基于加速度测量接触网平顺性研究

宋诗扬

（中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081）

接触线平顺性是电力机车安全、可靠运行的关键因素之一。随着列车速度的提高，为了维持弓网之间有效的高速滑动摩擦，除保持弓网之间一定的接触力以外，还必须保证接触线的高度平顺性。否则，在受电弓滑板高速摩擦运动中，接触线上的不平顺点将严重损害受电弓滑板，甚至造成严重的弓网事故，影响高速铁路的正常运输秩序。

对于接触线平顺性检测，国外采用的主流科技包括意大利的受电弓检测监测系统，同时采用了相机和激光技术，可以测量一系列参数，如受电弓的几何参数、碳滑板的磨耗、接触线的抬升以及受电弓图像的采集等等。它的适应检测速度最高可以达到300 km/h，对于碳滑板磨耗测量的精度可以达到1 mm；瑞士的受电弓滑板监测系统，采用高速2D 激光位移传感器监测受电弓滑板，受电弓通过时2 个2D 激光传感器同时触发，并对受电弓滑板进行同步测量；德国的接触式定位点抬升测量方案，其以线索连接于定位器定位线夹附近位置，另一侧通过滑轮与支持装置连接在一起。当定位器产生垂直向上的位移时，线索另端连接的电位表即会有相应的位移信号产生，由此实现抬升的测量。

国内基于图像技术的非接触式接触线抬升量测量系统，其采用高分辨率相机，利用非接触式检测方式，在不影响被检测对象工作状态下，可同时测量固定点抬升量值和抬升量随时间变化的曲线。精准测量瞬时速度和目标段内平均速度；结合弓网接触力数据，亦能得出接触线振动弹性系数。现行《受电弓滑板状态监测装置（5C）暂行技术条件》制定5C 装置各项技术相关要求，提高测量数据质量［1］。其主要功能是自动识别不同运行速度受电弓通过状态，确定拍摄时机并抓拍受电弓碳滑板区域技术状态；通过获取的高清图像，分辨滑板残缺、滑板裂缝、弓角磨损等异常状态。可以采用有线或无线传输方式，在受电弓通过后将图像推送到客户端；通过B/S 架构可找到引发故障位置，并进一步指导现场接触网维修维护。

1 接触线不平顺分析

不平顺是一种客观存在的激扰，借鉴轨道的定义，不平顺应当定义为结构实际位置与正常位置（理想位置）的偏差，按照这个定义，首先应考虑接触网的理想位置，即刚度不均匀系数等应当不属于不平顺范畴，因为这是系统固有的特征，即便是理想状态也存在。因此参考这一涵义，我们可将平顺性定义为弓网运动过程中所产生的振动和冲击，是描述弓网匹配、疲劳甚至损害的性能指标，同时亦是描述弓网匹配的平顺度。

接触线的不平顺时间效应主要表现为时间维度的磨损，包括不平顺带来的机械磨损以及电流对接触材料影响引起的电磨损，对于弓网来讲二者复合作用。长期的接触线不平顺，容易恶化发展成为硬点，导致接触线与滑板发生异常冲击，进而引发滑板击打受损、接触线线夹倾斜脱落等弓网事故，严重影响弓网运行安全。

1.1 接触线不平顺论述

接触线不平顺的形成和发展是很多随机性因素共同作用的结果。这些因素包括：接触线本身的平直度、施工高差、设计或安装质量集中点、弹性不均匀、弓网动力作用，以及雨雪、大风、气温等环境因素。多种因素的激励和叠加，使得接触线不平顺在空间和时间上具有典型的随机性。基于接触网系统特殊的工程结构，在受电弓高速滑动激励下，这种随机性越发突出。在任意特定区段的接触线不平顺可看成随机过程的一个样本。这种随机特性决定了对接触线不平顺的描述不能用明确的数学公式表达，对于任意里程位置的接触线不平顺值是无法精确预计的，只能给出接触线不平顺值取值于某一区间的可能性或概率。同时由于弓网作用与速度的强相关性，不同速度等级下接触网系统和受电弓作为系统和激励均呈现。

