淺談電氣化鐵路接觸網(wǎng)線譜研究

劉志剛，韓志偉

0 引言

接觸線是電氣化高速鐵路供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)的主要元件。在列車運行時，受電弓通過與接觸線滑動接觸而取得電能傳送給電力機車，因此，弓網(wǎng)間的可靠接觸是電力機車良好受流的重要條件[1]。由于在列車運行中，接觸線、受電弓及線路形成了一個復雜的點面接觸受電系統(tǒng)，特別是隨著列車運行速度的提高，振幅加大，弓網(wǎng)之間的接觸狀態(tài)也越不穩(wěn)定，其帶來的直接后果：一是弓網(wǎng)接觸壓力忽大忽小從而加劇弓網(wǎng)磨耗或產(chǎn)生離線，影響受流質(zhì)量；二是接觸線動抬升量加大而使受電弓與接觸懸掛零部件發(fā)生碰撞，影響行車安全；三是加劇接觸線彎曲應力從而使其產(chǎn)生疲勞甚至斷裂，影響使用壽命[2～4]。目前，在各接觸網(wǎng)修管運過程中，對于接觸網(wǎng)性能的評價多為關鍵部位單點靜態(tài)測量，缺乏對接觸網(wǎng)整體動態(tài)性能的有效評價手段。對于高速鐵路接觸網(wǎng)，傳統(tǒng)的測量方法更是無法有效評價接觸網(wǎng)受流性能，不利于指導接觸網(wǎng)的養(yǎng)護工作。因此，怎樣劃分和衡量接觸線不平順狀態(tài)，一直是電氣化鐵路倍受關注的研究課題，也是目前電氣化高速鐵路亟需解決的主要問題之一。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外對弓網(wǎng)的檢測一般都是根據(jù)本國實際情況選擇合適的側(cè)重點進行。例如，德國把弓網(wǎng)間的接觸壓力作為檢測重點，而日本則突出檢測弓網(wǎng)離線和接觸網(wǎng)磨耗[5]。國內(nèi)弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)研究起步于20 世紀60 年代，主要使用接觸網(wǎng)檢測車對接觸網(wǎng)相關參數(shù)進行檢測[6]。通過弓網(wǎng)耦合模型分析接觸線和受電弓的相互影響。目前的弓網(wǎng)模型有非線性模型和線性模型[7～8]。在不平順定義方面，日本藤井保和嘗試建立了新干線波狀磨耗凹凸的功率譜并分析了磨耗產(chǎn)生的機理和對離線的影響[9]。國內(nèi)外對電氣化鐵路接觸網(wǎng)線譜的研究整體處于起步階段，而且研究對象一般為150 km/h 以下的電氣化鐵路，對高速鐵路接觸網(wǎng)線譜的研究基本上還是處于空白階段。隨著電氣化高速鐵路運行速度的提高，以及在國內(nèi)的迅猛發(fā)展，對于接觸線不平順性和弓線之間受流情況進行評估已經(jīng)越來越重要。

2 主要研究內(nèi)容

通過分析電氣化鐵路接觸網(wǎng)不平順的物理意義，利用數(shù)學工具進行大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，借助仿真模型驗證，研究接觸網(wǎng)線譜的構造方法，初步建立電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)線譜的理論應用體系，主要研究內(nèi)容有以下3 個方面。

（1）接觸線不平順性定義，劃分和影響因素分析。關于接觸線不平順性的解釋，目前還沒有明確的定義和衡量指標。剛性接觸網(wǎng)的不平順一般是指受電弓取流的接觸面沿匯流排延長與理論平順接觸面的偏差，但該概念是借鑒軌道譜的定義。在列車速度150 km/h 以下，剛性接觸網(wǎng)在無受電弓作用狀態(tài)下和有受電弓作用狀態(tài)下的不平順僅為周期性與隨機性的不平順。對于高速鐵路，尤其國內(nèi)客運專線普遍采用的彈性懸掛方式下的接觸線不平順性，應該考慮更多和更復雜的因素，包括對接觸線和受電弓的電氣參數(shù)、結構、材質(zhì)、幾何尺寸、物理性能、線路參數(shù)、環(huán)境因素等進行深入調(diào)查和分析。因此，可以從狹義和廣義2 方面定義彈性接觸線不平順。

