接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價指標(biāo)研究*

劉會平

(中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

接觸網(wǎng)是高速鐵路動車組獲取電能的關(guān)鍵設(shè)備，因此其質(zhì)量直接影響到受電弓的受流性能和安全性能，最終影響到列車的運營秩序，目前對接觸網(wǎng)采取了不同的方式進行檢測，檢測的參數(shù)包括接觸網(wǎng)幾何、平順性、受流性能等，這些參數(shù)的檢測數(shù)值為接觸網(wǎng)單項參數(shù)缺陷維修提供了數(shù)據(jù)支持，但在接觸網(wǎng)區(qū)段綜合評估方面還沒有一個有效的評估方法，無法對接觸網(wǎng)的綜合質(zhì)量進行評價，根據(jù)我國高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的特點，目前迫切需要建立一套接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價指標(biāo)，以便對不同區(qū)段接觸網(wǎng)的優(yōu)劣進行科學(xué)評估，為高鐵接觸網(wǎng)維護檢修和安全運營提供技術(shù)支撐。

1 接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價指標(biāo)研究

接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價指標(biāo)需要建立在對接觸網(wǎng)各種類型參數(shù)檢測基礎(chǔ)上，通過確定影響接觸網(wǎng)質(zhì)量的參數(shù)，對各種檢測參數(shù)進行分類，分析其對接觸網(wǎng)質(zhì)量的影響規(guī)律，提出不同參數(shù)如接觸力、硬點、燃弧、燃弧率、高差的合理評價方法。

目前，對接觸網(wǎng)的檢測和評價指標(biāo)主要分為3類，第1類是對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進行評價，該指標(biāo)是反映接觸線相對于軌平面的位置，幾何參數(shù)主要包括接觸線拉出值和接觸線高度，此類參數(shù)是影響接觸網(wǎng)安全性指標(biāo)。第2類為接觸線平順性參數(shù)進行評價，該指標(biāo)是對接觸網(wǎng)局部彈性不均勻或者有硬彎的位置進行評價，平順性參數(shù)主要包括硬點、沖擊、接觸網(wǎng)高差等。第3類為弓網(wǎng)受流性能參數(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)通過帶有弓網(wǎng)檢測設(shè)備的動車組獲取，受流參數(shù)主要包括弓網(wǎng)接觸力、弓網(wǎng)燃弧等。該參數(shù)直接反應(yīng)了弓網(wǎng)受流匹配性能。

接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價指標(biāo)是采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法描述一個區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)整體質(zhì)量狀態(tài)的綜合指標(biāo)，是接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、動態(tài)受流參數(shù)(接觸力、燃弧、接觸網(wǎng)抬升量)及接觸網(wǎng)不平順參數(shù)(接觸網(wǎng)高差、硬點)依據(jù)一定的統(tǒng)計方式進行綜合分析，該值的大小與接觸網(wǎng)質(zhì)量狀態(tài)密切相關(guān)，其能綜合評價接觸網(wǎng)整體質(zhì)量，提高接觸網(wǎng)維修的科學(xué)性、經(jīng)濟性、合理性。

接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價是屬于多指標(biāo)(或多因素)的綜合評價問題，要通過建立合適的綜合評價數(shù)學(xué)模型將多個評價指標(biāo)綜合成為一個整體的綜合評價指標(biāo)，作為綜合評價的依據(jù)，從而得到相應(yīng)的評價結(jié)果。為方便計算，一般采用一個跨距為統(tǒng)計步長，1正線公里為評價單位進行，根據(jù)多種參數(shù)在評價單位內(nèi)測量值與標(biāo)準對比后根據(jù)所處的缺陷等級進行分類，然后根據(jù)不同參數(shù)在所處缺陷等級的扣分標(biāo)準來計算該公里總體得分情況，每種參數(shù)均設(shè)置一級超限和二級超限2種閾值。一級缺陷根據(jù)對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響程度扣5分～40分不等，二級缺陷根據(jù)對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響程度扣1分至5分不等。通過得分來評價其整體質(zhì)量(總分按照100分計算)。綜合評價一般以檢測的一段區(qū)間線路為評價單元，在此區(qū)間內(nèi)按照每公里得分數(shù)考核接觸網(wǎng)動態(tài)質(zhì)量，根據(jù)得分分數(shù)分為優(yōu)良、合格、不合格3類。總得分設(shè)為Q，Q≥90為優(yōu)良，60≤Q<90為合格，Q<60為不合格。

區(qū)段某參數(shù)1公里按照一個跨距進行測量的統(tǒng)計值為(N1,N2……Nn)根據(jù)其與標(biāo)準比較后定義相應(yīng)的缺陷等級，不同缺陷等級定義相對應(yīng)的扣分權(quán)重系數(shù)(K1,K2……Kn)，通過累計扣分情況則可以反應(yīng)該參數(shù)在該段的整體扣分情況。通過該區(qū)段內(nèi)所獲取得分數(shù)，可以計算出區(qū)段內(nèi)優(yōu)良、合格和不合格比率，進而全面掌握區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)質(zhì)量。

