剛性和柔性接觸網(wǎng)懸掛弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)特征分析

時菁

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

剛性和柔性接觸網(wǎng)懸掛弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)特征分析

時菁

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

采用自主研發(fā)的高速綜合檢測列車接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)，實測某高鐵弓網(wǎng)接觸力和接觸線高度等動態(tài)檢測參數(shù)，運用時域統(tǒng)計和頻域譜分析，研究剛性接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)和柔性接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的弓網(wǎng)動態(tài)運行特性和結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：柔性懸掛的弓網(wǎng)接觸力離散性小，弓網(wǎng)系統(tǒng)運行更為平穩(wěn)；柔性和剛性懸掛弓網(wǎng)接觸力譜和接觸線高度譜均存在周期成分，分別與相應(yīng)懸掛類型的跨距結(jié)構(gòu)、懸掛點間距、吊弦位置相吻合；兩種懸掛類型，波長3m以上弓網(wǎng)接觸力譜峰和接觸線高度譜峰均一一對應(yīng)，弓網(wǎng)接觸力和接觸線高度存在較高的相關(guān)性。并對兩種懸掛共存的接觸網(wǎng)線路提出養(yǎng)護維修建議。

接觸網(wǎng)；懸掛弓網(wǎng)；動態(tài)檢測；譜分析

0 引言

電氣化鐵道接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，接觸網(wǎng)性能的優(yōu)劣與其懸掛方式緊密相關(guān)，不同的懸掛方式將直接影響弓網(wǎng)接觸力等弓網(wǎng)受流參數(shù)，最終影響受流質(zhì)量。目前對于接觸網(wǎng)懸掛的研究多偏重于靜態(tài)數(shù)據(jù)、計算模型、仿真實驗[1-3]，極少對實際運營過程中弓網(wǎng)動態(tài)運行參數(shù)進行分析研究，缺乏對創(chuàng)新設(shè)計、施工工藝和維護保養(yǎng)等環(huán)節(jié)的有效驗證和評價。采用高速綜合檢測列車接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)[4]，現(xiàn)場動態(tài)采集某高鐵地下直徑線弓網(wǎng)檢測參數(shù)，對剛性和柔性接觸網(wǎng)的動態(tài)檢測參數(shù)特征展開研究。

某高鐵地下直徑線地下段接觸網(wǎng)采用剛性懸掛，匯流排+接觸線（PAC110+CTA120），接觸導(dǎo)線無張力，匯流排為“π”形截面。地上段接觸網(wǎng)懸掛采用全補償簡單鏈形懸掛，承力索采用截面95 mm2銅合金絞線，接觸線采用截面120 mm2銅銀合金線，張力組合為15 kN+15 kN（JTMH-95+CTA-120），接觸線設(shè)計高度為5 300 mm。隧道內(nèi)、外的剛?cè)徇^渡采用貫通式，承力索在隧道壁上下錨，接觸線夾持在切槽式剛?cè)徇^渡匯流排元件中，匯流排在隧道內(nèi)下錨以平衡隧道外的重力補償裝置。

1 弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)

對于弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)的獲得，主要通過自主研發(fā)的高速綜合檢測列車接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過接觸式和非接觸式2種測量方式，分別對弓網(wǎng)受流參數(shù)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、接觸線平順性參數(shù)、供電參數(shù)進行測量和采集。檢測數(shù)據(jù)以實際鐵路運營里程信息為數(shù)據(jù)標(biāo)簽，每米4個數(shù)據(jù)點進行采樣，即采樣間隔0.25 m（空間采樣頻率4 sample/m）。選取地上柔性懸掛和地下剛性懸掛接觸網(wǎng)各3 km（空間采樣長度3 000 m）的弓網(wǎng)接觸力和接觸線高度展開分析。

1.1 弓網(wǎng)接觸力

接觸網(wǎng)和受電弓之間的相互作用力為弓網(wǎng)接觸力F，是反映弓網(wǎng)間動態(tài)特性的主要作用參數(shù)[5]，通過接觸式測量獲得。動態(tài)檢測得到的柔性和剛性接觸懸掛弓網(wǎng)接觸力波形見圖1。其弓網(wǎng)接觸力平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差δ的統(tǒng)計公式如下：

式中：Fl為每個采樣點處的弓網(wǎng)接觸力；n為采樣點個數(shù)，即12 000 sample。

圖1 柔性和剛性懸掛弓網(wǎng)接觸力波形

從圖1可以看出，剛性懸掛弓網(wǎng)接觸力的幅值變化更為劇烈，弓網(wǎng)接觸力數(shù)值偏離均值的程度更大、更為明顯。柔性懸掛=85.34 N，剛性懸掛=88.12 N，相差不大；柔性懸掛δ=6.85，剛性懸掛δ=12.98，相差近1倍，因此反映出柔性懸掛的弓網(wǎng)接觸力離散性小，弓網(wǎng)系統(tǒng)運行更為平穩(wěn)。

