弓網(wǎng)接觸力缺陷特征與診斷研究

楊志鵬

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弓網(wǎng)接觸力缺陷特征與診斷研究

楊志鵬

介紹了弓網(wǎng)接觸力測(cè)量方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析了4種典型弓網(wǎng)接觸力缺陷的形態(tài)、頻次、波長(zhǎng)3個(gè)特征。通過(guò)選擇和構(gòu)建4種小波，采用小波相似性系數(shù)進(jìn)行缺陷診斷，可有效診斷產(chǎn)生弓網(wǎng)接觸力缺陷的原因，為接觸網(wǎng)維護(hù)提供參考依據(jù)。

弓網(wǎng)接觸力；波長(zhǎng)譜特征；小波

0 引言

弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)接觸力、硬點(diǎn)、燃弧等參數(shù)，與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，以評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流性能并指導(dǎo)接觸網(wǎng)維護(hù)作業(yè)。

弓網(wǎng)接觸力是受電弓與接觸線之間相互接觸而產(chǎn)生的作用力，是綜合反映弓網(wǎng)受流性能的指標(biāo)，可反映接觸網(wǎng)和受電弓機(jī)械振蕩系統(tǒng)的質(zhì)量、彈性系數(shù)、衰減系數(shù)和自然頻率[1]，是弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)重要的檢測(cè)項(xiàng)目。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

弓網(wǎng)接觸力作為評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)已在檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]介紹了弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)采用的傳感器、信號(hào)濾波、數(shù)據(jù)采集等關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[3]介紹了高速綜合檢測(cè)列車(chē)的弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)整體方案，詳細(xì)分析了測(cè)量原理、傳感器的技術(shù)指標(biāo)、數(shù)據(jù)集成處理與分析方法；文獻(xiàn)[4]采用數(shù)學(xué)建模仿真的方法，分析了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)布置差異對(duì)弓網(wǎng)接觸力的影響；文獻(xiàn)[5]結(jié)合線路、接觸網(wǎng)實(shí)際情況，分析了弓網(wǎng)接觸力缺陷產(chǎn)生的原因，并提出了接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

日本鐵道綜合技術(shù)研究所分析了弓網(wǎng)接觸力與錨段關(guān)節(jié)不平順之間的關(guān)系[6]；意大利研究團(tuán)隊(duì)分析了弓網(wǎng)接觸力與燃弧參數(shù)的對(duì)應(yīng)性及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)生的影響[7]。

上述國(guó)內(nèi)外研究分析中缺少針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具體問(wèn)題的分析，因此需要深入研究弓網(wǎng)接觸力缺陷特征并進(jìn)行有針對(duì)性的分析診斷。

2 弓網(wǎng)接觸力測(cè)量方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

接觸線與受電弓之間的相互作用力為弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力，有

=Szi+s×z+aero（1）

式中，zi為受電弓滑板支撐點(diǎn)所測(cè)得的壓力，各點(diǎn)壓力和為測(cè)量的合力，N；s為附帶傳感器的弓頭歸算質(zhì)量，kg；z為滑板的垂向加速度，m/s2；s×z為附帶傳感器的弓頭慣性力，N；aero為空氣補(bǔ)償動(dòng)力，N，與受電弓在不同速度下的空氣動(dòng)力性能相關(guān)，可由受電弓型式試驗(yàn)測(cè)得。弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)系統(tǒng)布置

《TBT 3271-2011軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》借鑒國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用基于概率統(tǒng)計(jì)的“3d”準(zhǔn)則和門(mén)限閾值管理方法對(duì)弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]；為便于設(shè)備管理，《TG/GD 124-2015 高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》按照不同速度等級(jí)進(jìn)行門(mén)限閾值管理，并依據(jù)劃分的一、二級(jí)缺陷進(jìn)行差異性扣分，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1[9]。目前，我國(guó)高速鐵路綜合檢測(cè)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及維修規(guī)程，提高了設(shè)備管理的精細(xì)化水平。

表1 弓網(wǎng)接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 弓網(wǎng)接觸力缺陷特征