根據(jù)現(xiàn)有對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、平順性參數(shù)和受流參數(shù)的評價標(biāo)準，分別研究其各參數(shù)在綜合評價指標(biāo)中缺陷等級及扣分標(biāo)準。

(1)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)評價指標(biāo)評價標(biāo)準

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，主要包括接觸線高度、拉出值，該參數(shù)應(yīng)符合設(shè)計要求或相關(guān)技術(shù)標(biāo)準的規(guī)定，尤其是拉出值，由于其直接影響到弓網(wǎng)運行安全，對于≥550 mm的拉出值，則定義為一級缺陷，扣40分，高度根據(jù)線路不通在其標(biāo)準值基礎(chǔ)上，對大于或小于標(biāo)準值的幅值不同分別扣1分或5分。根據(jù)接觸網(wǎng)評價指標(biāo)設(shè)定的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)扣分標(biāo)準如表1。

表1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)扣分標(biāo)準

(2)接觸線平順性參數(shù)

接觸線平順性參數(shù)主要包括硬點(垂向加速度)和一個跨距內(nèi)接觸線高差，根據(jù)接觸網(wǎng)平順性檢測標(biāo)準可以看出，硬點指標(biāo)與速度有相關(guān)性，不同速度等級的限值指標(biāo)不同，加速度值能準確的反應(yīng)接觸網(wǎng)的平順性和接觸網(wǎng)質(zhì)量缺陷處。由于接觸網(wǎng)的設(shè)計特點，在線叉、錨段關(guān)節(jié)和吊弦等處硬點值相對較大。圖1為區(qū)段硬點波形。

圖1 硬點統(tǒng)計波形圖

圖中紅色虛線為硬點超限界限，紅色橢圓標(biāo)示為超限點峰值。由圖中紅色橢圓標(biāo)出超限點峰值為950 m/s2的超限點，并且多次經(jīng)過此處均出現(xiàn)超限點，因此確定其產(chǎn)生原因為接觸網(wǎng)導(dǎo)線本身的缺陷造成的超限，經(jīng)過復(fù)核確認該超限點是由于錨段關(guān)節(jié)處受電弓在滑動過程中收到的強烈沖擊造成，同時產(chǎn)生大的燃弧現(xiàn)象，對于此類缺陷可以定義為一級缺陷，扣分標(biāo)準權(quán)重設(shè)為5分，由于硬點和速度有強相關(guān)性，因此針對速度250 km/h和速度350 km/h速度等級線路分別設(shè)置一級和二級缺陷，一級缺陷扣分標(biāo)準設(shè)為5分，二級缺陷設(shè)為1分。一跨內(nèi)高差超限2A≥150 mm設(shè)置為一級缺陷，扣分標(biāo)準為5分，100 mm≤一跨內(nèi)高差超限2A<150 mm，扣分標(biāo)準為1分。具體評價標(biāo)準如表2。

表2 接觸線平順性參數(shù)扣分標(biāo)準

(3)弓網(wǎng)受流參數(shù)

弓網(wǎng)受流參數(shù)包括弓網(wǎng)動態(tài)接觸力、燃弧、接觸線動態(tài)抬升量等，弓網(wǎng)接觸力是影響弓網(wǎng)受流性能的最直接因素。圖2為區(qū)段內(nèi)動態(tài)接觸力波形。

圖2中用紅色橢圓標(biāo)出位置為最大接觸力突變產(chǎn)生尖峰情況，最大接觸力值為206 N，該突變的接觸力最大值直接對接觸網(wǎng)的整體質(zhì)量產(chǎn)生影響，根據(jù)接觸力的相關(guān)標(biāo)準和速度等級分別定義速度250 km/h和速度350 km/h弓網(wǎng)接觸力一級和二級缺陷。根據(jù)國內(nèi)標(biāo)準，弓網(wǎng)接觸力最小值不小于20 N，因此弓網(wǎng)最小接觸力Fmin<20 N定義為二級缺陷，扣分標(biāo)準為5分，20 N≤弓網(wǎng)最小接觸力Fmin<40 N定義為二級缺陷，扣分標(biāo)準為1分。弓網(wǎng)接觸力具體扣分標(biāo)準見表3。

