弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及受流性能測(cè)試技術(shù)研究及應(yīng)用

周 寧，蔚 超，譚夢(mèng)穎，鄒 棟，張衛(wèi)華

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

弓網(wǎng)關(guān)系研究的主要目的是保證受電弓/接觸網(wǎng)之間穩(wěn)定的電能傳輸，但如何評(píng)價(jià)弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流性能，即根據(jù)什么檢測(cè)內(nèi)容、測(cè)試方法和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)及受流性能的優(yōu)劣，是弓網(wǎng)關(guān)系研究需要解決的問(wèn)題。在國(guó)外，弓網(wǎng)關(guān)系相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已作為鐵路系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分得到廣泛應(yīng)用，如歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 50367：2013[1](弓網(wǎng)相互作用技術(shù)規(guī)范)、BS EN 50317:2012[2](弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用測(cè)量的要求與確認(rèn))、BS EN 50405:2016[3](受電弓碳滑板測(cè)試方法)、BS EN 50206:2012[4](干線/地鐵與輕軌車(chē)輛受電弓特性和試驗(yàn)，IEC 60494:2013[5])、BS EN 50119:2013[6](電力牽引架空式接觸網(wǎng))等。在對(duì)國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系消化吸收的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)弓網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，我國(guó)也逐步建立了一些弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 21561—2008[7](類(lèi)似BS EN 50206:2012和IEC 60494:2013，包含TB/T 1456—2004[8])，TB/T 3271—2011[9](類(lèi)似BS EN 50367:2013)，GB/T 32592—2016[10]等。

目前，弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及受流性能檢測(cè)的核心內(nèi)容主要包括：弓網(wǎng)接觸壓力、硬點(diǎn)(振動(dòng)加速度)、燃弧(火花)和接觸線動(dòng)態(tài)高度等參數(shù)。涉及這些參數(shù)的檢測(cè)這里稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，除此之外的參數(shù)檢測(cè)稱(chēng)之為非標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。本文基于現(xiàn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，著重探討上述動(dòng)態(tài)及受流性能關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀、不足及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也對(duì)其他非標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了分析，并論述相關(guān)的基礎(chǔ)研究動(dòng)態(tài)。

1 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)內(nèi)容及方法

1.1 接觸壓力

弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸過(guò)程中的接觸壓力是評(píng)判弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用的關(guān)鍵指標(biāo)之一。常見(jiàn)的接觸壓力檢測(cè)主要通過(guò)安裝在弓頭滑板和支架之間的力傳感器完成。測(cè)定滑板和支架相互作用力后，可利用弓頭加速度測(cè)試結(jié)果和弓頭等效質(zhì)量計(jì)算得到的慣性力來(lái)修正，最終獲得弓網(wǎng)間的接觸壓力。

對(duì)接觸壓力測(cè)試過(guò)程中，常規(guī)的滑板振動(dòng)加速度測(cè)試假定滑板僅體現(xiàn)剛體運(yùn)動(dòng)(平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng))形式，滑板上不同位置有相同的加速度及質(zhì)量系數(shù)(質(zhì)量系數(shù)即F=ma中質(zhì)量項(xiàng))，僅布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。造成這種測(cè)試方法頻率適用范圍有限，通常最高在20 Hz左右。隨著弓網(wǎng)相互作用頻率增加，弓頭滑板的柔性變形被激發(fā)，滑板上不同測(cè)點(diǎn)處有不同的加速度和質(zhì)量系數(shù)，如用滑板整體等效質(zhì)量乘以振動(dòng)加速度來(lái)計(jì)算慣性力將引起較大的接觸壓力測(cè)量誤差。因而，在高頻范圍，慣性修正成為接觸壓力測(cè)試過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是影響弓網(wǎng)接觸壓力測(cè)試精度的主要因素之一[11-12]。

當(dāng)考慮弓頭滑板柔性變形時(shí)，將滑板等效為彈性體，此時(shí)接觸壓力可更為準(zhǔn)確的表示為

( 1 )

式中：Finter為滑板和支架之間的相互作用力；ρ為滑板線密度；y為滑板振動(dòng)位移；x為滑板距原點(diǎn)位移；t為時(shí)間；Fc為弓網(wǎng)接觸壓力。