接触线不平顺虽然具有典型的随机性，但从统计的角度讲又具有一定的规律性。国内外普遍使用接触线硬点最大值计算法则：当垂向加速度的最大值大于规定速度下的门槛值，则判定该跨接触网内有硬点［2］。《高速弓网综合检测装置（1C）暂行技术条件》中给出硬点的定义为“接触线底面不平顺或接触线垂直弹性突变的点，接触悬挂不均质状态的统称”［3］。

然而，最大值计算法仅片面解读不平顺特征。实际运行中受电弓滑板垂向加速度幅值有可能有多处大于门槛值；存在外界干扰情况时，亦可能造成受电弓垂直加速度增加。因此，还需要对接触线硬点的其他特征进行分析，硬点出现直至由硬点引起的受电弓滑板垂向振动这一整个过程具有一定的统计学特性，可以根据一段时间内接触线垂向振动的幅值、振动过程的加速度平均值、标准差等统计特性，判断是否真正存在硬点。另外，还可以引入能量的概念，借助弓网接触力的测量数据，通过判断硬点产生时接触压力的变化情况，对硬点进行辅助性判断。

1.2 对弓网受流的影响

接触网—受电弓受流系统的受流过程是受电弓在接触网下，以机车速度运动完成的。弓网受流过程经历一系列的机械运动与电气状态转化：受电弓相对于接触线的滑动摩擦；同时，几百安培的牵引电流要流过受电弓滑板和接触线的接触面，牵引电流发生剧烈变化；可能产生离线电弧等。当接触线出现不平顺时，受流质量也随之下降，影响列车取流和正常运行。

宏观上，当接触线出现不平顺时，接触网局部质量不均匀区域和硬弯会影响受电弓与接触线的滑动接触，而平稳和可靠的接触是影响弓网受流质量的关键。另外，不良的滑动接触也会造成弓网离线，所产生的电磁效应会影响整个牵引供电系统的性能以及周边的通信信号设备。

微观上，接触线的不平顺会使受电弓通过时受到垂向的振动或冲击，损坏弓头处的滑板。这样不仅影响了受电弓滑板的使用寿命，也会降低受流质量。这是因为：一是振荡磨损后影响了滑板与接触线之间的接触面积，改变了接触表面的阻抗值，降低了电流的传导质量；二是弓网离线时造成的火花或电弧在高温的作用下对碳滑板的表面发生化学腐蚀，影响其材料性能及寿命。

1.3 采用加速度测量接触线不平顺方法

当接触线上有硬弯或质量集中点时，对高速滑动的滑板造成冲击振动，这种振动能够分解为2个方向：水平方向和垂直方向。实际应用中测量的是受电弓滑板受到的冲击加速度值，一般采用垂直方向的加速度评价接触线平顺性。使用综合检测车，主要靠加装于受电弓上的压力传感器及加速度传感器完成。在收到刮弓报警信息后，检测车对相关区域进行检测，再由人工分析检测得到波形检测图［4］。

加速度计是测量物体振动最敏感的元件，对于接触线短波不平顺的检测采用冲击加速度的方法测量。当受电弓滑板受到冲击时，它可以准确灵敏反应，从而检测接触线硬弯。加速度计按照作用和原理有压电式传感器、压阻式传感器、电容式传感器等。目前主流应用的K-Beam 型电容式传感器，各轴由微小的惯性质量体和一个位于2 块极板之间的弯曲元件悬臂组成。当质量在加速度作用下发生改变时，极板间电容值会随之变化。加速度计的信号调节器内置交流激励和同步振幅解调电路，可提供一个与作用的加速度成正比的模拟信号，再通过右侧的放大器和低通滤波器，按电压比例缩放输出，与作用的加速度成正比。

传感器安装时，尽管其焊接钛金属外壳内装有传感器元件和电子装置，但由于传感器装有集成式绝缘插件，插入螺孔与传感器底部的强阳极面板结合，自身又采用了完全气体密封设计确保与地绝缘，测量的准确性不受影响。实际安装中，加速度计需考虑空间条件，一般装于受电弓滑板和支架连接处。并使用对角线安装方式［5］。

1.4 评估标准

接触网动态检测应对弓网动态受流质量以及接触网运行的安全性、可靠性进行检测。硬点（垂向加速度）值为受电弓滑板运行中受到的冲击加速度值，分析频率较高。硬点和一跨内接触线高差应符合标准规定。《客运共线铁路工程竣工验收动态检测指导意见》给出具体指标见表1［6］。