狹義上來看，可類比于軌道譜和剛性接觸網(wǎng)定義方式，將接觸線不平順定義為接觸線表面實際幾何尺寸與理想尺寸之間的偏差。該定義集中于研究接觸線磨損、硬點、硬彎等對弓網(wǎng)振動及受流的影響，可以為接觸線自身物理狀態(tài)監(jiān)控提供手段；為接觸網(wǎng)狀態(tài)修提供依據(jù)。

從廣義上看，除了上述接觸線幾何因素外，其他諸如接觸線張力，彈性均勻性，接觸網(wǎng)結構，線材材質(zhì)等因素也會對弓網(wǎng)耦合和受流造成影響，其直接變現(xiàn)及最終影響就體現(xiàn)于接觸壓力的周期性隨機波動。因此，可將上述因素造成的接觸壓力實際值與理想受流值之間的偏差定義為廣義不平順。通過對廣義不平順的分析，可提取分析接觸網(wǎng)各種參數(shù)值變化情況，為接觸線全生命周期管理提供支持。

因此對接觸線不平順性定義、劃分和影響因素分析具體研究內(nèi)容包括：

a.影響接觸線不平順的各種因素，以及這些因素產(chǎn)生的結果，如各種波長的諧波或其他類型的非平穩(wěn)信號。

b.各種不同的軌道不平順性定義和其他接觸面不平順的定義。

c.電氣化鐵路接觸線本身的特性，包括接觸線懸掛方式、接觸線與受電弓的關系、接觸線的受電特性、接觸線的受力特性、線路設計參數(shù)等。

d.電氣化高速鐵路接觸線不平順性狀態(tài)的劃分等。

通過對電氣化鐵路接觸線因素及相互影響的研究，獲得對電氣化高速鐵路接觸線不平順性評價更好的科學根據(jù)。

（2）接觸網(wǎng)線譜函數(shù)構造?，F(xiàn)代信號處理領域中，譜的定義一般和信號的能量、頻率或瞬時頻率相關，經(jīng)常用于衡量信號隨頻率或瞬時頻率變化的統(tǒng)計特性，如：時頻譜、功率譜、參數(shù)譜、時變譜、進化譜、Hilbert 譜、沖擊譜、峭度譜、小波譜等。在鐵路領域的軌道譜中，功率譜密度函數(shù)是通過均方值的譜密度對隨機數(shù)據(jù)頻率結構的描述，是研究所有隨機信息如隨機振動等頻率或波長成分的統(tǒng)計含量、幅值變化規(guī)律等方面的統(tǒng)計函數(shù)，也是描述軌道不平順特征的最重要的統(tǒng)計函數(shù)。由于電氣化高速鐵路接觸線本身的特殊性，簡單地利用軌道譜的定義顯然是不合理的。需要重新對現(xiàn)代信號處理尤其是非平穩(wěn)信號處理領域中關于譜的本質(zhì)含義和相關理論進行深入研究，結合電氣化高速鐵路接觸線本身的特點，構造適合于實際應用的接觸網(wǎng)線譜函數(shù)。

