白明慧

0 引言

蘭新線地處河西走廊西段及天山山脈，自然環(huán)境惡劣，線路多處地段屬于半沙漠和沙漠地區(qū)，多處線路處于風(fēng)口，其中蘭新線途經(jīng)百里分區(qū)、安西風(fēng)區(qū)、達(dá)板城風(fēng)區(qū)等多處鐵路也經(jīng)常面臨大風(fēng)的威脅，大風(fēng)經(jīng)常會(huì)引起接觸網(wǎng)震蕩，造成弓網(wǎng)故障。

氣流形成的強(qiáng)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)的作用首先表現(xiàn)在對(duì)接觸網(wǎng)張力的影響上。為保證良好的電力機(jī)車(chē)取流質(zhì)量和正常運(yùn)行，需要接觸網(wǎng)有足夠的張力。張力補(bǔ)償裝置根據(jù)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)情況，實(shí)時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償和調(diào)節(jié)接觸網(wǎng)的張力，是控制接觸網(wǎng)的張力保持在一定范圍的重要器件。張力補(bǔ)償裝置的狀態(tài)變化在一定程度上反映了接觸網(wǎng)的狀態(tài)和安全情況。接觸網(wǎng)的日常維護(hù)可通過(guò)檢測(cè)張力補(bǔ)償裝置的狀態(tài)變化來(lái)判斷接觸網(wǎng)的狀態(tài)，為及時(shí)排除接觸網(wǎng)故障隱患提供重要的依據(jù)。因此，對(duì)接觸網(wǎng)張力的分析和監(jiān)測(cè)，對(duì)掌握接觸網(wǎng)的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)的影響以及運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，保證接觸網(wǎng)運(yùn)行的安全性有重要的意義。

1 接觸網(wǎng)張力影響因素分析

為保證電力機(jī)車(chē)的受電弓在運(yùn)行中取流平穩(wěn)，要求接觸線的導(dǎo)高、拉出值等參數(shù)滿(mǎn)足一定范圍。 因此，正常狀態(tài)下的接觸網(wǎng)具有足夠的張力才能保持接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性和為電力機(jī)車(chē)提供良好的受流條件。

1.1 風(fēng)速對(duì)接觸網(wǎng)的影響

接觸網(wǎng)架設(shè)在鐵路上方，通常距離軌平面6 m左右。地表面的空氣流形成風(fēng)，根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，基本風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系為

式中，W0為基本風(fēng)壓，kN/m2；v 為風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

式中，Wx為線索單位風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；d 為線索直徑或高度，m；us為線索風(fēng)載負(fù)荷體型系數(shù)，取值1.2；uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取值1。

據(jù)此接觸網(wǎng)線索受風(fēng)風(fēng)力與線索單位風(fēng)載荷的關(guān)系為

式中，l 為線索長(zhǎng)度，m；F風(fēng)為線索單位風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，N。

按照上述計(jì)算公式，可以計(jì)算得到風(fēng)速對(duì)接觸網(wǎng)線索張力的影響，其對(duì)應(yīng)的變化曲線如圖1所示。

圖1 風(fēng)速對(duì)接觸網(wǎng)張力的影響曲線圖

由圖1可以看到：隨著風(fēng)速的增大，線索張力增大，但并不是線性關(guān)系。由于有吊弦的拉力作用，承力索的張力變化比接觸線的大。當(dāng)風(fēng)速超過(guò) 40 m/s 時(shí)，接觸線張力變化值會(huì)超過(guò)大約1 500 N，承力索張力變化值會(huì)接近2 000 N，接觸網(wǎng)的平均張力變化可接近或超過(guò)接觸網(wǎng)運(yùn)行安全控制的10%變化范圍。特別需要指出的是：如果風(fēng)速的頻率和接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的自振頻率相近時(shí)，接觸網(wǎng)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，接觸線和承力索都會(huì)大幅度的舞動(dòng)，使接觸網(wǎng)張力變化范圍急劇增加，影響接觸網(wǎng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致斷線、倒桿，中斷鐵路運(yùn)輸。

1.2 覆冰對(duì)接觸網(wǎng)的影響

西北地區(qū)氣候變化大，在氣溫較低或大霧天氣及下凍雨之后，會(huì)在接觸網(wǎng)線索與懸掛設(shè)備上形成覆冰。覆冰不僅影響接觸線導(dǎo)高等靜態(tài)參數(shù)，還將影響接觸線的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，改變接觸網(wǎng)力學(xué)性能，從而導(dǎo)致接觸網(wǎng)的波動(dòng)性能發(fā)生變化，受電弓與接觸網(wǎng)的耦合關(guān)系惡化，受電弓的滑動(dòng)不平穩(wěn)，受電弓離線，產(chǎn)生電弧，燒損接觸線。另外，受電弓的滑動(dòng)受到阻力，會(huì)發(fā)生打弓現(xiàn)象，影響弓網(wǎng)的機(jī)械壽命和電氣壽命。