表1 接触线平顺性检测标准

2 试验与数据分析

2.1 案例一

分析接触线不平顺时，列车速度是其最核心最重要的相关因素。我国高速铁路从6 次大提速至今的试验以及科研经验表明，接触线不平顺是制约弓网高速运行的核心因素之一，速度越高，接触线不平顺对弓网的影响越明显。在较低的速度时，硬点会造成弓网之间发生暂时性接触不良；当冲击加速度较大时便会导致离线［7］。

某高铁上行段在联调联试时运行速度为366 km/h，在经过接触线不平顺区域时定位器发生脱落，造成刮弓事故。检测波形如图1 所示，其中纵坐标为受电弓滑板受到的垂向加速度硬点值，横坐标为列车运行的时间，最高瞬时加速度值已达80g，参考管理标准，受电弓滑板垂向加速度值大于表1 中的门槛值。在强大的冲击力作用下，接触线不平顺对受电弓造成了直观的物理伤害。该典型局部接触线不平顺案例的判断依据是除事故区域外其他区域的加速度值未见明显异常。

图1 案例一检测波形图

2.2 案例二

某线路联调联试过程中出现的无交叉线岔区域不平顺导致了受电弓的正负加速度值均超过正常值范围。不同于上一个案例，接触线不平顺时受电弓滑板同时受到正负两向的垂直冲击力。检测波形如图2 所示，该案例中接触线硬点值强度存在很高的规律性，这表示接触线不平顺是连续的，而非局部不平顺。尽管硬点强度值低于案例一，并且检测时未对受电弓造成直接损害，但是由于连续不平顺，造成接触网与受电弓之间空气温度、间隙大小持续变化，对弓网系统仍可造成不小的电磁损害。

图2 案例二检测波形图

排除接触网几何参数、一跨内接触线高差、吊弦高差、接触网设备状态因素后，可推断该缺陷是接触线张力不均造成的。判断接触悬挂结构的一个关键参数即接触线弹性和其不均匀系数。接触线弹性系数为式（1）：

式中：Tj为接触线张力；Tc为承力索张力；l为跨距长度；k为常量。这说明η值宜低，接触线和承力索张力值宜高［8］。

经复核查实后，证实了问题确实为人工放线导致的接触线张力不均，属于施工质量问题。

2.3 案例三

某线路正式开通首次检测中，高速综合检测车共查出一级缺陷7处，二级缺陷37 处。缺陷位置全部集中于下行接触网的7 个锚段内。再次检测情况完全相同。现场反馈的检测数据见表2，检测波形如图3 所示。

图3 案例三检测波形图

利用前面2 个案例的经验分析，由检测数据和检测波形图可见：

（1）连续硬点位置与接触网锚段结构特征吻合，缺陷全部集中于下行接触网的7 个锚段内。

（2）连续硬点全部出现于运行速度180 km/h以上，低于180 km/h 区段均未出现；检测数据和波形图显示连续硬点在曲线位置硬点值偏小、波形幅度较直线段变化小。

（3）已知动态接触网几何参数、弓网接触力、一跨内接触线高差无缺陷。

（4）人工静态测量接触网几何参数、吊弦高差无超标，现场检查接触网设备状态良好无异常、设备安装符合设计标准。

综上所述，排除接触线不平顺、几何参数超标、集中负荷、补偿卡滞、设计不符、轨道状态、电磁干扰、检测设备等可能造成连续硬点因素。缺陷形成与接触网力学结构、检测速度存在关联，缺陷原因是由于锚段内接触线张力不均形成，缺陷根源是由线材材质问题或未按标准放线施工造成。

了解缺陷的根源后，整治方法采用五轮直弯器对缺陷锚段进行平推。整治后缺陷消失，检测波形也恢复正常。

3 结论

理论分析和试验数据统计学中的规律性表明基于加速度测量方法可以准确测量识别接触网的短波不平顺。通过一段时间内接触线垂向振动的幅值、标准差、振动过程的加速度最大值等统计特性，判断是否真正存在硬点。

评估标准和案例分析均表明列车速度与接触线不平顺对弓网的影响呈正相关关系。试验结果分析表明异常的瞬时加速度值一般为局部硬点造成，而连续双向的加速度值超过正常值范围多为材料本身或施工质量问题引发的接触线张力不均导致。这一结论，可为现场问题诊断提供一定参考。