)的放大器和低通濾波器，按電壓比例縮放輸出，與作用的加速度成正比。

傳感器安裝時(shí)，盡管其焊接鈦金屬外殼內(nèi)裝有傳感器元件和電子裝置，但由于傳感器裝有集成式絕緣插件，插入螺孔與傳感器底部的強(qiáng)陽極面板結(jié)合，自身又采用了完全氣體密封設(shè)計(jì)確保與地絕緣，測量的準(zhǔn)確性不受影響。實(shí)際安裝中，加速度計(jì)需考慮空間條件，一般裝于受電弓滑板和支架連接處。并使用對(duì)角線安裝方式［5］。

1.4 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測應(yīng)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流質(zhì)量以及接觸網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性進(jìn)行檢測。硬點(diǎn)（垂向加速度）值為受電弓滑板運(yùn)行中受到的沖擊加速度值，分析頻率較高。硬點(diǎn)和一跨內(nèi)接觸線高差應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定?！犊瓦\(yùn)共線鐵路工程竣工驗(yàn)收動(dòng)態(tài)檢測指導(dǎo)意見》給出具體指標(biāo)見表1［6］。

表1 接觸線平順性檢測標(biāo)準(zhǔn)

2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1 案例一

分析接觸線不平順時(shí)，列車速度是其最核心最重要的相關(guān)因素。我國高速鐵路從6 次大提速至今的試驗(yàn)以及科研經(jīng)驗(yàn)表明，接觸線不平順是制約弓網(wǎng)高速運(yùn)行的核心因素之一，速度越高，接觸線不平順對(duì)弓網(wǎng)的影響越明顯。在較低的速度時(shí)，硬點(diǎn)會(huì)造成弓網(wǎng)之間發(fā)生暫時(shí)性接觸不良；當(dāng)沖擊加速度較大時(shí)便會(huì)導(dǎo)致離線［7］。

某高鐵上行段在聯(lián)調(diào)聯(lián)試時(shí)運(yùn)行速度為366 km/h，在經(jīng)過接觸線不平順區(qū)域時(shí)定位器發(fā)生脫落，造成刮弓事故。檢測波形如圖1 所示，其中縱坐標(biāo)為受電弓滑板受到的垂向加速度硬點(diǎn)值，橫坐標(biāo)為列車運(yùn)行的時(shí)間，最高瞬時(shí)加速度值已達(dá)80g，參考管理標(biāo)準(zhǔn)，受電弓滑板垂向加速度值大于表1 中的門檻值。在強(qiáng)大的沖擊力作用下，接觸線不平順對(duì)受電弓造成了直觀的物理傷害。該典型局部接觸線不平順案例的判斷依據(jù)是除事故區(qū)域外其他區(qū)域的加速度值未見明顯異常。

圖1 案例一檢測波形圖

2.2 案例二

某線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中出現(xiàn)的無交叉線岔區(qū)域不平順導(dǎo)致了受電弓的正負(fù)加速度值均超過正常值范圍。不同于上一個(gè)案例，接觸線不平順時(shí)受電弓滑板同時(shí)受到正負(fù)兩向的垂直沖擊力。檢測波形如圖2 所示，該案例中接觸線硬點(diǎn)值強(qiáng)度存在很高的規(guī)律性，這表示接觸線不平順是連續(xù)的，而非局部不平順。盡管硬點(diǎn)強(qiáng)度值低于案例一，并且檢測時(shí)未對(duì)受電弓造成直接損害，但是由于連續(xù)不平順，造成接觸網(wǎng)與受電弓之間空氣溫度、間隙大小持續(xù)變化，對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)仍可造成不小的電磁損害。

圖2 案例二檢測波形圖

排除接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、一跨內(nèi)接觸線高差、吊弦高差、接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)因素后，可推斷該缺陷是接觸線張力不均造成的。判斷接觸懸掛結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)即接觸線彈性和其不均勻系數(shù)。接觸線彈性系數(shù)為式（1）：

式中：Tj為接觸線張力；Tc為承力索張力；l為跨距長度；k為常量。這說明η值宜低，接觸線和承力索張力值宜高［8］。

經(jīng)復(fù)核查實(shí)后，證實(shí)了問題確實(shí)為人工放線導(dǎo)致的接觸線張力不均，屬于施工質(zhì)量問題。

2.3 案例三

某線路正式開通首次檢測中，高速綜合檢測車共查出一級(jí)缺陷7處，二級(jí)缺陷37 處。缺陷位置全部集中于下行接觸網(wǎng)的7 個(gè)錨段內(nèi)。再次檢測情況完全相同。現(xiàn)場反饋的檢測數(shù)據(jù)見表2，檢測波形如圖3 所示。

圖3 案例三檢測波形圖

利用前面2 個(gè)案例的經(jīng)驗(yàn)分析，由檢測數(shù)據(jù)和檢測波形圖可見：

（1）連續(xù)硬點(diǎn)位置與接觸網(wǎng)錨段結(jié)構(gòu)特征吻合，缺陷全部集中于下行接觸網(wǎng)的7 個(gè)錨段內(nèi)。

（2）連續(xù)硬點(diǎn)全部出現(xiàn)于運(yùn)行速度180 km/h以上，低于180 km/h 區(qū)段均未出現(xiàn)；檢測數(shù)據(jù)和波形圖顯示連續(xù)硬點(diǎn)在曲線位置硬點(diǎn)值偏小、波形幅度較直線段變化小。

（3）已知?jiǎng)討B(tài)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)接觸力、一跨內(nèi)接觸線高差無缺陷。

（4）人工靜態(tài)測量接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、吊弦高差無超標(biāo)，現(xiàn)場檢查接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)良好無異常、設(shè)備安裝符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，排除接觸線不平順、幾何參數(shù)超標(biāo)、集中負(fù)荷、補(bǔ)償卡滯、設(shè)計(jì)不符、軌道狀態(tài)、電磁干擾、檢測設(shè)備等可能造成連續(xù)硬點(diǎn)因素。缺陷形成與接觸網(wǎng)力學(xué)結(jié)構(gòu)、檢測速度存在關(guān)聯(lián)，缺陷原因是由于錨段內(nèi)接觸線張力不均形成，缺陷根源是由線材材質(zhì)問題或未按標(biāo)準(zhǔn)放線施工造成。

了解缺陷的根源后，整治方法采用五輪直彎器對(duì)缺陷錨段進(jìn)行平推。整治后缺陷消失，檢測波形也恢復(fù)正常。

3 結(jié)論

理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的規(guī)律性表明基于加速度測量方法可以準(zhǔn)確測量識(shí)別接觸網(wǎng)的短波不平順。通過一段時(shí)間內(nèi)接觸線垂向振動(dòng)的幅值、標(biāo)準(zhǔn)差、振動(dòng)過程的加速度最大值等統(tǒng)計(jì)特性，判斷是否真正存在硬點(diǎn)。

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和案例分析均表明列車速度與接觸線不平順對(duì)弓網(wǎng)的影響呈正相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果分析表明異常的瞬時(shí)加速度值一般為局部硬點(diǎn)造成，而連續(xù)雙向的加速度值超過正常值范圍多為材料本身或施工質(zhì)量問題引發(fā)的接觸線張力不均導(dǎo)致。這一結(jié)論，可為現(xiàn)場問題診斷提供一定參考。