導(dǎo)線表面覆冰的模型如圖2所示，導(dǎo)線半徑為r，覆冰厚度為d，導(dǎo)線的作用力可以等效作用于質(zhì)心，與重力重合，方向垂直向下。

圖2 線索覆冰模型示意圖

根據(jù)相關(guān)物理推導(dǎo)，可以得到覆冰重力的計(jì)算式為

綜上，本研究結(jié)果顯示，老年患者雖在糖尿病、心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病、高血壓病等一般狀態(tài)顯著劣于年輕組，但ERAS方案依從率、吻合口瘺率、再手術(shù)率、再住院率、術(shù)后30 d內(nèi)死亡率差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明ERAS方案對(duì)老年患者具有可行性且安全性可接受，無(wú)需調(diào)整。

式中，Q 為線索覆冰的重力，N；v 為覆冰的體積，m3；ρ冰為冰的體密度，取值900 kg/m3；g 為重力加速度，取值9.8 m/m2。

按照以上計(jì)算方法，可以得到不同覆冰厚度對(duì)線索張力的影響，其變化情況如圖3所示。

圖3 導(dǎo)線表面覆冰厚度對(duì)導(dǎo)線張力的影響曲線圖

由圖3可以看出：導(dǎo)線表面的覆冰厚度增大，會(huì)導(dǎo)致作用其上的張力隨之增大，且隨著覆冰厚度的增大而迅速增大。如果覆冰厚度超過(guò)20 mm，接觸線的張力變化值就會(huì)超過(guò)1 000 N，承力索的張力變化值也會(huì)超過(guò)2 000 N，接觸網(wǎng)的平均張力變化也會(huì)接近或超過(guò)接觸網(wǎng)運(yùn)行安全控制的10%變化范圍。

1.3 風(fēng)與冰共同對(duì)接觸網(wǎng)的影響

由于接觸網(wǎng)的特殊工作環(huán)境，風(fēng)、覆冰2 種影響因素有可能會(huì)同時(shí)存在，共同作用于接觸網(wǎng)。將2 種情況的影響進(jìn)行疊加，可得到在覆冰厚度為 10 mm 時(shí)，不同風(fēng)速對(duì)線索張力的影響，如圖4所示。利用同樣的方法也可以得到在同一風(fēng)速條件下不同覆冰厚度對(duì)線索張力的影響情況。

圖4 風(fēng)速和覆冰共同對(duì)接觸網(wǎng)張力的影響曲線圖

由圖4可以看出：接觸網(wǎng)同時(shí)受到風(fēng)和覆冰作用時(shí)，承力索的張力變化值要比接觸線的變化大，例如，當(dāng)風(fēng)速為40 m/s 時(shí)，接觸線的張力變化值約增大2 600 N，承力索的張力變化值增大接近4 000 N，兩者的張力變化都超過(guò)了接觸網(wǎng)運(yùn)行安全控制的10%變化范圍。與風(fēng)力單獨(dú)作用的情況（圖2）或者覆冰單獨(dú)作用的情況（圖3）進(jìn)行比較，還可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)力和覆冰共同對(duì)接觸網(wǎng)的影響，明顯比風(fēng)力單獨(dú)作用或覆冰單獨(dú)作用的影響大。

2 接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)掌握風(fēng)力造成接觸網(wǎng)的張力變化，設(shè)計(jì)了一種新型的接觸網(wǎng)張力監(jiān)控裝置。

2.1 接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)原理

本文所設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)裝置，是以廣泛應(yīng)用的滑輪加墜砣形式的張力補(bǔ)償器為對(duì)象。接觸網(wǎng)滑輪結(jié)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)接觸網(wǎng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中的墜砣相對(duì)靜止，如果某種因素導(dǎo)致接觸網(wǎng)的張力發(fā)生變化時(shí)，墜砣的位置就會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)安裝在立柱上的位置傳感器采集墜砣位移變化信息，監(jiān)控器對(duì)數(shù)據(jù)處理和分析，就可以給出墜砣位置的變化特性，如果接觸網(wǎng)張力的變化較大，超過(guò)接觸網(wǎng)運(yùn)行安全控制的范圍時(shí)，必然也會(huì)導(dǎo)致墜砣位移發(fā)生很大變化，根據(jù)監(jiān)控器內(nèi)置的專(zhuān)家系統(tǒng)判定，并給出報(bào)警，提醒有關(guān)部門(mén)和人員進(jìn)行接觸網(wǎng)檢修，將接觸網(wǎng)故障及時(shí)消除，從而保證接觸網(wǎng)狀態(tài)良好，確保行車(chē)安全。

