接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)與弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能控制策略研究

官 琪，王 健

0 引言

隨著電氣化鐵道運(yùn)營(yíng)范圍不斷擴(kuò)大和列車(chē)速度不斷提高，對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量、接觸網(wǎng)可靠性的要求越來(lái)越高。在日益繁忙不斷提速的鐵路上為滿(mǎn)足這種要求，除增加接觸網(wǎng)零部件的使用壽命、提高設(shè)備管理水平外，還要求檢修模式由盲目的“周期修”，向數(shù)據(jù)控制化的“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變。作為其中最主要的檢修模式，接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)也將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)工作的目的是通過(guò)周期的、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)運(yùn)行線(xiàn)路中接觸網(wǎng)存在的設(shè)備缺陷，并通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析接觸網(wǎng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況和接觸線(xiàn)與受電弓的動(dòng)態(tài)偶合關(guān)系，作為提供給相關(guān)供電部門(mén)進(jìn)行維修、改進(jìn)設(shè)備的依據(jù)[1]。同時(shí)也為國(guó)內(nèi)高速鐵路的發(fā)展、研究積累現(xiàn)場(chǎng)資料。為此，需要依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備基礎(chǔ)信息對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行深入分析，最終制定檢修措施。

1 接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)研究

1.1 接觸網(wǎng)檢測(cè)參數(shù)的選擇及測(cè)量方法

（1）檢測(cè)參數(shù)選擇。弓網(wǎng)系統(tǒng)的最核心要求是運(yùn)行可靠性、接觸質(zhì)量和運(yùn)行壽命[2]。運(yùn)行可靠性主要由空間幾何相互位置決定，需要檢測(cè)的參數(shù)包括拉出值、導(dǎo)高、多支接觸線(xiàn)相對(duì)位置、定位器坡度、接觸線(xiàn)坡度等。接觸質(zhì)量主要是弓網(wǎng)間的動(dòng)態(tài)作用，需要檢測(cè)的參數(shù)包括弓網(wǎng)接觸力、燃弧、定位點(diǎn)抬升量等。運(yùn)行壽命由接觸線(xiàn)載流量和自身材料決定，需檢測(cè)的參數(shù)有接觸線(xiàn)溫度和磨耗等。

（2）主要檢測(cè)參數(shù)的測(cè)量方法。

a.接觸線(xiàn)幾何位置檢測(cè)。接觸線(xiàn)幾何位置檢測(cè)主要包括對(duì)接觸線(xiàn)高度和拉出值的檢測(cè)。檢測(cè)方法分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。接觸式檢測(cè)雖然不受氣象條件干擾，但存在測(cè)量精度不高、只能測(cè)量工作支接觸線(xiàn)、影響受電弓特性及安全性不好等缺點(diǎn)。所以目前接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)主要通過(guò)激光掃描法或機(jī)器視覺(jué)法對(duì)接觸線(xiàn)幾何位置進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，這種檢測(cè)方式可以克服接觸式檢測(cè)的缺點(diǎn)。

激光掃描法原理如圖1 所示。安裝在檢測(cè)車(chē)頂部的激光雷達(dá)裝置發(fā)出激光，當(dāng)遇到接觸線(xiàn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，再對(duì)激光進(jìn)行接收?？梢垣@取從發(fā)射激光到接收到激光的時(shí)間，根據(jù)已知光速就可以計(jì)算出接觸線(xiàn)到激光雷達(dá)裝置的直線(xiàn)距離l 及該直線(xiàn)與檢測(cè)車(chē)頂面的夾角α。又已知車(chē)頂距離軌道平面的高度h0，則拉出值a = lcosα，接觸線(xiàn)h = h0+ lsinα。

圖1 激光掃描法原理圖

機(jī)器視覺(jué)法原理如圖2 所示。在激光線(xiàn)所在線(xiàn)路斷面上非工作支接觸線(xiàn)底面中心在圖像上的像素坐標(biāo)和工作支底面中心坐標(biāo)，假設(shè)已知該位置上的工作支和非工作支精確的拉出值和導(dǎo)高，則可將像素坐標(biāo)換算成實(shí)際空間坐標(biāo)，進(jìn)而得到工作支接觸線(xiàn)和非工作支接觸線(xiàn)的空間相對(duì)位置。

