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、多支接觸線相對(duì)位置、定位器坡度、接觸線坡度等。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)行壽命由接觸線載流量和自身材料決定，需檢測(cè)的參數(shù)有接觸線溫度和磨耗等。

（2）主要檢測(cè)參數(shù)的測(cè)量方法。

a.接觸線幾何位置檢測(cè)。接觸線幾何位置檢測(cè)主要包括對(duì)接觸線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、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)車主要通過(guò)激光掃描法或機(jī)器視覺法對(duì)接觸線幾何位置進(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)車頂部的激光雷達(dá)裝置發(fā)出激光，當(dāng)遇到接觸線時(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)算出接觸線到激光雷達(dá)裝置的直線距離l 及該直線與檢測(cè)車頂面的夾角α。又已知車頂距離軌道平面的高度h0，則拉出值a = lcosα，接觸線h = h0+ lsinα。

圖1 激光掃描法原理圖

機(jī)器視覺法原理如圖2 所示。在激光線所在線路斷面上非工作支接觸線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和非工作支接觸線的空間相對(duì)位置。

圖2 機(jī)器視覺法圖

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，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)弓線間接觸壓力的檢測(cè)?？紤]到接觸線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)車高速運(yùn)行過(guò)程中，接觸懸掛或接觸線上的結(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)沒有進(jìn)行該方面的試驗(yàn)，沒有定論。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)車上，檢測(cè)車以一定的運(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)行軌跡離線狀態(tài)等；狀態(tài)性檢測(cè)，包括接觸壓力、離線狀態(tài)、導(dǎo)線磨損、網(wǎng)壓狀態(tài)、接觸線高度、拉出值、線岔設(shè)置以及定位管坡度；工程性檢測(cè)，包括接觸線高度、拉出值、定位管坡度、懸掛硬點(diǎn)、導(dǎo)線接頭質(zhì)量以及線岔始觸區(qū)兩接觸線高度等。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)采集的類型包括數(shù)字量、開關(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，包括如何選擇總線類型、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)，線路缺陷總體呈下降趨勢(shì)，線路質(zhì)量逐漸得到提高[3]。

圖6 膠濟(jì)線接觸網(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)于已開通線路，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)在接觸線的高度方向，也表現(xiàn)在相對(duì)弓頭中心線的偏移方向。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)接觸線的空間位置進(jìn)行檢查，以確保接觸線的空間位置符合設(shè)計(jì)要求。從滿足弓網(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)線路設(shè)計(jì)正確的接觸線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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[2] 吳積欽，錢清泉.弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧侵蝕接觸線時(shí)的熱分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2008，30（3）：31-34.

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