3.1 典型缺陷類(lèi)型分析

高速鐵路綜合檢測(cè)中的接觸網(wǎng)檢測(cè)是利用綜合檢測(cè)列車(chē)、專(zhuān)用接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行的周期性檢測(cè)工作。檢測(cè)系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析、判斷功能，缺陷數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)至設(shè)備管理單位。通過(guò)全路接觸網(wǎng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，各設(shè)備管理單位對(duì)缺陷數(shù)據(jù)的復(fù)核結(jié)果進(jìn)行反饋，形成檢測(cè)數(shù)據(jù)的閉環(huán)管理。

通過(guò)對(duì)歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核及檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況，對(duì)弓網(wǎng)接觸力缺陷進(jìn)行分類(lèi)分析，選取導(dǎo)高不平順、吊弦不受力、分段絕緣器不平順和器件式分相絕緣器不平順4類(lèi)缺陷各10組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。典型弓網(wǎng)接觸力缺陷整改前后的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 整改前后弓網(wǎng)接觸力典型缺陷對(duì)比

通過(guò)圖2可以看出，4種典型缺陷的波形表現(xiàn)特征有所不同，整改后弓網(wǎng)接觸力均有明顯改善，表現(xiàn)出更小的波動(dòng)性。

3.2 典型缺陷形態(tài)特征

檢測(cè)數(shù)據(jù)的形態(tài)特征是診斷的關(guān)鍵信息，總結(jié)上述4種典型缺陷數(shù)據(jù)的波形形態(tài)特征，見(jiàn)表2。

上述分析結(jié)果表明：不同缺陷類(lèi)型的檢測(cè)數(shù)據(jù)波形均具有形態(tài)上的獨(dú)特性，檢測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差幅值不同，相互之間的差異性較為明顯。

表2 弓網(wǎng)接觸力典型缺陷檢測(cè)波形的形態(tài)特征

3.3 典型缺陷頻次特征

檢測(cè)波形的波動(dòng)特征反映出受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)相互作用的關(guān)系，上述4種典型缺陷的波動(dòng)反映出不同的波動(dòng)頻次特征，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)正弦波對(duì)比，得到如表3所示的頻次特征。

表3 弓網(wǎng)接觸力典型缺陷檢測(cè)波形頻次特征

3.4 典型缺陷波長(zhǎng)譜特征

檢測(cè)系統(tǒng)按照25 cm為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示，即空間采樣頻率為每米4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。筆者所做的研究表明，弓網(wǎng)接觸力存在明顯的波長(zhǎng)譜特征[10]。對(duì)上述4種缺陷的數(shù)據(jù)波長(zhǎng)譜特征進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 弓網(wǎng)接觸力典型缺陷波長(zhǎng)譜特征

導(dǎo)高不平順導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力缺陷檢測(cè)波形體現(xiàn)單峰性，波長(zhǎng)為20～25 m，為半個(gè)跨距長(zhǎng)度，體現(xiàn)一跨內(nèi)接觸線高度波動(dòng)；吊弦不受力導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力缺陷檢測(cè)波形體現(xiàn)單峰性，波長(zhǎng)為15～ 20 m，為3個(gè)吊弦布置的距離，體現(xiàn)相鄰吊弦高度波動(dòng)；分段絕緣器不平順導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力缺陷檢測(cè)波形體現(xiàn)單次沖擊振動(dòng)特征，波長(zhǎng)為3.5～5 m，為分段絕緣器長(zhǎng)度；分相絕緣器不平順導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力缺陷檢測(cè)波形體現(xiàn)多次沖擊振動(dòng)特征，波長(zhǎng)為10～15 m，為相鄰分相絕緣器之間的間隔距離。

4 弓網(wǎng)接觸力缺陷診斷

弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)波形表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的振動(dòng)波形，小波分析方法是用于故障診斷與辨識(shí)的一種有效工具。

4.1 小波診斷

小波變換是通過(guò)平移母小波獲得信號(hào)的時(shí)間信息，通過(guò)縮放小波的寬度獲得信號(hào)的頻率特性。連續(xù)小波變換可用下式表達(dá)：