對接觸網(wǎng)線譜函數(shù)構造具體研究內(nèi)容包括：

a.目前信號處理尤其是非平穩(wěn)信號處理中各種譜的定義和工程應用。

b.電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)的仿真建模。

c.電氣化高速鐵路接觸線各種不同類型實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性、統(tǒng)計估計、分布函數(shù)、頻譜、瞬時頻率、能量函數(shù)、諧波等方面。

d.不同譜函數(shù)適用于電氣化高速鐵路接觸線的可行性。

e.適合電氣化高速鐵路接觸線特點的譜函數(shù)構造。

f.通過大量實測數(shù)據(jù)和仿真模型數(shù)據(jù)的相互驗證，對接觸網(wǎng)線譜函數(shù)改進和完善等。

（3）接觸網(wǎng)線譜的應用研究。目前，電氣化鐵路接觸線不平順分布還沒有明確的評價和衡量方法，因此，電氣化鐵道接觸網(wǎng)線譜函數(shù)構造研究的目的是用來評價和衡量接觸線的不平順性。通過深入研究和分析電氣化高速鐵路接觸線的不平順性，進一步研究和獲得與電氣化鐵路接觸網(wǎng)密切相關的重要性能和關系。

對接觸網(wǎng)線譜的應用研究具體內(nèi)容包括：

a.接觸網(wǎng)線譜與接觸線不平順分布的關系。

b.受電弓和接觸網(wǎng)的動力學性能與接觸網(wǎng)線譜間的關系。

c.接觸網(wǎng)線譜與早期波浪形磨耗的內(nèi)在聯(lián)系以及高速鐵路受電弓結構與噪聲的關系。

d.波長成份和譜密度的異常變化與接觸線病害的關系。

e.接觸網(wǎng)線譜與弓網(wǎng)受流質(zhì)量的關系等。

3 研究軌道譜的意義

建立一套電氣化鐵路接觸網(wǎng)線譜理論及應用體系，對于國內(nèi)鐵路接觸網(wǎng)的安全運行和有效評價將提供重要的支持，主要體現(xiàn)如下：

（1）可利用電氣化鐵路接觸網(wǎng)線譜分析發(fā)現(xiàn)早期出現(xiàn)的肉眼尚難辨識的波浪形磨耗，識別波形磨耗的波長和嚴重程度，還可以通過波長成份和譜密度的異常變化來分析接觸線的病害。

（2）可以對電氣化鐵道選擇的接觸懸掛設計參數(shù)和適配的受電弓類型與參數(shù)進行有效驗證。

（3）在已知線路條件、運行速度及接觸網(wǎng)與受電弓技術參數(shù)的情況下，可以有效評價該接觸網(wǎng)、受電弓的受流性能。

（4）設定一定的電氣化鐵道線路懸掛條件，一定的運行速度，可以優(yōu)化接觸線的技術參數(shù)，對實際線路的接觸網(wǎng)進行優(yōu)化設計。

（5）根據(jù)給定的電氣化高速列車運行速度和接觸網(wǎng)的懸掛類型，可以優(yōu)化受電弓的結構及其技術參數(shù)。

（6）根據(jù)既有電氣化線路條件，可以研究提速的可能性、可行性及對既有接觸懸掛應采取的技術改造與改進措施。

（7）指導電氣化鐵道接觸網(wǎng)的運營維護工作。

因此，研究接觸線不平順狀態(tài)及其對弓網(wǎng)受流的影響，對高速電氣化鐵路的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

4 結束語

國內(nèi)外對于軌道譜、路面譜的研究很多而且比較成熟，國外學者已給出了歐美鐵路的軌道譜擬合公式。國內(nèi)學者通過對國內(nèi)主要干線鐵路大量軌道不平順檢測數(shù)據(jù)的分析和計算，提出了國內(nèi)軌道譜（如分級形式的軌道譜）的計算公式和算法，并進行了軌道譜的應用研究。因此，可以充分借鑒軌道譜和路面譜的思路，利用非平穩(wěn)信號處理領域中有關譜的理論，結合國內(nèi)高速鐵路接觸網(wǎng)的實際情況，參考借鑒軌道不平順性模型的分析方法和處理手段，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和仿真建模，提出適應國內(nèi)安全規(guī)范的電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)線譜模型。

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