通過(guò)理論解析方法確定慣性力項(xiàng)是非常復(fù)雜的，文獻(xiàn)[11]中提出了一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)法確定質(zhì)量系數(shù)wi，進(jìn)而確定慣性力的方法。以弓頭布置3個(gè)加速度傳感器為例，質(zhì)量系數(shù)分別為w1、w2和w3，見(jiàn)圖1。由此，弓頭滑板等效體力平衡方程寫(xiě)成分離體的形式為

( 2 )

由于3個(gè)加速度傳感器沿弓頭中心對(duì)稱(chēng)布置，兩側(cè)的質(zhì)量系數(shù)應(yīng)該相等，即w2=w3；同時(shí)，3個(gè)質(zhì)量系數(shù)的疊加應(yīng)該與滑板等效體的線密度和長(zhǎng)度的乘積相等，由此通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定的傳遞函數(shù)則可以得到3個(gè)質(zhì)量系數(shù)。在實(shí)測(cè)時(shí)，通過(guò)剪切力和加速度的測(cè)試，可得到更為準(zhǔn)確的慣性力以及接觸壓力，實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試和線路測(cè)試證實(shí)了該方法的精度。

近年來(lái)，在傳統(tǒng)的力和加速度傳感器測(cè)試的基礎(chǔ)上，一些新興的測(cè)試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，豐富了接觸壓力的動(dòng)態(tài)測(cè)試。其中比較有特點(diǎn)的是圖像處理識(shí)別技術(shù)和光纖測(cè)試技術(shù)。國(guó)外學(xué)者在基于圖像處理技術(shù)的接觸壓力測(cè)試方面已開(kāi)展大量研究工作，并研制了相應(yīng)的車(chē)載非接觸式的檢測(cè)系統(tǒng)[13-14]。該測(cè)試方法的基本原理仍是基于弓頭受力平衡方程，與傳統(tǒng)方法的不同之處在于是通過(guò)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的圖像識(shí)別及處理技術(shù)，獲取標(biāo)記點(diǎn)的振動(dòng)位移，進(jìn)而確定其弓頭彈簧的變形量和弓頭振動(dòng)加速度，隨之計(jì)算得到力平衡方程中的弓頭相互作用力和慣性力，從而最終確定弓網(wǎng)間的接觸壓力，見(jiàn)圖2。

在接觸壓力測(cè)試方面，光纖技術(shù)的應(yīng)用主要基于2個(gè)方面：一方面是直接開(kāi)發(fā)光纖式力傳感器，替代傳統(tǒng)的力傳感器，克服電磁干擾、絕緣等問(wèn)題，但由于是針對(duì)某種特定的受電弓結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因而只適用于同類(lèi)受電弓的安裝和測(cè)試，通用性相對(duì)較差[15]；另一種是通過(guò)光纖傳感器測(cè)試滑板的應(yīng)變來(lái)推導(dǎo)接觸壓力[16]，基本原理是將受電弓弓頭滑板簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖3。以弓頭滑板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，長(zhǎng)度方向?yàn)閤軸，垂向?yàn)閥軸，建立坐標(biāo)系，將接觸力等效為梁上一集中載荷F。由簡(jiǎn)支梁的力學(xué)特性，應(yīng)變和接觸力之間對(duì)應(yīng)關(guān)系為

( 3 )

式中：ε為受電弓滑板應(yīng)變；F為弓網(wǎng)間接觸力；m為接觸力作用位置；E為滑板的彈性模量；W為滑板的彎曲截面系數(shù)；L為滑板的等效長(zhǎng)度。同時(shí)由式( 1 )可見(jiàn)，這里僅有F和m2個(gè)未知量，其他量都是可以提前確定的。由此，根據(jù)不少于2個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變方程則可以確定接觸力F及相應(yīng)的作用位置m。

