基于加速度測量接觸網平順性研究

宋詩揚

（中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081）

接觸線平順性是電力機車安全、可靠運行的關鍵因素之一。隨著列車速度的提高，為了維持弓網之間有效的高速滑動摩擦，除保持弓網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動中，接觸線上的不平順點將嚴重損害受電弓滑板，甚至造成嚴重的弓網事故，影響高速鐵路的正常運輸秩序。

對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測系統，同時采用了相機和激光技術，可以測量一系列參數，如受電弓的幾何參數、碳滑板的磨耗、接觸線的抬升以及受電弓圖像的采集等等。它的適應檢測速度最高可以達到300 km/h，對于碳滑板磨耗測量的精度可以達到1 mm；瑞士的受電弓滑板監測系統，采用高速2D 激光位移傳感器監測受電弓滑板，受電弓通過時2 個2D 激光傳感器同時觸發，并對受電弓滑板進行同步測量；德國的接觸式定位點抬升測量方案，其以線索連接于定位器定位線夾附近位置，另一側通過滑輪與支持裝置連接在一起。當定位器產生垂直向上的位移時，線索另端連接的電位表即會有相應的位移信號產生，由此實現抬升的測量。

國內基于圖像技術的非接觸式接觸線抬升量測量系統，其采用高分辨率相機，利用非接觸式檢測方式，在不影響被檢測對象工作狀態下，可同時測量固定點抬升量值和抬升量隨時間變化的曲線。精準測量瞬時速度和目標段內平均速度；結合弓網接觸力數據，亦能得出接觸線振動彈性系數?，F行《受電弓滑板狀態監測裝置（5C）暫行技術條件》制定5C 裝置各項技術相關要求，提高測量數據質量［1］。其主要功能是自動識別不同運行速度受電弓通過狀態，確定拍攝時機并抓拍受電弓碳滑板區域技術狀態；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?？梢圆捎糜芯€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 架構可找到引發故障位置，并進一步指導現場接觸網維修維護。

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，不平順應當定義為結構實際位置與正常位置（理想位置）的偏差，按照這個定義，首先應考慮接觸網的理想位置，即剛度不均勻系數等應當不屬于不平順范疇，因為這是系統固有的特征，即便是理想狀態也存在。因此參考這一涵義，我們可將平順性定義為弓網運動過程中所產生的振動和沖擊，是描述弓網匹配、疲勞甚至損害的性能指標，同時亦是描述弓網匹配的平順度。

接觸線的不平順時間效應主要表現為時間維度的磨損，包括不平順帶來的機械磨損以及電流對接觸材料影響引起的電磨損，對于弓網來講二者復合作用。長期的接觸線不平順，容易惡化發展成為硬點，導致接觸線與滑板發生異常沖擊，進而引發滑板擊打受損、接觸線線夾傾斜脫落等弓網事故，嚴重影響弓網運行安全。

1.1 接觸線不平順論述

接觸線不平順的形成和發展是很多隨機性因素共同作用的結果。這些因素包括：接觸線本身的平直度、施工高差、設計或安裝質量集中點、彈性不均勻、弓網動力作用，以及雨雪、大風、氣溫等環境因素。多種因素的激勵和疊加，使得接觸線不平順在空間和時間上具有典型的隨機性?；诮佑|網系統特殊的工程結構，在受電弓高速滑動激勵下，這種隨機性越發突出。在任意特定區段的接觸線不平順可看成隨機過程的一個樣本。這種隨機特性決定了對接觸線不平順的描述不能用明確的數學公式表達，對于任意里程位置的接觸線不平順值是無法精確預計的，只能給出接觸線不平順值取值于某一區間的可能性或概率。同時由于弓網作用與速度的強相關性，不同速度等級下接觸網系統和受電弓作為系統和激勵均呈現。

接觸線不平順雖然具有典型的隨機性，但從統計的角度講又具有一定的規律性。國內外普遍使用接觸線硬點最大值計算法則：當垂向加速度的最大值大于規定速度下的門檻值，則判定該跨接觸網內有硬點［2］?！陡咚俟W綜合檢測裝置（1C）暫行技術條件》中給出硬點的定義為“接觸線底面不平順或接觸線垂直彈性突變的點，接觸懸掛不均質狀態的統稱”［3］。

然而，最大值計算法僅片面解讀不平順特征。實際運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，亦可能造成受電弓垂直加速度增加。因此，還需要對接觸線硬點的其他特征進行分析，硬點出現直至由硬點引起的受電弓滑板垂向振動這一整個過程具有一定的統計學特性，可以根據一段時間內接觸線垂向振動的幅值、振動過程的加速度平均值、標準差等統計特性，判斷是否真正存在硬點。另外，還可以引入能量的概念，借助弓網接觸力的測量數據，通過判斷硬點產生時接觸壓力的變化情況，對硬點進行輔助性判斷。

1.2 對弓網受流的影響

接觸網—受電弓受流系統的受流過程是受電弓在接觸網下，以機車速度運動完成的。弓網受流過程經歷一系列的機械運動與電氣狀態轉化：受電弓相對于接觸線的滑動摩擦；同時，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，牽引電流發生劇烈變化；可能產生離線電弧等。當接觸線出現不平順時，受流質量也隨之下降，影響列車取流和正常運行。

宏觀上，當接觸線出現不平順時，接觸網局部質量不均勻區域和硬彎會影響受電弓與接觸線的滑動接觸，而平穩和可靠的接觸是影響弓網受流質量的關鍵。另外，不良的滑動接觸也會造成弓網離線，所產生的電磁效應會影響整個牽引供電系統的性能以及周邊的通信信號設備。

