周 寧，蔚 超，譚夢穎，鄒 棟，張衛(wèi)華

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 四川 成都 610031)

弓網關系研究的主要目的是保證受電弓/接觸網之間穩(wěn)定的電能傳輸，但如何評價弓網系統(tǒng)的受流性能，即根據什么檢測內容、測試方法和評價準則來評估弓網動態(tài)及受流性能的優(yōu)劣，是弓網關系研究需要解決的問題。在國外，弓網關系相關標準已作為鐵路系列標準的一部分得到廣泛應用，如歐洲標準BS EN 50367：2013[1](弓網相互作用技術規(guī)范)、BS EN 50317:2012[2](弓網動態(tài)相互作用測量的要求與確認)、BS EN 50405:2016[3](受電弓碳滑板測試方法)、BS EN 50206:2012[4](干線/地鐵與輕軌車輛受電弓特性和試驗，IEC 60494:2013[5])、BS EN 50119:2013[6](電力牽引架空式接觸網)等。在對國外相關標準體系消化吸收的基礎上，結合國內弓網系統(tǒng)的實際運行情況，我國也逐步建立了一些弓網系統(tǒng)檢測與評價標準，如GB/T 21561—2008[7](類似BS EN 50206:2012和IEC 60494:2013，包含TB/T 1456—2004[8])，TB/T 3271—2011[9](類似BS EN 50367:2013)，GB/T 32592—2016[10]等。

目前，弓網系統(tǒng)動態(tài)及受流性能檢測的核心內容主要包括：弓網接觸壓力、硬點(振動加速度)、燃弧(火花)和接觸線動態(tài)高度等參數。涉及這些參數的檢測這里稱之為標準檢測，除此之外的參數檢測稱之為非標準檢測。本文基于現行弓網系統(tǒng)檢測的相關標準和規(guī)范，著重探討上述動態(tài)及受流性能關鍵參數的相關檢測技術的現狀、不足及發(fā)展趨勢，同時也對其他非標準參數的測試技術進行了分析，并論述相關的基礎研究動態(tài)。

1 標準檢測內容及方法

1.1 接觸壓力

弓網滑動接觸過程中的接觸壓力是評判弓網動態(tài)相互作用的關鍵指標之一。常見的接觸壓力檢測主要通過安裝在弓頭滑板和支架之間的力傳感器完成。測定滑板和支架相互作用力后，可利用弓頭加速度測試結果和弓頭等效質量計算得到的慣性力來修正，最終獲得弓網間的接觸壓力。

對接觸壓力測試過程中，常規(guī)的滑板振動加速度測試假定滑板僅體現剛體運動(平動或轉動)形式，滑板上不同位置有相同的加速度及質量系數(質量系數即F=ma中質量項)，僅布置一個測點。造成這種測試方法頻率適用范圍有限，通常最高在20 Hz左右。隨著弓網相互作用頻率增加，弓頭滑板的柔性變形被激發(fā)，滑板上不同測點處有不同的加速度和質量系數，如用滑板整體等效質量乘以振動加速度來計算慣性力將引起較大的接觸壓力測量誤差。因而，在高頻范圍，慣性修正成為接觸壓力測試過程中的關鍵環(huán)節(jié)，是影響弓網接觸壓力測試精度的主要因素之一[11-12]。

當考慮弓頭滑板柔性變形時，將滑板等效為彈性體，此時接觸壓力可更為準確的表示為

( 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為滑板振動位移；x為滑板距原點位移；t為時間；Fc為弓網接觸壓力。

通過理論解析方法確定慣性力項是非常復雜的，文獻[11]中提出了一種通過實驗法確定質量系數wi，進而確定慣性力的方法。以弓頭布置3個加速度傳感器為例，質量系數分別為w1、w2和w3，見圖1。由此，弓頭滑板等效體力平衡方程寫成分離體的形式為

( 2 )

由于3個加速度傳感器沿弓頭中心對稱布置，兩側的質量系數應該相等，即w2=w3；同時，3個質量系數的疊加應該與滑板等效體的線密度和長度的乘積相等，由此通過實驗測試確定的傳遞函數則可以得到3個質量系數。在實測時，通過剪切力和加速度的測試，可得到更為準確的慣性力以及接觸壓力，實驗臺測試和線路測試證實了該方法的精度。