對(duì)于2個(gè)測(cè)點(diǎn)的情況，僅當(dāng)2個(gè)測(cè)點(diǎn)分別對(duì)稱(chēng)布置于接觸力的兩側(cè)，即接觸力F始終處于2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間時(shí)，才能有效確定接觸力以及相應(yīng)的作用位置。同時(shí)，為有更簡(jiǎn)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將2個(gè)測(cè)點(diǎn)沿滑板中心對(duì)稱(chēng)布置，即x1=-x2。根據(jù)測(cè)點(diǎn)x1和x2以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)?和ε2，聯(lián)立2個(gè)應(yīng)變方程，可得

( 4 )

如上所述，對(duì)于3個(gè)及以上的測(cè)點(diǎn)可作類(lèi)似的推導(dǎo)，也可確定接觸力F及作用位置m。作者所在課題組(2個(gè)測(cè)點(diǎn))和文獻(xiàn)[16]中(4個(gè)測(cè)點(diǎn))測(cè)得的滑板不同位置波長(zhǎng)(應(yīng)變)與作用力(接觸力)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)作用力在2測(cè)點(diǎn)的中間變化時(shí)，具有良好的線性度，從而從理論上證明了該方法的可行性。但該測(cè)試方法的有效性還有待線路試驗(yàn)的車(chē)載試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中溫度補(bǔ)償、滑板磨耗的影響以及可靠性問(wèn)題也是亟待解決和進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題[17-18]。

最后，有學(xué)者提出了一種基于反演技術(shù)的接觸壓力測(cè)試方法[19]，區(qū)別于傳統(tǒng)的平衡法(通過(guò)確定滑板和接觸線之間的相互作用力和慣性力來(lái)獲得接觸壓力)。反演法是將受電弓等效為一線性系統(tǒng)，接觸力作為輸入激勵(lì)，振動(dòng)加速度視為輸出響應(yīng)，由此通過(guò)反演技術(shù)，接觸力可以通過(guò)輸出響應(yīng)和傳遞函數(shù)確定，見(jiàn)圖5。通過(guò)對(duì)現(xiàn)役受電弓的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，該方法的有效性得到了驗(yàn)證。相比于傳統(tǒng)的平衡法，其在高頻范圍內(nèi)有更好的精度，同時(shí)傳感器的安裝位置限制也較小。但該方法傳遞函數(shù)矩陣的確定是關(guān)鍵，需要引入廣義逆矩陣相關(guān)算法，計(jì)算過(guò)程也較為繁瑣。同時(shí)，實(shí)際線路測(cè)試時(shí)的信號(hào)去噪問(wèn)題也有待進(jìn)一步解決。

1.2 振動(dòng)加速度

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)及受流檢測(cè)中另一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)是振動(dòng)加速度的測(cè)試，其中主要涉及受電弓弓頭振動(dòng)加速度的測(cè)試。通過(guò)在受電弓弓頭安裝加速度傳感器，測(cè)試弓頭的垂向振動(dòng)、橫向及縱向沖擊加速度。弓頭部分的測(cè)點(diǎn)，理論上應(yīng)該安裝于滑板及支撐結(jié)構(gòu)的中心位置，但由于實(shí)際安裝位置的限制，通常只能安裝在有足夠空間的弓頭滑板與支架的聯(lián)接位置等。同時(shí)為了減少傳感器附加質(zhì)量對(duì)弓頭動(dòng)力學(xué)性能的影響，常采用對(duì)角線的安裝方式(單滑板受電弓除外)。近年來(lái)，由于光纖傳感器的抗電磁干擾、耐絕緣等優(yōu)勢(shì)，光纖加速度傳感器也在弓網(wǎng)測(cè)試中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了較為理想的測(cè)試效果[20]。

除了標(biāo)準(zhǔn)體系涉及的弓頭振動(dòng)加速度測(cè)試外，更全面的振動(dòng)測(cè)試也已在諸多線路試驗(yàn)中展開(kāi)，為全面掌握受電弓振動(dòng)狀態(tài)和動(dòng)態(tài)特征提供了有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在實(shí)際線路測(cè)試時(shí)，較為常用的加速度測(cè)點(diǎn)布置方式見(jiàn)圖6。紅色、黃色和綠色分別表示了由高到低不同的優(yōu)先等級(jí)。