微觀上，接觸線的不平順會使受電弓通過時受到垂向的振動或沖擊，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，也會降低受流質量。這是因為：一是振蕩磨損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，降低了電流的傳導質量；二是弓網離線時造成的火花或電弧在高溫的作用下對碳滑板的表面發生化學腐蝕，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

當接觸線上有硬彎或質量集中點時，對高速滑動的滑板造成沖擊振動，這種振動能夠分解為2個方向：水平方向和垂直方向。實際應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價接觸線平順性。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。在收到刮弓報警信息后，檢測車對相關區域進行檢測，再由人工分析檢測得到波形檢測圖［4］。

加速度計是測量物體振動最敏感的元件，對于接觸線短波不平順的檢測采用沖擊加速度的方法測量。當受電弓滑板受到沖擊時，它可以準確靈敏反應，從而檢測接觸線硬彎。加速度計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。目前主流應用的K-Beam 型電容式傳感器，各軸由微小的慣性質量體和一個位于2 塊極板之間的彎曲元件懸臂組成。當質量在加速度作用下發生改變時，極板間電容值會隨之變化。加速度計的信號調節器內置交流激勵和同步振幅解調電路，可提供一個與作用的加速度成正比的模擬信號，再通過右側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，盡管其焊接鈦金屬外殼內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陽極面板結合，自身又采用了完全氣體密封設計確保與地絕緣，測量的準確性不受影響。實際安裝中，加速度計需考慮空間條件，一般裝于受電弓滑板和支架連接處。并使用對角線安裝方式［5］。

1.4 評估標準

接觸網動態檢測應對弓網動態受流質量以及接觸網運行的安全性、可靠性進行檢測。硬點（垂向加速度）值為受電弓滑板運行中受到的沖擊加速度值，分析頻率較高。硬點和一跨內接觸線高差應符合標準規定?！犊瓦\共線鐵路工程竣工驗收動態檢測指導意見》給出具體指標見表1［6］。

表1 接觸線平順性檢測標準

2 試驗與數據分析

2.1 案例一

分析接觸線不平順時，列車速度是其最核心最重要的相關因素。我國高速鐵路從6 次大提速至今的試驗以及科研經驗表明，接觸線不平順是制約弓網高速運行的核心因素之一，速度越高，接觸線不平順對弓網的影響越明顯。在較低的速度時，硬點會造成弓網之間發生暫時性接觸不良；當沖擊加速度較大時便會導致離線［7］。

某高鐵上行段在聯調聯試時運行速度為366 km/h，在經過接觸線不平順區域時定位器發生脫落，造成刮弓事故。檢測波形如圖1 所示，其中縱坐標為受電弓滑板受到的垂向加速度硬點值，橫坐標為列車運行的時間，最高瞬時加速度值已達80g，參考管理標準，受電弓滑板垂向加速度值大于表1 中的門檻值。在強大的沖擊力作用下，接觸線不平順對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是除事故區域外其他區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

某線路聯調聯試過程中出現的無交叉線岔區域不平順導致了受電弓的正負加速度值均超過正常值范圍。不同于上一個案例，接觸線不平順時受電弓滑板同時受到正負兩向的垂直沖擊力。檢測波形如圖2 所示，該案例中接觸線硬點值強度存在很高的規律性，這表示接觸線不平順是連續的，而非局部不平順。盡管硬點強度值低于案例一，并且檢測時未對受電弓造成直接損害，但是由于連續不平順，造成接觸網與受電弓之間空氣溫度、間隙大小持續變化，對弓網系統仍可造成不小的電磁損害。

圖2 案例二檢測波形圖

排除接觸網幾何參數、一跨內接觸線高差、吊弦高差、接觸網設備狀態因素后，可推斷該缺陷是接觸線張力不均造成的。判斷接觸懸掛結構的一個關鍵參數即接觸線彈性和其不均勻系數。接觸線彈性系數為式（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］。

經復核查實后，證實了問題確實為人工放線導致的接觸線張力不均，屬于施工質量問題。

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缺陷7處，二級缺陷37 處。缺陷位置全部集中于下行接觸網的7 個錨段內。再次檢測情況完全相同?，F場反饋的檢測數據見表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 個案例的經驗分析，由檢測數據和檢測波形圖可見：

（1）連續硬點位置與接觸網錨段結構特征吻合，缺陷全部集中于下行接觸網的7 個錨段內。

（2）連續硬點全部出現于運行速度180 km/h以上，低于180 km/h 區段均未出現；檢測數據和波形圖顯示連續硬點在曲線位置硬點值偏小、波形幅度較直線段變化小。

（3）已知動態接觸網幾何參數、弓網接觸力、一跨內接觸線高差無缺陷。

（4）人工靜態測量接觸網幾何參數、吊弦高差無超標，現場檢查接觸網設備狀態良好無異常、設備安裝符合設計標準。

綜上所述，排除接觸線不平順、幾何參數超標、集中負荷、補償卡滯、設計不符、軌道狀態、電磁干擾、檢測設備等可能造成連續硬點因素。缺陷形成與接觸網力學結構、檢測速度存在關聯，缺陷原因是由于錨段內接觸線張力不均形成，缺陷根源是由線材材質問題或未按標準放線施工造成。

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

3 結論

理論分析和試驗數據統計學中的規律性表明基于加速度測量方法可以準確測量識別接觸網的短波不平順。通過一段時間內接觸線垂向振動的幅值、標準差、振動過程的加速度最大值等統計特性，判斷是否真正存在硬點。

評估標準和案例分析均表明列車速度與接觸線不平順對弓網的影響呈正相關關系。試驗結果分析表明異常的瞬時加速度值一般為局部硬點造成，而連續雙向的加速度值超過正常值范圍多為材料本身或施工質量問題引發的接觸線張力不均導致。這一結論，可為現場問題診斷提供一定參考。