近年來，在傳統(tǒng)的力和加速度傳感器測試的基礎上，一些新興的測試技術不斷涌現，豐富了接觸壓力的動態(tài)測試。其中比較有特點的是圖像處理識別技術和光纖測試技術。國外學者在基于圖像處理技術的接觸壓力測試方面已開展大量研究工作，并研制了相應的車載非接觸式的檢測系統(tǒng)[13-14]。該測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對標記點的圖像識別及處理技術，獲取標記點的振動位移，進而確定其弓頭彈簧的變形量和弓頭振動加速度，隨之計算得到力平衡方程中的弓頭相互作用力和慣性力，從而最終確定弓網間的接觸壓力，見圖2。

在接觸壓力測試方面，光纖技術的應用主要基于2個方面：一方面是直接開發(fā)光纖式力傳感器，替代傳統(tǒng)的力傳感器，克服電磁干擾、絕緣等問題，但由于是針對某種特定的受電弓結構進行開發(fā)，因而只適用于同類受電弓的安裝和測試，通用性相對較差[15]；另一種是通過光纖傳感器測試滑板的應變來推導接觸壓力[16]，基本原理是將受電弓弓頭滑板簡化為簡支梁結構,見圖3。以弓頭滑板中心為坐標原點，長度方向為x軸，垂向為y軸，建立坐標系，將接觸力等效為梁上一集中載荷F。由簡支梁的力學特性，應變和接觸力之間對應關系為

( 3 )

式中：ε為受電弓滑板應變；F為弓網間接觸力；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；L為滑板的等效長度。同時由式( 1 )可見，這里僅有F和m2個未知量，其他量都是可以提前確定的。由此，根據不少于2個測點的應變方程則可以確定接觸力F及相應的作用位置m。

對于2個測點的情況，僅當2個測點分別對稱布置于接觸力的兩側，即接觸力F始終處于2個測點之間時，才能有效確定接觸力以及相應的作用位置。同時，為有更簡化的對應關系，將2個測點沿滑板中心對稱布置，即x1=-x2。根據測點x1和x2以及對應的應變ε1和ε2，聯立2個應變方程，可得

( 4 )

如上所述，對于3個及以上的測點可作類似的推導，也可確定接觸力F及作用位置m。作者所在課題組(2個測點)和文獻[16]中(4個測點)測得的滑板不同位置波長(應變)與作用力(接觸力)的對應關系見圖4。由圖4可見，當作用力在2測點的中間變化時，具有良好的線性度，從而從理論上證明了該方法的可行性。但該測試方法的有效性還有待線路試驗的車載試驗驗證。同時，實際應用中溫度補償、滑板磨耗的影響以及可靠性問題也是亟待解決和進一步深入研究的問題[17-18]。

最后，有學者提出了一種基于反演技術的接觸壓力測試方法[19]，區(qū)別于傳統(tǒng)的平衡法(通過確定滑板和接觸線之間的相互作用力和慣性力來獲得接觸壓力)。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，振動加速度視為輸出響應，由此通過反演技術，接觸力可以通過輸出響應和傳遞函數確定，見圖5。通過對現役受電弓的數值計算和實驗臺測試，該方法的有效性得到了驗證。相比于傳統(tǒng)的平衡法，其在高頻范圍內有更好的精度，同時傳感器的安裝位置限制也較小。但該方法傳遞函數矩陣的確定是關鍵，需要引入廣義逆矩陣相關算法，計算過程也較為繁瑣。同時，實際線路測試時的信號去噪問題也有待進一步解決。

1.2 振動加速度

弓網動態(tài)及受流檢測中另一個關注重點是振動加速度的測試，其中主要涉及受電弓弓頭振動加速度的測試。通過在受電弓弓頭安裝加速度傳感器，測試弓頭的垂向振動、橫向及縱向沖擊加速度。弓頭部分的測點，理論上應該安裝于滑板及支撐結構的中心位置，但由于實際安裝位置的限制，通常只能安裝在有足夠空間的弓頭滑板與支架的聯接位置等。同時為了減少傳感器附加質量對弓頭動力學性能的影響，常采用對角線的安裝方式(單滑板受電弓除外)。近年來，由于光纖傳感器的抗電磁干擾、耐絕緣等優(yōu)勢，光纖加速度傳感器也在弓網測試中得到了廣泛的應用，并取得了較為理想的測試效果[20]。

