孟祥奎，吳積欽

0 前言

高速電氣化鐵道在我國電氣化路網(wǎng)中的比重越來越高，其運營管理、維修模式也有別于常速電氣化鐵道。

對高速運行中的受電弓和接觸網(wǎng)狀態(tài)進行定點監(jiān)測是減少弓網(wǎng)事故的重要手段。法國、德國和日本等國家在其高速線上都裝有定點監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測受電弓和接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)，而我國現(xiàn)在還是空白。定點監(jiān)測主要是通過監(jiān)測受電弓通過時的接觸線的抬升量，判斷受電弓和接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)。對運行中受電弓的狀態(tài)監(jiān)視將有效避免受到損壞的受電弓繼續(xù)使用，并對查找接觸網(wǎng)局部缺陷提供幫助。

1 理論依據(jù)

受電弓和接觸網(wǎng)構(gòu)成一個復雜的振動系統(tǒng)，列車運行時，受電弓與接觸線間的接觸壓力是變化的，其變化范圍與列車運行速度、受電弓性能、車輛特性、鋼軌平整度及接觸網(wǎng)等一系列因素有關。

弓網(wǎng)間接觸壓力的最直接反應是接觸線抬升量，接觸壓力的變化將導致接觸線抬升量發(fā)生變化。接觸線抬升量是接觸壓力的函數(shù)。因此通過監(jiān)測受電弓通過時的接觸線抬升量可以間接得知受電弓的運行狀況。

弓網(wǎng)間的接觸壓力Fc為

式中，F(xiàn)s為速度為零時弓網(wǎng)之間的接觸壓力；Fa為空氣動力；Fd為由于受電弓和接觸網(wǎng)的相互作用產(chǎn)生的接觸分力。

列車在某一速度下運行，如果測量的抬升量有任何明顯的增加或減少，均表明有干擾或受電弓缺陷。這些現(xiàn)象可能由以下因素引起：

（1）靜態(tài)接觸壓力Fs過高或過低，靜態(tài)接觸壓力調(diào)節(jié)不當。

（2）空氣動力Fa過高或過低。比如，由于風擋調(diào)節(jié)不當或損壞造成Fa過高或過低。

（3）接觸壓力的動態(tài)分力Fd過高或過低，由于受電弓的機械部件有缺失。比如，調(diào)節(jié)器缺失，會使滑板質(zhì)量有較大變化。

2 國外研究現(xiàn)狀

德國通過接觸線支持裝置上的固定測量設備或通過安裝在車上的移動測量設備測量接觸線抬升量。兩者的測量結(jié)果都是得到接觸線的抬升量，但要達到的目的卻不同。定點監(jiān)測接觸線抬升量可以達到以下目的，但機車監(jiān)測卻無法做到。

（1）線路投入運營后實時監(jiān)測每一個受電弓的運營狀態(tài)和接觸網(wǎng)狀態(tài)。根據(jù)接觸線抬升量判定受電弓是否要維修調(diào)整或有缺陷。

（2）新機車投入已開通線路運營后該機車的受電弓狀態(tài)。弓網(wǎng)關系中的接觸線動態(tài)抬升量是否在安全值以下。

2.1 德國監(jiān)測裝置

德國監(jiān)測方案見圖1。

圖1 德國定位點測量設備示意圖

該方案是在定位器上安裝1根預張力繩，通過電壓表測量接觸線抬升。該方案不需要任何能源，信號通過光耦合傳到測量放大器，然后直接送到計算機，再通過GMS無線電傳輸記錄數(shù)據(jù)。該套裝置支持結(jié)構(gòu)簡單，可以監(jiān)測接觸線抬升和監(jiān)測點接觸線的振動時間。圖2是監(jiān)測結(jié)果。

圖2 接觸線抬升量監(jiān)測圖（2個受電弓，車速270 km/h）

2.2 日本監(jiān)測裝置

日本監(jiān)測方案見圖3。

日本測量設備分2部分，一部分安裝在接觸網(wǎng)支持裝置上。該部分設備采用蓄電池供電，采集的信息通過無線方式發(fā)出。測量定位器振動的角位移傳感器通過細線與定位器端部相連，其工作原理與德國測量方法相同。接收信息及處理的設備安裝在移動的汽車內(nèi)。

該套設備用來測量接觸線的振動情況，并對接觸線的應變進行計算，分析接觸線的變形。通過對接觸線彎曲應變的測量，研究接觸線受力狀態(tài)，進而預測接觸線的抗彎曲壽命。同時，測試接觸線的抬升量，確定接觸線的最大抬升量、振動周期和衰減系數(shù)。

圖3 日本定位點測量設備圖

3 定位點監(jiān)測裝置的研制

通過定位點監(jiān)測可以避免故障狀態(tài)下的受電弓繼續(xù)運行，預防故障或有缺陷的受電弓擴大損壞接觸網(wǎng)。監(jiān)測受電弓的動態(tài)性能，提高受電弓的運行可靠性，通過對測試值的分析（振幅、頻率等），可以為接觸網(wǎng)維護提供基礎數(shù)據(jù)。這些都是定位點監(jiān)測裝置要達到的目標。同時，該裝置本身應具有安全可靠、精度高，易于實施的特點。