圖2 動態(tài)接觸力波形圖

燃弧包括統(tǒng)計最大燃弧時間、燃弧次數(shù)和計算燃弧率。燃弧發(fā)生在接觸網(wǎng)與受電弓滑板接觸與非接觸瞬間，產(chǎn)生的原因包括弓網(wǎng)振動不匹配、接觸導(dǎo)線不平順、導(dǎo)線本身的彈性不均勻和施工過程造成接觸導(dǎo)線吊弦點處高度不平和產(chǎn)生導(dǎo)線波浪彎等方面。燃弧的產(chǎn)生對接觸網(wǎng)、受電弓滑板產(chǎn)生不利影響，造成導(dǎo)線燒傷、滑板磨耗加劇，并且對周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁輻射，干擾沿線其他電器設(shè)備，同時造成弓網(wǎng)受流質(zhì)量下降等。圖3為典型區(qū)段燃弧數(shù)據(jù)波形。

圖中用紅色橢圓標(biāo)出一次最大燃弧時間超過100 ms的位置，峰值為165 ms。該超限處的燃弧會對接觸網(wǎng)導(dǎo)線和受電弓滑板產(chǎn)生磨耗，同時形成多次空氣擊穿對周圍的運行設(shè)備和檢測設(shè)備造成干擾。根據(jù)燃弧的相關(guān)標(biāo)準，對超限值均定義為一級缺陷，扣分標(biāo)準為5分，小于超限值但是對弓網(wǎng)受流性能還有一定影響的定義為二級缺陷，扣分標(biāo)準為1分。燃弧具體扣分標(biāo)準見表3。

圖3 典型區(qū)段燃弧波形

接觸線抬升量標(biāo)準限值為120 mm，超出該值定義為一級缺陷，扣分標(biāo)準為5分，根據(jù)聯(lián)調(diào)聯(lián)試結(jié)果，接觸線動態(tài)抬升量大部分在80 mm以下，80 mm≤接觸線抬升量ΔH<120 mm定義為二級缺陷，扣分標(biāo)準為1分。接觸線抬升量具體扣分標(biāo)準見表3。

表3 弓網(wǎng)受流參數(shù)扣分標(biāo)準

2 綜合評價指標(biāo)在線路試驗中的應(yīng)用

接觸網(wǎng)動態(tài)綜合評價指標(biāo)是接觸網(wǎng)性能的綜合評價指標(biāo)，該指標(biāo)能夠反映接觸網(wǎng)整體的質(zhì)量水平，對新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試和既有線日常巡檢中對線路維修維護提供依據(jù)。下面通過接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價指標(biāo)在高鐵線路上應(yīng)用情況進行分析研究。

選取國內(nèi)某條高鐵一個區(qū)段的下行線接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)進行分析評價，分析評價的參數(shù)包括幾何參數(shù)，平順性參數(shù)和受流參數(shù)3類。按照各參數(shù)的評價標(biāo)準，對區(qū)段內(nèi)每公里接觸網(wǎng)檢測參數(shù)進行綜合評價，區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)質(zhì)量綜合評價扣分圖如圖4所示。

圖4 上行線接觸網(wǎng)質(zhì)量評價扣分圖(精修前)

通過分析可以看出，區(qū)段大部分接觸網(wǎng)綜合評價扣分數(shù)小于10分，達到優(yōu)良標(biāo)準，個別處有不合格現(xiàn)象，扣分數(shù)達到60多分，經(jīng)過對原始評價數(shù)據(jù)分析，大部分扣分項目均為燃弧次數(shù)及燃弧超限，經(jīng)過現(xiàn)場復(fù)核，不合格區(qū)段接觸線存在連續(xù)波浪彎，該狀態(tài)直接導(dǎo)致檢測受電弓通過時出現(xiàn)大量燃弧，經(jīng)過調(diào)試期間施工單位的維修和精細調(diào)整，區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)燃弧消除，區(qū)段內(nèi)接觸網(wǎng)質(zhì)量綜合評價扣分圖如圖5所示。從圖5中可以看出，經(jīng)過調(diào)整維修過的區(qū)段內(nèi)無接觸網(wǎng)綜合檢測評價不合格處，均達到了優(yōu)良標(biāo)準。

圖5 上行線接觸網(wǎng)質(zhì)量評價扣分圖(精修后)

3 結(jié) 論

在研究接觸網(wǎng)各種類型檢測參數(shù)基礎(chǔ)上，對各種檢測參數(shù)進行分類，分析其對接觸網(wǎng)質(zhì)量的影響規(guī)律，提出不同參數(shù)如接觸力、硬點、燃弧、燃弧率、高差的合理評價和扣分方法，形成接觸網(wǎng)動態(tài)檢測綜合評價指標(biāo)并通過高鐵檢測數(shù)據(jù)驗證，該評價指標(biāo)能夠反映接觸網(wǎng)整體質(zhì)量水平，能作為評定接觸網(wǎng)線路質(zhì)量的標(biāo)準。

[1] 鐵總運[2015]362號高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則[S].

[2] 朝通新.高速鐵路供電設(shè)備修程修制優(yōu)化研究2016Y字第4651號[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所.