除了標準體系涉及的弓頭振動加速度測試外，更全面的振動測試也已在諸多線路試驗中展開，為全面掌握受電弓振動狀態(tài)和動態(tài)特征提供了有力的基礎數據。在實際線路測試時，較為常用的加速度測點布置方式見圖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。

1.3 導線動態(tài)高度

導線高度目前主要通過受電弓滑板的高度來反映。安裝在車頂的高精度相機或激光測距設備，通過測量受電弓滑板的動態(tài)抬升，基于預先設定的換算算法，可直接反映接觸網導線的動態(tài)高度。對于此種固定點的位移測試，圖像或激光設備都可以達到良好的精度，測試也較為容易，這里就不再贅述。

1.4 燃弧(火花)

燃弧(火花)是衡量弓網動態(tài)及受流性能的重要指標，目前主要通過火花探測儀或紫外相機進行測試，記錄燃弧的次數和單次燃弧的持續(xù)時間(通常大于5 ms的燃弧被記錄)，進而統(tǒng)計限定時間或限定距離的離線次數、一次離線的時限及離線率。

在歐洲標準BS EN 50317中，對燃弧的檢測已給出相應的波長要求，需包含波長范圍220～225 nm或323～329 nm。為避免其他波段光線對燃弧檢測造成影響，可添加對大于330 nm波長光進行截止的濾光片。同時，也有學者通過對不同弓網接觸副材料條件下燃弧弧光的波長進行實測，如銅和銅合金接觸線—碳滑板或浸金屬滑板，發(fā)現弧光輻射的波長范圍主要在兩段區(qū)段：200～240、320～340 nm。實測的結果比標準規(guī)定的波長范圍略寬，但基本一致，也可作為設備選型時的參考[21]。

除了單純探究如何更準確地獲取燃弧時間、次數等測試技術本身的問題外，進一步研究燃弧與弓網離線(包括離線間隙)、燃弧與牽引供電的映射關系[22]?；诠W燃弧探究受電弓、接觸網的多場耦合行為是弓網燃弧后續(xù)研究的重點和關鍵。

2 非標測試內容及方法

除上述動態(tài)及受流性能涉及的關鍵參數指標外，以下參數雖然在標準檢測中未作相應的規(guī)定，但也與弓網系統(tǒng)動態(tài)性能密切相關。如，受電弓和接觸網的氣動特性，接觸網不平順特性，溫度分布，動應力及磨耗等參數。

2.1 氣動特性

受電弓的氣動特性測試可分為整體氣動力測試、弓頭氣動抬升力、表面壓力測試等。目前，整體氣動力測試主要通過加裝于受電弓絕緣子與安裝座之間的測力天平完成，見圖7。由每個天平測試并計算出整體的氣動力，包括：氣動阻力、氣動升力和氣動橫向力等。

對于弓頭氣動抬升力的測試，需要在受電弓安裝底座處固定拉力傳感器，用細繩或鋼絲連接受電弓弓頭和拉力傳感器。測得細繩或鋼絲的拉力后，可等效確定受電弓弓頭的氣動抬升力，見圖8。線路測試時，原有雙弓受流列車需保證一個受電弓處于正常受流狀態(tài)，被測受電弓處于半升弓狀態(tài)且不受流，通過調整被測受電弓氣囊壓力和細繩或鋼絲長度，可調節(jié)被測弓頭滑板和接觸線間的絕緣間隙。

表面壓力的測試主要使用表壓傳感器完成。表壓測試的測點，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面和背風面，通過對表面壓力測試，可確定測點附近的壓力分布，進一步為受電弓氣動力學分析的校驗，以及受電弓氣動特性的改善提供數據支撐。