1.2 接觸線高度

在升弓前提下，懸掛定位點處接觸線相對軌道平面的垂直距離為接觸線高度，是接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，通過非接觸式測量獲得。測得的柔性和剛性接觸懸掛接觸線高度波形見圖2。

圖2 柔性和剛性懸掛接觸線高度波形

由圖2可知，柔性懸掛的接觸線高度在5 320 mm上下波動，剛性懸掛的接觸線高度在5 280 mm左右，柔性懸掛接觸線高度在受電弓動態(tài)抬升力的作用下，整體高于剛性懸掛。由波形和統(tǒng)計量進行分析僅反映了時域內(nèi)的整體趨勢和波動，難以對弓網(wǎng)動態(tài)特性進行深入研究，因此將從頻域特性的角度進行弓網(wǎng)動態(tài)參數(shù)譜特征分析。

2 譜分析

2.1 計算方法

弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)譜是動態(tài)檢測參數(shù)單邊功率譜密度的簡稱。其計算方法主要分經(jīng)典譜估計方法和現(xiàn)代譜估計方法。經(jīng)典譜估計方法以傅里葉變換為基礎(chǔ)，分為間接法（BT法）、直接法（周期圖法）、改進的直接法（Bartlett法和Welch法）及直接法與間接法的結(jié)合法（Nuttall法）?，F(xiàn)代譜估計方法可分為參數(shù)模型法和非參數(shù)模型法。參數(shù)模型法又分為AR、MA、ARMA和Prony譜估計法；非參數(shù)模型法又分為特征向量譜估計法和MUSIC譜估計法[6]。

周期圖法是根據(jù)各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程功率譜定義進行的譜估計。它把隨機序列x（n）的N個觀測數(shù)據(jù)視為一能量有限的序列，直接取其離散傅立葉變換，得XN（e-jω），再取其幅值的平方，并除以N，作為序列x（n）真實功率譜的估計P（ω）。

由于周期圖法缺少統(tǒng)計平均，當(dāng)所記錄的信號序列長度一定時，為保證足夠高的譜分辨率，只能犧牲譜估計的方差性能，進而造成功率譜正確性的降低。而Bartlett平均周期圖算法，將N點的有限長序列 x（n）分段處理，再對各段求平均，這樣就減小了方差，提高了精確度，其功率譜估計為PB（ω）。

式中：L為N點數(shù)據(jù)的分段數(shù)；M為每個數(shù)據(jù)段的長度。分段數(shù)越多，方差越小，但犧牲了偏差和分辨率，因此又提出了在保持其方差性能基礎(chǔ)上，改善分辨率的Welch法。Welch法允許數(shù)據(jù)段交疊，使方差得到更大改善的同時，對數(shù)據(jù)段加窗，采用合適的窗函數(shù)減少信號的頻譜泄露，增加譜峰寬度，從而提高分辨率。Welch法的功率譜估計為Pw（ω）。

2.2 弓網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測參數(shù)譜分析

利用異常值處理算法對動態(tài)檢測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,消除異常值和非平穩(wěn)性，然后進行譜分析。采用Welch法進行某高鐵剛?cè)釕覓觳煌W(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)譜的計算。譜分析計算單元長度為512 m（2 048 sample），數(shù)據(jù)重疊長度為計算長度的四分之一（512 sample），通過對最大旁瓣與主瓣峰值比和泄漏因子的比對，選擇漢寧窗（Hanning窗）進行加窗處理。計算得到的柔性懸掛和剛性懸掛的弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)譜分別見圖3、圖4。

圖3 柔性懸掛弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)譜

圖4 剛性懸掛弓網(wǎng)動態(tài)檢測參數(shù)譜

圖3 、圖4中藍色譜線為弓網(wǎng)接觸力譜，紅色為接觸線高度譜，兩者橫坐標(biāo)均為空間頻率，即空間波長的倒數(shù)，量綱為1/m。弓網(wǎng)接觸力譜的縱坐標(biāo)量綱為N2/（m-1），接觸線高度譜的縱坐標(biāo)量綱為mm2/（m-1）。圖中譜線凸起的尖峰說明含有周期性成分，查看尖峰所在的橫坐標(biāo)位置即可了解該周期性成分的空間頻率和對應(yīng)波長。

圖3中，柔性懸掛弓網(wǎng)接觸力譜和接觸線高度譜均在空間頻率0.020 m-1處出現(xiàn)最大峰值，與該段柔性接觸網(wǎng)懸掛的跨距長度50 m相吻合。在0.040 m-1、0.125 m-1處出現(xiàn)的峰值，則代表了25 m半跨距、8 m吊弦間距等。

圖4中，剛性懸掛兩譜線均在空間頻率0.1 m-1處出現(xiàn)最大峰值，與該段剛性接觸網(wǎng)的懸掛點間距，即跨距長度10 m相吻合。

從圖3、圖4可以看出，無論是柔性懸掛還是剛性懸掛，波長3 m以上弓網(wǎng)接觸力譜峰和接觸線高度譜峰一一對應(yīng)，弓網(wǎng)接觸力和接觸線高度存在較高的相關(guān)性。