1.3 導(dǎo)線動(dòng)態(tài)高度

導(dǎo)線高度目前主要通過(guò)受電弓滑板的高度來(lái)反映。安裝在車(chē)頂?shù)母呔认鄼C(jī)或激光測(cè)距設(shè)備，通過(guò)測(cè)量受電弓滑板的動(dòng)態(tài)抬升，基于預(yù)先設(shè)定的換算算法，可直接反映接觸網(wǎng)導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)高度。對(duì)于此種固定點(diǎn)的位移測(cè)試，圖像或激光設(shè)備都可以達(dá)到良好的精度，測(cè)試也較為容易，這里就不再贅述。

1.4 燃弧(火花)

燃弧(火花)是衡量弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)及受流性能的重要指標(biāo)，目前主要通過(guò)火花探測(cè)儀或紫外相機(jī)進(jìn)行測(cè)試，記錄燃弧的次數(shù)和單次燃弧的持續(xù)時(shí)間(通常大于5 ms的燃弧被記錄)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)限定時(shí)間或限定距離的離線次數(shù)、一次離線的時(shí)限及離線率。

在歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 50317中，對(duì)燃弧的檢測(cè)已給出相應(yīng)的波長(zhǎng)要求，需包含波長(zhǎng)范圍220～225 nm或323～329 nm。為避免其他波段光線對(duì)燃弧檢測(cè)造成影響，可添加對(duì)大于330 nm波長(zhǎng)光進(jìn)行截止的濾光片。同時(shí)，也有學(xué)者通過(guò)對(duì)不同弓網(wǎng)接觸副材料條件下燃弧弧光的波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，如銅和銅合金接觸線—碳滑板或浸金屬滑板，發(fā)現(xiàn)弧光輻射的波長(zhǎng)范圍主要在兩段區(qū)段：200～240、320～340 nm。實(shí)測(cè)的結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波長(zhǎng)范圍略寬，但基本一致，也可作為設(shè)備選型時(shí)的參考[21]。

除了單純探究如何更準(zhǔn)確地獲取燃弧時(shí)間、次數(shù)等測(cè)試技術(shù)本身的問(wèn)題外，進(jìn)一步研究燃弧與弓網(wǎng)離線(包括離線間隙)、燃弧與牽引供電的映射關(guān)系[22]。基于弓網(wǎng)燃弧探究受電弓、接觸網(wǎng)的多場(chǎng)耦合行為是弓網(wǎng)燃弧后續(xù)研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

2 非標(biāo)測(cè)試內(nèi)容及方法

除上述動(dòng)態(tài)及受流性能涉及的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)外，以下參數(shù)雖然在標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)中未作相應(yīng)的規(guī)定，但也與弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。如，受電弓和接觸網(wǎng)的氣動(dòng)特性，接觸網(wǎng)不平順特性，溫度分布，動(dòng)應(yīng)力及磨耗等參數(shù)。

2.1 氣動(dòng)特性

受電弓的氣動(dòng)特性測(cè)試可分為整體氣動(dòng)力測(cè)試、弓頭氣動(dòng)抬升力、表面壓力測(cè)試等。目前，整體氣動(dòng)力測(cè)試主要通過(guò)加裝于受電弓絕緣子與安裝座之間的測(cè)力天平完成，見(jiàn)圖7。由每個(gè)天平測(cè)試并計(jì)算出整體的氣動(dòng)力，包括：氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力和氣動(dòng)橫向力等。

對(duì)于弓頭氣動(dòng)抬升力的測(cè)試，需要在受電弓安裝底座處固定拉力傳感器，用細(xì)繩或鋼絲連接受電弓弓頭和拉力傳感器。測(cè)得細(xì)繩或鋼絲的拉力后，可等效確定受電弓弓頭的氣動(dòng)抬升力，見(jiàn)圖8。線路測(cè)試時(shí)，原有雙弓受流列車(chē)需保證一個(gè)受電弓處于正常受流狀態(tài)，被測(cè)受電弓處于半升弓狀態(tài)且不受流，通過(guò)調(diào)整被測(cè)受電弓氣囊壓力和細(xì)繩或鋼絲長(zhǎng)度，可調(diào)節(jié)被測(cè)弓頭滑板和接觸線間的絕緣間隙。