另一方面，接觸網系統(tǒng)也屬于風敏感結構，尤其是在大風地區(qū)，氣流擾動不僅對接觸網結構自身振動有很大的影響，在受電弓通過時，還會加劇受電弓/接觸網間的耦合作用[23-24]。先前對接觸網風致振動的研究，主要采用假設的風速譜，這與實際的大氣邊界層風剖面存在一定差異。由此，近些年已有國內學者在大風區(qū)建立接觸網風致振動專用試驗段，通過對風區(qū)環(huán)境以及接觸網風致振動響應的測試，為風區(qū)電氣化鐵道接觸網設計和維護提供了技術保障[25]。

目前的試驗研究，接觸網氣動特性測試，弓網系統(tǒng)動態(tài)及受流性能測試，車輛系統(tǒng)動力學性能測試都是獨立開展的，未形成測試數據之間的相互關聯，這對于掌握接觸網氣動特性的演變規(guī)律，以及從弓網系統(tǒng)角度制定大風環(huán)境下的行車限速標準仍較為困難。

2.2 接觸線及滑板磨耗

接觸線磨耗的測試方法最早主要采用人工手動測試,通過卡尺或千分尺逐點登頂測量，這種方法效率低，而且不安全。近些年，德國、法國(SCLE系統(tǒng))、荷蘭(ATON系統(tǒng))、西班牙(MEDES系統(tǒng))等歐洲各國和日本都已開發(fā)自動磨耗測試系統(tǒng)，可以同時測量磨耗、高度和拉出值等幾何參數。各系統(tǒng)的工作原理和性能參數略有差異，詳見文獻[26-27]，但目前采用較多的測試方法是基于光學測量，通過對被測對象發(fā)射光束，然后經接觸線反射后被多個線陣相機捕捉，從而去識別截面特征以確定相應的磨耗量。

另外，隨著三維重構技術的迅速發(fā)展，近年來也涌現出采用激光器并結合數字相機，通過對接觸線進行激光掃描、三維重構，從而得到其三維數字信息，進而確定其磨耗的方法。后面兩種都是采用非接觸式測量方式，精度高、安全性好，現在被較多采用，但復雜天氣條件下進度會受一定的影響。

對于滑板的磨耗，由于每天的磨耗量不大，實時記錄其磨耗量必要性不是太強。因而可以間隔一定的運營里程，在車輛入庫后直接登頂測試。通常，可采用激光器掃描滑板獲取其斷面信息，進而確定準確的滑板磨耗。

接觸線和滑板的磨耗受很多因素的影響，包括動力學性能、溫度、材料等，磨耗是否異常是衡量弓網匹配關系優(yōu)劣、服役性能好壞的重要指標之一。獲取磨耗數據后，首先應該判斷是否在合理的范圍內，如果出現磨耗過快、偏磨、波浪形磨耗等異常磨耗的情況，如何辨識其故障原因，是磨耗測試以及后續(xù)研究中需重點關注的問題。

2.3 接觸網不平順

接觸網不平順的測試可分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試。靜態(tài)測試是人工通過卡尺沿接觸網手動進行測試，這種方法效率低、精度難以保證；動態(tài)測試是通過車載檢測設備在受電弓沿接觸網運行時進行測試。接觸網不平順特性是基于接觸網導線高度的定義，上述磨耗測試中提及的激光掃描法和機器視覺法也可以用于不平順參數的測試，而且精度也較高，這里不再贅述。

當獲取接觸網不平順參數后，可借鑒高速鐵路軌道譜，建立相應線路的接觸網不平順譜，能夠進一步提升弓網系統(tǒng)動態(tài)及受流性能研究成果的可靠性[28-29]。作者所在研究團隊同國內檢測機構和設計院，已通過實測得到我國武廣、滬杭、京滬等多條高速線路接觸網的不平順譜。

2.4 溫度分布

對于弓網系統(tǒng)的溫度測試通?？梢圆捎?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100幅的紅外熱圖，配合后端的智能分析算法，可實時監(jiān)控受電弓和接觸網的溫度分布；另一種是使用光纖傳感器，獲取受電弓表面離散關鍵點的溫度分布。2種方法各有優(yōu)劣，前者可獲取整個區(qū)域的溫度分布圖像或曲線，方便、直觀，但跟蹤測試時間較長時，數據存儲量過大，設備自身發(fā)熱也會引起測試精度的下降。后者測試溫度分布精度高、快捷，但只能獲取單點溫度曲線，可用于一些關鍵點的溫度測試。