圖2 機(jī)器視覺(jué)法圖

b.接觸壓力的檢測(cè)。工作狀態(tài)下的受電弓和接觸線(xiàn)可以看做一個(gè)整體，它們的良好接觸和相互作用才能保證電力機(jī)車(chē)從接觸網(wǎng)獲取牽引電能。高速接觸網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的弓網(wǎng)接觸壓力是電力機(jī)車(chē)保障良好取流和安全運(yùn)行的關(guān)鍵。如果接觸壓力過(guò)大，會(huì)使受電弓和接觸線(xiàn)之間的磨損加劇，縮短使用壽命。如果接觸壓力過(guò)小，又容易發(fā)生離線(xiàn)，造成受流不連續(xù)，甚至出現(xiàn)火花或拉弧現(xiàn)象，導(dǎo)致受電弓和接觸線(xiàn)燒損。因此，定期檢測(cè)接觸壓力是非常必要的。

在受電弓滑條下面，受電弓托架的上面加裝檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)弓線(xiàn)間接觸壓力的檢測(cè)?？紤]到接觸線(xiàn)在受電弓滑板上的不確定位置，一般是在其4個(gè)角上裝設(shè)4 個(gè)檢測(cè)裝置，如圖3 所示。

圖3 接觸壓力檢測(cè)原理圖

圖中的1、2、3、4 的數(shù)字，就是檢測(cè)裝置的安裝位置。在接觸線(xiàn)壓到滑條上以后，這4 個(gè)檢測(cè)裝置都會(huì)動(dòng)作，并感應(yīng)出相應(yīng)的量值。應(yīng)該說(shuō)，由于接觸線(xiàn)壓在滑條上的位置不同，4 個(gè)檢測(cè)裝置感應(yīng)出的量值是不同的。還有一個(gè)因素應(yīng)該考慮，就是滑條、滑板及弓頭自身的重量，也就是說(shuō)，即使在無(wú)接觸線(xiàn)壓在滑板上的時(shí)候，檢測(cè)裝置的起始輸出值也不為0。

c.接觸懸掛硬點(diǎn)的檢測(cè)。彈性均勻是衡量接觸懸掛質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，接觸懸掛的不均勻狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生硬點(diǎn)。在機(jī)車(chē)高速運(yùn)行過(guò)程中，接觸懸掛或接觸線(xiàn)上的結(jié)構(gòu)中所有力、位置、速度或加速度的異常變化都是硬點(diǎn)形成的原因。硬點(diǎn)本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)缺陷形成的物理現(xiàn)象，機(jī)車(chē)速度越快，表現(xiàn)越明顯。硬點(diǎn)的危害在于會(huì)加速受電弓和接觸線(xiàn)間的磨損和沖擊損傷，同時(shí)也會(huì)破壞良好受流。所以，加強(qiáng)接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的檢測(cè)對(duì)于保障電力機(jī)車(chē)安全運(yùn)行是非常重要的。

對(duì)于同樣的隱患點(diǎn)、故障點(diǎn)，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不同，所造成的后果及造成的危害也不同，運(yùn)行速度越高，產(chǎn)生的沖擊量值越大，損害也越大。至于加速度量值g 與運(yùn)行速度v 的關(guān)系，國(guó)內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行該方面的試驗(yàn)，沒(méi)有定論。但從理論分析可知，對(duì)于相同的硬點(diǎn)，其加速度量值與速度的增加成平方關(guān)系。目前對(duì)于接觸線(xiàn)硬點(diǎn)的檢測(cè)是采用在受電弓上安裝加速度傳感器，一般選用二維的，只檢測(cè)振動(dòng)和沖擊2 個(gè)參數(shù)。根據(jù)運(yùn)行速度不同，在硬點(diǎn)處所呈現(xiàn)的垂直加速度不同，傳感器可以檢測(cè)0～±200 g 的加速度值。