表面壓力的測(cè)試主要使用表壓傳感器完成。表壓測(cè)試的測(cè)點(diǎn)，通常布置在受電弓前后滑板、后上臂桿以及下臂桿等部件迎風(fēng)面和背風(fēng)面，通過(guò)對(duì)表面壓力測(cè)試，可確定測(cè)點(diǎn)附近的壓力分布，進(jìn)一步為受電弓氣動(dòng)力學(xué)分析的校驗(yàn)，以及受電弓氣動(dòng)特性的改善提供數(shù)據(jù)支撐。

另一方面，接觸網(wǎng)系統(tǒng)也屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，尤其是在大風(fēng)地區(qū)，氣流擾動(dòng)不僅對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)有很大的影響，在受電弓通過(guò)時(shí)，還會(huì)加劇受電弓/接觸網(wǎng)間的耦合作用[23-24]。先前對(duì)接觸網(wǎng)風(fēng)致振動(dòng)的研究，主要采用假設(shè)的風(fēng)速譜，這與實(shí)際的大氣邊界層風(fēng)剖面存在一定差異。由此，近些年已有國(guó)內(nèi)學(xué)者在大風(fēng)區(qū)建立接觸網(wǎng)風(fēng)致振動(dòng)專(zhuān)用試驗(yàn)段，通過(guò)對(duì)風(fēng)區(qū)環(huán)境以及接觸網(wǎng)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)試，為風(fēng)區(qū)電氣化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了技術(shù)保障[25]。

目前的試驗(yàn)研究，接觸網(wǎng)氣動(dòng)特性測(cè)試，弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及受流性能測(cè)試，車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試都是獨(dú)立開(kāi)展的，未形成測(cè)試數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)，這對(duì)于掌握接觸網(wǎng)氣動(dòng)特性的演變規(guī)律，以及從弓網(wǎng)系統(tǒng)角度制定大風(fēng)環(huán)境下的行車(chē)限速標(biāo)準(zhǔn)仍較為困難。

2.2 接觸線及滑板磨耗

接觸線磨耗的測(cè)試方法最早主要采用人工手動(dòng)測(cè)試,通過(guò)卡尺或千分尺逐點(diǎn)登頂測(cè)量，這種方法效率低，而且不安全。近些年，德國(guó)、法國(guó)(SCLE系統(tǒng))、荷蘭(ATON系統(tǒng))、西班牙(MEDES系統(tǒng))等歐洲各國(guó)和日本都已開(kāi)發(fā)自動(dòng)磨耗測(cè)試系統(tǒng)，可以同時(shí)測(cè)量磨耗、高度和拉出值等幾何參數(shù)。各系統(tǒng)的工作原理和性能參數(shù)略有差異，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[26-27]，但目前采用較多的測(cè)試方法是基于光學(xué)測(cè)量，通過(guò)對(duì)被測(cè)對(duì)象發(fā)射光束，然后經(jīng)接觸線反射后被多個(gè)線陣相機(jī)捕捉，從而去識(shí)別截面特征以確定相應(yīng)的磨耗量。

另外，隨著三維重構(gòu)技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來(lái)也涌現(xiàn)出采用激光器并結(jié)合數(shù)字相機(jī)，通過(guò)對(duì)接觸線進(jìn)行激光掃描、三維重構(gòu)，從而得到其三維數(shù)字信息，進(jìn)而確定其磨耗的方法。后面兩種都是采用非接觸式測(cè)量方式，精度高、安全性好，現(xiàn)在被較多采用，但復(fù)雜天氣條件下進(jìn)度會(huì)受一定的影響。

對(duì)于滑板的磨耗，由于每天的磨耗量不大，實(shí)時(shí)記錄其磨耗量必要性不是太強(qiáng)。因而可以間隔一定的運(yùn)營(yíng)里程，在車(chē)輛入庫(kù)后直接登頂測(cè)試。通常，可采用激光器掃描滑板獲取其斷面信息，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的滑板磨耗。