為了進一步對兩種懸掛方式進行研究，將同類別譜線進行對比分析，弓網(wǎng)接觸力譜對比見圖5，接觸線高度譜對比見圖6。

圖5 柔性和剛性懸掛弓網(wǎng)接觸力譜對比

圖6 柔性和剛性懸掛接觸線高度譜對比

圖5 、圖6中藍色譜線為柔性懸掛動態(tài)檢測參數(shù)譜，紅色為剛性懸掛動態(tài)檢測參數(shù)譜。譜線圖中空間頻率軸上任意兩點間所對應(yīng)譜線下的面積等于這兩點頻帶寬度內(nèi)的均方值，譜線下的面積越小說明平順狀態(tài)越好。兩圖中空間頻率大于0.025 m-1的柔性懸掛動態(tài)檢測參數(shù)譜線線下面積小于剛性懸掛譜線，但空間頻率小于0.025 m-1時，剛性懸掛譜線頻帶寬度內(nèi)的均方值更小，因此兩種懸掛方式的平順狀態(tài)優(yōu)劣還有待進一步驗證。

相對于柔性懸掛而言，剛性懸掛結(jié)構(gòu)高度小，可以不考慮受流時接觸線的抬升、振動以及鏈形懸掛結(jié)構(gòu)高度占用的空間，能夠很好地滿足低凈空隧道要求。在養(yǎng)護維修中應(yīng)著重注意以下問題，及時排查，消除行車安全隱患。

（1）受電弓滑板磨耗不均。在剛性懸掛接觸網(wǎng)上運行的受電弓易形成齒狀磨耗，在剛?cè)峁泊娴木€路上，受電弓滑板的齒狀凹槽容易在柔性懸掛區(qū)段造成卡線或拉線情況。

（2）剛性懸掛無抬升量，弓網(wǎng)間的接觸壓力和沖擊無法緩解，行車時，整個剛性懸掛系統(tǒng)處于振動狀態(tài)，所有的振動能量均要由剛性懸掛系統(tǒng)消化承擔(dān)，易造成零部件松動。

3 結(jié)論

（1）剛性懸掛的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎是柔性懸掛的2倍，因此柔性懸掛的弓網(wǎng)接觸力離散性小，弓網(wǎng)系統(tǒng)運行更為平穩(wěn)。

（2）柔性懸掛弓網(wǎng)接觸力譜和接觸線高度譜均存在周期為50 m、25 m和8 m周期成分，剛性懸掛兩譜線均存在10 m周期成分，分別與相應(yīng)懸掛類型的跨距結(jié)構(gòu)、懸掛點間距、吊弦位置相吻合。

（3）對于兩種懸掛類型，波長3 m以上弓網(wǎng)接觸力譜峰和接觸線高度譜峰均一一對應(yīng)，弓網(wǎng)接觸力和接觸線高度存在較高的相關(guān)性。

（4）在兩種懸掛共存的線路上，需重點加強養(yǎng)護維修，及時排查，消除隱患。

[1]T KOBAYASHI. Transition Structures between Rigid Conductor Line and Catenary Overhead Contact Line[C]. World Congress on Railway Research，2008.

[2]朱志增. 基于有限元分析的剛性懸掛弓網(wǎng)接觸壓 力仿真研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2014.

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[5]SHUNICHI KUSUMI，TAKAHIRO FUKUTANI，KAZUYOSHI NEZU. Characteristics of contact force waveforms and their application to diagnosis of overhead contact line[J]. Railway Technical Research Institute，2005，19(7)：17-22.

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Characteristic Analysis on Rigid and Flexible OCS Suspensions’ Pantograph-Catenary Dynamic Inspection Parameters

SHI Jing
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

An independently-developed OCS inspection system of high-speed integrated inspection train was employed to measure dynamic inspection parameters such as pantograph-catenary contact force and contact wire height of a high-speed railway and the pantograph-catenary dynamic operating characteristics and structural characteristics of rigid and flexible OCS suspension systems were studied by means of time domain statistics and frequency domain spectrum analysis. The results demonstrate that the flexible suspension has pantographcatenary contact force with small discreteness and the pantograph-catenary system operates more stably; for both the flexible and rigid suspensions, the pantograph-catenary contact force spectrum and contact wire height spectrum have period components which are respectively in conformity with the span structure, suspension point spacing, dropper location of the corresponding suspension type; for the two types of suspension, the pantographcatenary contact force spectrum peak and contact wire height spectrum peak with a wave length of more than 3 m correspond one by one, and the pantograph-catenary contact force highly correlates with contact wire height.In addition, maintenance advices were put forth for OCS circuits shared by the two types of suspension.

OCS；suspension pantograph-catenary；dynamic inspection；spectrum analysis

U225

A

1001-683X（2017）10-0028-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.028

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2015YJ093）；國際合作項目（2015YJ147）

時菁（1982—），女，助理研究員，碩士。E-mail：shijing@rails.cn

責(zé)任編輯 盧敏

2017-06-29