1.2 接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)組成

隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，對(duì)于接觸懸掛的要求也越來(lái)越高。為了保證運(yùn)營(yíng)和正確評(píng)價(jià)受流質(zhì)量，接觸網(wǎng)檢測(cè)內(nèi)容更加豐富。同時(shí)為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試手段也日臻完善。接觸網(wǎng)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理原理如圖4 所示。各種接觸網(wǎng)測(cè)量設(shè)備安裝在接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)上，檢測(cè)車(chē)以一定的運(yùn)行速度進(jìn)行接觸網(wǎng)參數(shù)的檢測(cè)。根據(jù)各種檢測(cè)項(xiàng)目的特點(diǎn)設(shè)計(jì)、研制或選擇與之相適應(yīng)的傳感器或傳感元件。再將各種機(jī)械量、物理量或開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換成與數(shù)據(jù)傳輸及計(jì)算機(jī)接口相匹配的電氣信號(hào)。

圖4 接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖

接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)隔離與傳遞系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄顯示及終端等。

接觸網(wǎng)檢測(cè)信號(hào)根據(jù)檢測(cè)的內(nèi)容和功能可以分為3 種：功能性檢測(cè)，包括空氣動(dòng)力、接觸壓力、受電弓鉛垂方向的最大振幅（沖擊）、受電弓運(yùn)行軌跡離線(xiàn)狀態(tài)等；狀態(tài)性檢測(cè)，包括接觸壓力、離線(xiàn)狀態(tài)、導(dǎo)線(xiàn)磨損、網(wǎng)壓狀態(tài)、接觸線(xiàn)高度、拉出值、線(xiàn)岔設(shè)置以及定位管坡度；工程性檢測(cè)，包括接觸線(xiàn)高度、拉出值、定位管坡度、懸掛硬點(diǎn)、導(dǎo)線(xiàn)接頭質(zhì)量以及線(xiàn)岔始觸區(qū)兩接觸線(xiàn)高度等。信號(hào)隔離與傳遞系統(tǒng)是檢測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的傳遞通道和紐帶。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要解決如何將信息數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)等采集到計(jì)算機(jī)中以便進(jìn)行變換和處理，數(shù)據(jù)采集的類(lèi)型包括數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量和模擬量。接口系統(tǒng)可以解決計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備連接并能按照相應(yīng)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的技術(shù)設(shè)備，包括如何選擇總線(xiàn)類(lèi)型、接口電路及相應(yīng)的接口程序。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行速度和處理內(nèi)容及處理精度要求，進(jìn)行多功能數(shù)據(jù)變換及處理的系統(tǒng)。最后由數(shù)據(jù)記錄和顯示系統(tǒng)將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理過(guò)的檢測(cè)結(jié)果顯示在接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視終端上，便于觀(guān)察受電弓和接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果及缺陷分析

2.1 參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)得到的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)結(jié)果如圖5 所示。該次檢測(cè)拉出值通過(guò)壓力計(jì)算和相機(jī)2 種方式獲得。導(dǎo)高通過(guò)相機(jī)和雷達(dá)進(jìn)行了檢測(cè)。另外，還對(duì)硬點(diǎn)和接觸壓力進(jìn)行了檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果分析程序可以進(jìn)行全自動(dòng)診斷，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并記錄接觸網(wǎng)的相關(guān)缺陷。重點(diǎn)記錄了拉出值缺陷、一跨內(nèi)接觸線(xiàn)的高差超過(guò)最大允許值、硬點(diǎn)等缺陷。

圖5 接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果圖

2.2 膠濟(jì)線(xiàn)缺陷趨勢(shì)分析

2013 年8 月通過(guò)接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)膠濟(jì)線(xiàn)接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)里程618 km，二級(jí)及以上（硬點(diǎn)三級(jí)）超標(biāo)缺陷共計(jì)157 處，每百公里25.41 處，其中拉出值超標(biāo)75 處，高差超標(biāo)73 處，硬點(diǎn)超標(biāo)9 處。近一年膠濟(jì)線(xiàn)檢測(cè)的高差、硬點(diǎn)及拉出值缺陷趨勢(shì)如圖6 所示。通過(guò)接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修的指導(dǎo)，線(xiàn)路缺陷總體呈下降趨勢(shì)，線(xiàn)路質(zhì)量逐漸得到提高[3]。