溫度分布不僅可以反映弓網接觸性能的好壞，同時對弓網的磨耗有直接的影響[30-31]，因此，通過溫度分布也可以辨識弓網系統(tǒng)服役性能的好壞。目前相關的研究還相對滯后，如何通過理論研究或同步測試，建立溫度與電弧、電流、電壓、磨耗等參數之間的內在聯系，進而獲取弓網故障的辨識模型，對潛在的故障和發(fā)熱進行提前報警，將是后續(xù)研究的重點。

2.5 動應力

動應力是評價結構強度性能的重要參數，主要通過應變測試而確定。傳統(tǒng)的應變片易受弓網所處的高電壓大電流服役環(huán)境干擾，測試精度不穩(wěn)定。光纖式應變傳感器由于具有絕緣、抗干擾等特性，成為弓網動應力測試的理想選擇。對于動應力測試，測點布置是需重點關注的問題，可根據結構服役的故障數據和理論計算分析來確定。此外，還可采用應力互推技術，確定不便安裝應變片位置處的真實應力分布[32]。獲取動應力數據后，通過數值計算分析結構發(fā)生故障或破壞的原因，評估結構疲勞壽命。

除上述提及的一些標準和非標弓網參數測試外，近些年開展的弓網線路檢測還涉及接觸網的彈性、定位點的抬升量、拉出值，受電弓絕緣子的閃絡、振動、老化，以及弓網噪聲等問題。

3 評判準則

接觸壓力的評估主要是基于每跨內統(tǒng)計的接觸壓力的最大值、最小值和平均值?；诂F行TB 10621—2009《高速鐵路設計規(guī)范》[33]動態(tài)接觸力的要求：速度250 km/h時，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，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，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。

燃弧一般基于檢測區(qū)間內統(tǒng)計的燃弧率進行評估，燃弧率定義為所有燃弧持續(xù)時間之和∑Tarc與載流時間Ttotal的百分比。其中：Tarc是指持續(xù)大于5 ms的電弧持續(xù)時間，Ttotal是指測量電流超過30%額定電流的時間。線路類別是交流供電系統(tǒng)時，現行標準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0.1%；大于等于250 km/h線路燃弧率不超過0.2%。

振動加速度(弓頭)的評價主要針對2個方向：垂向和縱向，當振動加速度超過規(guī)定的限制，則稱之為硬點，現行的硬點評價標準為：速度在200 ～300 km/h時，垂向加速度不大于588 m/s2(60g)；速度在300～350 km/h時，垂向加速度不大于686 m/s2(70g)。

接觸線動態(tài)抬升量是根據接觸線在每跨內抬升量的最大值Dmax、最小值Dmin和動態(tài)高度差Dmax-Dmin進行評判。在正常情況下高速運行時，需要限制接觸線的動態(tài)抬升量。接觸線動態(tài)抬升量評價標準為接觸導線最大垂向振幅Dmax-Dmin≤150 mm。

以上主要針對弓網動態(tài)及受流性能檢測中重點關注的幾個參數給出了評估準則，其他相關參數的評判準則未涉及(但部分非標參數如磨耗、接觸網彈性和不平順在各自行業(yè)規(guī)范有相關規(guī)定，但現在還未上升到相應的評判標準)，將在后續(xù)的研究中加以討論。

4 結束語

弓網系統(tǒng)是車輛大系統(tǒng)的一個相對薄弱環(huán)節(jié)，同時涉及到力學、電、熱、材料等多個學科，由此凸顯的問題也較多。本文主要圍繞弓網系統(tǒng)動態(tài)及受流性能的檢測，著重介紹了接觸壓力、加速度、導線高度以及燃弧等方面檢測相關技術的現狀、不足及發(fā)展趨勢。除此之外，對一些非標準參數的測試與研究，也進行了相應的探討。對于如此眾多的弓網系統(tǒng)性能測試參數，如何利用多學科的交叉和融合，克服車頂高電壓強磁場干擾的惡劣測試環(huán)境，同步給出里程、時域和頻域范圍內的測試數據信息，從而辨識多物理場多參數相互之間的影響和制約關系，達到受電弓和接觸網之間最佳匹配，保證列車的安全平穩(wěn)運行。