3.1 技術方案

借鑒國外經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)特點，研制的監(jiān)測裝置主要由2部分組成：數(shù)據(jù)采集、接收部分和數(shù)據(jù)處理部分。其工作原理是通過安裝在接觸網(wǎng)支柱上一個以太網(wǎng)相機，通過相機采集定位點的接觸線圖像。圖像信息通過以太網(wǎng)傳入系統(tǒng)主機，完成數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)主機進行相關的數(shù)據(jù)處理和分析。

該方案的優(yōu)點是監(jiān)測裝置和接觸網(wǎng)無機械連接和電氣連接。但該方案對實時監(jiān)測接觸線的相機要求很高，并要開發(fā)出一套圖形識別和處理軟件。

3.2 關鍵技術點

3.2.1 數(shù)據(jù)采樣設備

該裝置關鍵技術問題是解決好數(shù)據(jù)采樣的精確度，包含2方面的要求：數(shù)據(jù)采樣間隔；數(shù)據(jù)采樣精度。

經(jīng)過多次試驗和比對，最后選定高速以太網(wǎng)相機。

3.2.2 數(shù)據(jù)記錄和判斷

要實現(xiàn)對受電弓運行狀態(tài)的監(jiān)測，需要連續(xù)不間斷記錄受電弓通過前后一段時間內(nèi)接觸線振動波形，同時根據(jù)波形判斷受電弓運行狀態(tài)，即完成數(shù)據(jù)采集，繪制監(jiān)測波形；采集的數(shù)據(jù)與標準信息比對，判別弓網(wǎng)運行狀態(tài)。

經(jīng)過計算和觀測修正，可以確定在監(jiān)測點處各種類型受電弓以不同速度通過時，定位點處接觸線的最大抬升量、振動頻率、最大瞬間加速度、振動波形等參數(shù)的標準信息。當以后該類型的受電弓通過時得到的各項參數(shù)如果和標準信息相差較大時，可給出異常報警。

4 試驗結(jié)果

4.1 實驗室試驗

為了驗證研制裝置的有效性，在上線之前在實驗室對該裝置進行了試驗，主要試驗包括：相機標定實驗；接觸線抬升精度測量實驗；接觸線檢測算法實驗。

4.2 現(xiàn)場試驗

該裝置實驗室試驗完成后，在西安—寶雞的寶雞供電段管內(nèi)進行了現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗分3個階段進行。

（1）200 km/h區(qū)段。

測量時間：2007 - 05 - 29 T 16：00—05 - 31 T 16：00。

測量地點：西寶線興平至茂陵區(qū)間。

（2）200 km/h區(qū)段。

測量時間：2007 - 06 - 02 T 18：00—06 - 03 T 16：00。

測量地點：西寶線興平至茂陵區(qū)間。

（3）160 km/h區(qū)段軟橫跨定位。

測量時間：2007 - 06 - 04 T 13：00—06 - 05 T 11：00。

測量地點：西寶線蔡家坡站。

通過現(xiàn)場試驗驗證了監(jiān)測裝置完全可以記錄監(jiān)測點處受電弓通過時接觸線的抬升量和振動波形。通過記錄的波形和仿真計算的波形進行對比，發(fā)現(xiàn)每次雖有差異，但只要是正常運行，記錄的波形都在一個標準波形左右。

5 結(jié)束語

受電弓與接觸網(wǎng)的相互作用狀態(tài)對于列車的正常取流至關重要。在用移動的受電弓檢測固定狀態(tài)的接觸網(wǎng)已取得實效的情況下，提出了以固定接觸網(wǎng)監(jiān)測接觸線抬升量判斷弓網(wǎng)運行狀態(tài)的設計方案，并成功研制了監(jiān)測裝置，開發(fā)了與監(jiān)測裝置配套的分析系統(tǒng)，在實際應用中取得的效果良好。

目前，國內(nèi)關于接觸網(wǎng)參數(shù)檢測設備的應用已相當普遍，接觸網(wǎng)也能維持在一個較好的運行狀態(tài)下。但接觸網(wǎng)的局部缺陷有時會導致受電弓的損壞，當受電弓的損壞沒有被及時發(fā)現(xiàn)時，有可能損壞正常狀態(tài)的接觸網(wǎng)設備，惡性循環(huán)的結(jié)果是兩者相對關系徹底破壞及故障范圍擴大。

鑒于我國鐵路的規(guī)劃與建設，高速鐵路客運專線的建設將進入一個快速發(fā)展高峰階段，而接觸線的抬升測試和評判已是客運專線驗收檢測中不可缺少的項目，在日常維修中也應注意該項的監(jiān)測。

[1]KieBling, Rainer Puschmann, Axel Schmieder. Siemens:Contact Lines for Electric Railways Friedrich[M].2001.

[2]鍋克士. 弓網(wǎng)系統(tǒng)的技術開發(fā)現(xiàn)狀及課題[J]. 鐵道總研報告. 1995, (9): 1-6.