表達(dá)式意義為信號(hào)()與被縮放和平移的小波函數(shù)之積在信號(hào)存在的整個(gè)周期里求和，結(jié)果為小波系數(shù)，是縮放因子和位置的函數(shù)，表征小波函數(shù)與信號(hào)()的相似程度。通過(guò)系數(shù)的比較可以對(duì)不同母小波在故障診斷中的匹配性進(jìn)行評(píng)價(jià)[11]。

4.2 小波選擇與構(gòu)建

任何小波變換的基函數(shù)就是對(duì)母小波及父小波縮放和平移的集合。

母小波是小波分析的基礎(chǔ)，不是唯一存在的，所有滿足小波條件的函數(shù)都可以作為母小波。因此，母小波的選取與構(gòu)建是十分重要的問(wèn)題，選取母小波應(yīng)遵循以下3個(gè)原則[12]：

（1）自相似性。選擇的母小波與信號(hào)應(yīng)具有一定的相似性。

（2）判別函數(shù)。針對(duì)某類(lèi)問(wèn)題，找到關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)，得到一個(gè)判別函數(shù)，將各種小波函數(shù)代入其中，得到一個(gè)最優(yōu)準(zhǔn)則。

（3）支集長(zhǎng)度。應(yīng)選擇支集長(zhǎng)度在5～9之間的小波，太長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生邊界問(wèn)題，太短則不利于信號(hào)能量的集中。

父小波又被稱(chēng)為尺度函數(shù)，需滿足它和本身周期平移的函數(shù)兩兩正交。尺度函數(shù)依據(jù)4種缺陷的波長(zhǎng)特征進(jìn)行構(gòu)建。

針對(duì)上述分析的弓網(wǎng)接觸力4種典型缺陷特征，按照檢測(cè)數(shù)據(jù)空間采樣原則，選取和構(gòu)建4種小波：小波1采用db2為原型，小波2采用meyr為原型，小波3采用sym7為原型，小波4采用3組sym7組合的方法，如圖3所示。

圖3 小波選擇與構(gòu)建

4.3 診斷驗(yàn)證

對(duì)上述4種典型缺陷各選取10組數(shù)據(jù)，單組數(shù)據(jù)200個(gè)點(diǎn)，空間采樣距離100 m，對(duì)上述構(gòu)造的4種小波進(jìn)行交叉檢驗(yàn)測(cè)試。小波尺度設(shè)置為判別函數(shù)成為小波與信號(hào)的相似程度矩陣的模。10組數(shù)據(jù)的結(jié)果如表5所示。

表5 小波診斷驗(yàn)證

上述結(jié)果表明，構(gòu)造的4種小波對(duì)于各對(duì)應(yīng)類(lèi)型判別函數(shù)得分最高，差異性明顯且具有唯一性。

構(gòu)造一組包含上述4種缺陷特征的數(shù)據(jù)，對(duì)上述4種小波診斷方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示。

圖4 小波診斷驗(yàn)證

由圖4可以看出，通過(guò)選擇和構(gòu)建適合的4種小波對(duì)弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行辨識(shí)，能夠更清晰地識(shí)別弓網(wǎng)接觸力信號(hào)的波長(zhǎng)特征，為缺陷原因的診斷提供依據(jù)，其結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)4種典型弓網(wǎng)接觸力缺陷的特征進(jìn)行分析，提出了小波診斷的方法，通過(guò)選擇和構(gòu)建適合的小波形式，能夠有效識(shí)別和診斷弓網(wǎng)接觸力缺陷產(chǎn)生的原因，為設(shè)備檢修維護(hù)提供參考信息。

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The paper introduces the measuring methods and assessment criteria for pantograph-catenary contact force, analyzes three characteristics in terms of shapes, frequencies, wavelength of the contact force defects produced by the pantograph-catenary. By selection and establishing of 4 wavelets, defect diagnosis performed by application of wavelet similarity coefficient is able to diagnose the causes of contact force defects produced pantograph-catenary, providing references and basis for overhead contact line system maintenance.

Pantograph-catenary contact force; wavelength spectrum character; wavelet

U225.3

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.006

1007-936X(2018)01-0027-04

2017-03-13

楊志鵬.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，助理研究員，研究方向?yàn)殡姎饣F路檢測(cè)。

本研究受中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題資助（2015T003-B）。