圖5 接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)裝置示意圖

接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，串口通信接口RS-485 將數(shù)據(jù)處理單元獲得的張力狀態(tài)有效信息送入已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)的“GSM 大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，利用GSM 無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)接觸網(wǎng)的狀態(tài)信息就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，調(diào)度通過(guò)系統(tǒng)的上報(bào)信息顯示，及時(shí)了解和掌握接觸網(wǎng)張力狀態(tài)。

圖6 接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)模塊框圖

2.2 信號(hào)采集單元

接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)的信號(hào)采集，主要由位移傳感器對(duì)墜砣的位置監(jiān)控來(lái)獲取。采用器件為ZLDS10X 激光位移傳感器，其具有數(shù)字化集成一體化結(jié)構(gòu)，0.01%高分辨率，0.1%高線性度，9.4 kHz高響應(yīng)、IP67 高防護(hù)等級(jí)和可同步等高性能，工作溫度范圍寬，量程最小2 mm，最大1 250 mm；支持多個(gè)傳感器同步采集；針對(duì)串口，提供了運(yùn)行應(yīng)用的DLL 開(kāi)發(fā)庫(kù)，方便用戶(hù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件；非接觸位移精密測(cè)量。

為滿(mǎn)足傳感器與數(shù)據(jù)采集及處理的信號(hào)協(xié)調(diào)性，需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖7所示。

圖7 信號(hào)調(diào)理電路圖

監(jiān)測(cè)的信號(hào)在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換前，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波處理，常用的濾波器有RC 濾波器、高通濾波器、低通濾波器等，考慮墜砣的變化速度不快，該裝置設(shè)計(jì)了一個(gè)四階的低通濾波器，電路如圖8所示。

圖8 低通信號(hào)濾波電路圖

2.3 數(shù)據(jù)處理單元

接觸網(wǎng)張力監(jiān)測(cè)裝置的核心是數(shù)據(jù)處理。信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理濾波后，進(jìn)入AD 轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析處理，ARM 管理模塊接收來(lái)自DSP 處理單元的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類(lèi)顯示、存儲(chǔ)、上傳等處理。設(shè)計(jì)中的微處理器采用的是目前安全監(jiān)控領(lǐng)域廣泛使用的高性能處理器TMS320F28335，它具有精度高、速度快和集成度高的特點(diǎn)。TMS320F28335 是一款32 位浮點(diǎn)DSP 芯片，可以在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32 位或2 個(gè)16×16 位的乘法累加運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)

按照上述方法設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)張力監(jiān)控裝置，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里完成了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示：對(duì)墜砣位移分辨的監(jiān)控精度達(dá)到了0.1 mm；與激光測(cè)試儀對(duì)墜砣位移進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，張力監(jiān)控裝置的監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于千分之一，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要。

3 結(jié)論

本文通過(guò)分析風(fēng)力、覆冰及其風(fēng)力覆冰共同作用對(duì)接觸網(wǎng)的影響，可以得到：當(dāng)風(fēng)速超過(guò)40 m/s時(shí)，或者覆冰厚度超過(guò)20 mm 時(shí)，接觸網(wǎng)的平均張力變化可超過(guò)接觸網(wǎng)運(yùn)行安全控制的10%變化范圍；當(dāng)風(fēng)力和覆冰共同作用接觸網(wǎng)時(shí)，其產(chǎn)生的影響明顯比風(fēng)力單獨(dú)作用或覆冰單獨(dú)作用時(shí)大。

對(duì)接觸網(wǎng)張力的變化，可以通過(guò)檢測(cè)墜砣的位移進(jìn)行監(jiān)控。模擬實(shí)驗(yàn)顯示：張力監(jiān)控裝置對(duì)墜砣位移分辨的監(jiān)控精度達(dá)到0.1 mm，監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于千分之一。接觸網(wǎng)的張力監(jiān)測(cè)，可以對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，提示有關(guān)部門(mén)和人員對(duì)接觸網(wǎng)及時(shí)進(jìn)行檢修，將接觸網(wǎng)隱患消除，保證行車(chē)安全。

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