圖6 膠濟(jì)線(xiàn)接觸網(wǎng)缺陷趨勢(shì)圖

3 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能控制策略

3.1 與接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何參數(shù)的關(guān)系舉例

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能依賴(lài)于受電弓和接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案及大量的參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)方案一定時(shí)，高鐵接觸網(wǎng)的靜態(tài)幾何參數(shù)偏差必須保持在一定的限度內(nèi)。外力使接觸網(wǎng)產(chǎn)生受迫振動(dòng)。對(duì)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)，將接觸網(wǎng)的振動(dòng)控制在允許的范圍內(nèi)，并尋求最佳的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以便在相同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，使系統(tǒng)振動(dòng)最小。動(dòng)態(tài)性能是目標(biāo)，靜態(tài)幾何參數(shù)是根本。

中心錨結(jié)繩安裝不當(dāng)引起弓網(wǎng)接觸質(zhì)量出現(xiàn)變化如圖7 所示。在圖中左上中心錨結(jié)繩過(guò)緊時(shí)，通過(guò)接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)可以看出圖中左下顯示接觸線(xiàn)高度不連續(xù)；而在圖中右上中心錨結(jié)繩過(guò)松時(shí)，圖中右下顯示檢測(cè)到接觸壓力出現(xiàn)了異常極值。通過(guò)弓網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)可以看出2 種情況下弓網(wǎng)系統(tǒng)都產(chǎn)生了燃弧，影響了弓網(wǎng)受流質(zhì)量。

3.2 控制策略

（1）設(shè)計(jì)及施工過(guò)程的總體控制。對(duì)于新建線(xiàn)路，需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)與系統(tǒng)優(yōu)化，完善弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，完善弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)驗(yàn)收與評(píng)估手段。在施工階段，對(duì)接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何參數(shù)進(jìn)行精確控制，完善接觸網(wǎng)的施工測(cè)量與施工計(jì)算系統(tǒng)，完善接觸網(wǎng)靜態(tài)驗(yàn)收與評(píng)估手段。對(duì)接觸網(wǎng)零部件需精心設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與安裝，提升滿(mǎn)足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求的設(shè)備制造技術(shù)。

（2）運(yùn)營(yíng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)與治理。對(duì)于已開(kāi)通線(xiàn)路，需要對(duì)接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何參數(shù)的精確測(cè)量與精密調(diào)整，完善接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何參數(shù)檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)，具備接觸網(wǎng)靜態(tài)參數(shù)計(jì)算與調(diào)整能力，具備識(shí)別接觸網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的能力，建立受電弓動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)體系，對(duì)受電弓的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)并評(píng)估。

圖7 中心錨結(jié)繩安裝不當(dāng)引起弓網(wǎng)關(guān)系變化圖

4 結(jié)論

接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果表明，接觸線(xiàn)空間位置的不連續(xù)通常會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸壓力瞬間出現(xiàn)比較大的變化，而這種不連續(xù)不僅表現(xiàn)在接觸線(xiàn)的高度方向，也表現(xiàn)在相對(duì)弓頭中心線(xiàn)的偏移方向。在竣工接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)評(píng)估之前，通常采用非接觸式測(cè)量設(shè)備對(duì)接觸線(xiàn)的空間位置進(jìn)行檢查，以確保接觸線(xiàn)的空間位置符合設(shè)計(jì)要求。從滿(mǎn)足弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性和安全運(yùn)營(yíng)的角度來(lái)看，對(duì)于相關(guān)線(xiàn)路設(shè)計(jì)正確的接觸線(xiàn)空間位置起到十分重要的作用。如何在接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能控制對(duì)于維護(hù)良好的弓網(wǎng)關(guān)系保障機(jī)車(chē)高速運(yùn)行下的安全運(yùn)行是目前急需解決的問(wèn)題，也可以為接觸網(wǎng)“狀態(tài)修”的實(shí)現(xiàn)奠定良好基礎(chǔ)。

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