接觸線和滑板的磨耗受很多因素的影響，包括動(dòng)力學(xué)性能、溫度、材料等，磨耗是否異常是衡量弓網(wǎng)匹配關(guān)系優(yōu)劣、服役性能好壞的重要指標(biāo)之一。獲取磨耗數(shù)據(jù)后，首先應(yīng)該判斷是否在合理的范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)磨耗過(guò)快、偏磨、波浪形磨耗等異常磨耗的情況，如何辨識(shí)其故障原因，是磨耗測(cè)試以及后續(xù)研究中需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

2.3 接觸網(wǎng)不平順

接觸網(wǎng)不平順的測(cè)試可分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試是人工通過(guò)卡尺沿接觸網(wǎng)手動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，這種方法效率低、精度難以保證；動(dòng)態(tài)測(cè)試是通過(guò)車(chē)載檢測(cè)設(shè)備在受電弓沿接觸網(wǎng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行測(cè)試。接觸網(wǎng)不平順特性是基于接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度的定義，上述磨耗測(cè)試中提及的激光掃描法和機(jī)器視覺(jué)法也可以用于不平順參數(shù)的測(cè)試，而且精度也較高，這里不再贅述。

當(dāng)獲取接觸網(wǎng)不平順參數(shù)后，可借鑒高速鐵路軌道譜，建立相應(yīng)線路的接觸網(wǎng)不平順譜，能夠進(jìn)一步提升弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及受流性能研究成果的可靠性[28-29]。作者所在研究團(tuán)隊(duì)同國(guó)內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)院，已通過(guò)實(shí)測(cè)得到我國(guó)武廣、滬杭、京滬等多條高速線路接觸網(wǎng)的不平順譜。

2.4 溫度分布

對(duì)于弓網(wǎng)系統(tǒng)的溫度測(cè)試通常可以采用2種途徑：一種是采用非接觸式的紅外熱成像儀，每秒鐘可采集高達(dá)100幅的紅外熱圖，配合后端的智能分析算法，可實(shí)時(shí)監(jiān)控受電弓和接觸網(wǎng)的溫度分布；另一種是使用光纖傳感器，獲取受電弓表面離散關(guān)鍵點(diǎn)的溫度分布。2種方法各有優(yōu)劣，前者可獲取整個(gè)區(qū)域的溫度分布圖像或曲線，方便、直觀，但跟蹤測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量過(guò)大，設(shè)備自身發(fā)熱也會(huì)引起測(cè)試精度的下降。后者測(cè)試溫度分布精度高、快捷，但只能獲取單點(diǎn)溫度曲線，可用于一些關(guān)鍵點(diǎn)的溫度測(cè)試。

溫度分布不僅可以反映弓網(wǎng)接觸性能的好壞，同時(shí)對(duì)弓網(wǎng)的磨耗有直接的影響[30-31]，因此，通過(guò)溫度分布也可以辨識(shí)弓網(wǎng)系統(tǒng)服役性能的好壞。目前相關(guān)的研究還相對(duì)滯后，如何通過(guò)理論研究或同步測(cè)試，建立溫度與電弧、電流、電壓、磨耗等參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而獲取弓網(wǎng)故障的辨識(shí)模型，對(duì)潛在的故障和發(fā)熱進(jìn)行提前報(bào)警，將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

2.5 動(dòng)應(yīng)力

動(dòng)應(yīng)力是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的重要參數(shù)，主要通過(guò)應(yīng)變測(cè)試而確定。傳統(tǒng)的應(yīng)變片易受弓網(wǎng)所處的高電壓大電流服役環(huán)境干擾，測(cè)試精度不穩(wěn)定。光纖式應(yīng)變傳感器由于具有絕緣、抗干擾等特性，成為弓網(wǎng)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試的理想選擇。對(duì)于動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置是需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，可根據(jù)結(jié)構(gòu)服役的故障數(shù)據(jù)和理論計(jì)算分析來(lái)確定。此外，還可采用應(yīng)力互推技術(shù)，確定不便安裝應(yīng)變片位置處的真實(shí)應(yīng)力分布[32]。獲取動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)構(gòu)發(fā)生故障或破壞的原因，評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

除上述提及的一些標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)弓網(wǎng)參數(shù)測(cè)試外，近些年開(kāi)展的弓網(wǎng)線路檢測(cè)還涉及接觸網(wǎng)的彈性、定位點(diǎn)的抬升量、拉出值，受電弓絕緣子的閃絡(luò)、振動(dòng)、老化，以及弓網(wǎng)噪聲等問(wèn)題。

3 評(píng)判準(zhǔn)則

接觸壓力的評(píng)估主要是基于每跨內(nèi)統(tǒng)計(jì)的接觸壓力的最大值、最小值和平均值?；诂F(xiàn)行TB 10621—2009《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[33]動(dòng)態(tài)接觸力的要求：速度250 km/h時(shí)，最大接觸力不大于250 N，最小接觸力不小于零，平均接觸力不大于130 N；速度300 km/h時(shí)，最大接觸力不大于250 N，最小接觸力不小于零，平均接觸力不大于150 N；速度350 km/h時(shí)，最大接觸力不大于350 N，最小接觸力不小于零，平均接觸力不大于180 N。

燃弧一般基于檢測(cè)區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)的燃弧率進(jìn)行評(píng)估，燃弧率定義為所有燃弧持續(xù)時(shí)間之和∑Tarc與載流時(shí)間Ttotal的百分比。其中：Tarc是指持續(xù)大于5 ms的電弧持續(xù)時(shí)間，Ttotal是指測(cè)量電流超過(guò)30%額定電流的時(shí)間。線路類(lèi)別是交流供電系統(tǒng)時(shí)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求最大速度下的燃弧率為：小于250 km/h線路燃弧率不超過(guò)0.1%；大于等于250 km/h線路燃弧率不超過(guò)0.2%。

振動(dòng)加速度(弓頭)的評(píng)價(jià)主要針對(duì)2個(gè)方向：垂向和縱向，當(dāng)振動(dòng)加速度超過(guò)規(guī)定的限制，則稱(chēng)之為硬點(diǎn)，現(xiàn)行的硬點(diǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：速度在200 ～300 km/h時(shí)，垂向加速度不大于588 m/s2(60g)；速度在300～350 km/h時(shí)，垂向加速度不大于686 m/s2(70g)。

接觸線動(dòng)態(tài)抬升量是根據(jù)接觸線在每跨內(nèi)抬升量的最大值Dmax、最小值Dmin和動(dòng)態(tài)高度差Dmax-Dmin進(jìn)行評(píng)判。在正常情況下高速運(yùn)行時(shí)，需要限制接觸線的動(dòng)態(tài)抬升量。接觸線動(dòng)態(tài)抬升量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為接觸導(dǎo)線最大垂向振幅Dmax-Dmin≤150 mm。

以上主要針對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)及受流性能檢測(cè)中重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)參數(shù)給出了評(píng)估準(zhǔn)則，其他相關(guān)參數(shù)的評(píng)判準(zhǔn)則未涉及(但部分非標(biāo)參數(shù)如磨耗、接觸網(wǎng)彈性和不平順在各自行業(yè)規(guī)范有相關(guān)規(guī)定，但現(xiàn)在還未上升到相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn))，將在后續(xù)的研究中加以討論。

4 結(jié)束語(yǔ)

弓網(wǎng)系統(tǒng)是車(chē)輛大系統(tǒng)的一個(gè)相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)涉及到力學(xué)、電、熱、材料等多個(gè)學(xué)科，由此凸顯的問(wèn)題也較多。本文主要圍繞弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及受流性能的檢測(cè)，著重介紹了接觸壓力、加速度、導(dǎo)線高度以及燃弧等方面檢測(cè)相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀、不足及發(fā)展趨勢(shì)。除此之外，對(duì)一些非標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的測(cè)試與研究，也進(jìn)行了相應(yīng)的探討。對(duì)于如此眾多的弓網(wǎng)系統(tǒng)性能測(cè)試參數(shù)，如何利用多學(xué)科的交叉和融合，克服車(chē)頂高電壓強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的惡劣測(cè)試環(huán)境，同步給出里程、時(shí)域和頻域范圍內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)信息，從而辨識(shí)多物理場(chǎng)多參數(shù)相互之間的影響和制約關(guān)系，達(dá)到受電弓和接觸網(wǎng)之間最佳匹配，保證列車(chē)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。