接觸壓力檢測分析

1、<p><b>　　接觸壓力檢測分析</b></p><p>　　摘要：我國電氣化鐵路已在全國鐵路網(wǎng)絡(luò)中占主導(dǎo)作用，隨著鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，新技術(shù)，新設(shè)備的投入使用，為了接觸網(wǎng)的檢測技術(shù)不斷的成熟和完善。本文從接觸網(wǎng)檢測的角度出發(fā)，簡要闡述以接觸壓力值代替加速度值來描述接觸網(wǎng)硬點的檢測方式，以及相關(guān)理論和標準。 提出接觸壓力的檢測方法，評判方式以及改進建議。 </p>

2、<p>　　關(guān)鍵詞：加速度；接觸壓力；超限值 </p><p>　　中圖分類號：S951.4+3 文獻標識碼： A </p><p>　　一．使用加速度描述接觸網(wǎng)硬點的弊端： </p><p>　　在接觸網(wǎng)檢測中，判定接觸網(wǎng)硬點通常使用加速度這一物理量，其單位為“m/s2”。通常又折算成重力加速度“g”，即10 m/s2。行業(yè)內(nèi)不少人常將二者混淆的，認為

3、“g”等同“m/s2”，也有把“g”當成“克”的。以前常常見到某些報告甚至標準提出，某段接觸網(wǎng)硬點達到20g或者30g，實際上不是g，而是m/s2?？梢钥闯龊苋藗儗Υ藛挝缓苋菀渍`解。筆者認為加速度測量硬點的方式卻不是很準確。檢測車通常采用受電弓滑條下加裝震動傳感器（一般稱加速度傳感器），這種測量方式卻是難以準確測量出接觸網(wǎng)對受電弓的瞬時沖量造成的加速度的。 </p><p>　　第一，檢測車一般在受電弓滑條下安裝

4、兩個震動傳感器，一個測水平方向，一個測垂直方向，與滑條固定在一起。實際在運行過程中，受電弓頭是經(jīng)常有小幅度偏轉(zhuǎn)的，這兩個傳感器并沒有最佳的工作環(huán)境，往往所受沖力并非正對傳感器。此外還有來自檢測車體自身帶來的震動等復(fù)雜原因的干擾。傳統(tǒng)檢測車也沒有在受電弓底座安裝加速度傳感器，無法對運動的車體震動值作出補償。因此，檢測數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)很大的誤差。 </p><p>　　第二，從理論上，在牛頓力學公式里，加速度計算的2個公

5、式a=F/m和a=(v-v0)/t，可以看出，第二個公式的3個物理量絕對不可能由一個傳感器甚至一個簡單的系統(tǒng)能測出。而第一個公式中“m”即質(zhì)量，對弓網(wǎng)系統(tǒng)來說是一個無法準確給予的物理量。有人說取受電弓頭的質(zhì)量即6.5kg，但是弓頭是作為一個部件和受電弓合為一體固定在車頂，受電弓頭同時受重力和弓臂帶來的升力以及各鏈接件的影響，顯然不能作為在沖擊力方向上一獨立物體為此公式提供“m”數(shù)值。檢測車對于“m”值的認定也不完全統(tǒng)一。 </p&

6、gt;<p>　　因此，對于受電弓這種具有柔性升降的較為復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)來說，在160km/h的速度下加速度大的也只有20~30 m/s2，而對硬點的檢測報告，不同的檢測車卻大相徑庭，差別可以達到好幾倍。即便加裝了受電弓底座補償傳感器的新型檢測設(shè)備，許多國外專家還是對硬點的檢測持保守的態(tài)度。 </p><p>　　二．使用接觸壓力描述接觸網(wǎng)硬點的可行性： </p><p>　　

7、從加速度的兩個公式a=F/m和a=(v-v0)/t可以看出，一個是從作用力的角度推導(dǎo)，一個是從速度的角度推導(dǎo)。從速度改變的角度推導(dǎo)顯然非常復(fù)雜，需要測速，記時再計算，檢測車都放棄了從速度變化量上推導(dǎo)加速度值。那么從力的角度呢？從第一個公式中可以看出，對檢測車來說，“m” ，我們雖然無法確定其具體的數(shù)值，但它肯定是檢測車自身部分的，我們可以認定是受電弓系統(tǒng)的一個內(nèi)因，在正常檢測過程中(重大打弓事故除外)可以認定它是某個可能會略有變化的值。

8、而F是弓網(wǎng)的瞬時接觸壓力，這是來自接觸網(wǎng)的作用力，也就是加速度產(chǎn)生的外因。而同一受電弓本身的機械性能一般不可能造成接觸壓力的大幅改變，接觸壓力的突變必定來自接觸網(wǎng)，接觸壓力的突變也就是導(dǎo)致硬點產(chǎn)生的根本原因。但接觸壓力卻是個能較準確測量得出的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　接觸壓力是通過在受電弓滑條下兩側(cè)安裝的力學傳感器測得。力學傳感器一般是具有剛性抗扭矩和低溫度偏移特性的稱重式傳感器。筆者常年在接觸網(wǎng)檢測車工作，

9、該車采用德國鐵路DB公司檢測設(shè)備。通過檢測實踐，引用了部分2013年5月23日以80km/h速度檢測某條線路的數(shù)據(jù)，制定以下沖擊加速度與接觸拉力的對照表。 </p><p><b>　　表一 </b></p><p>　　里程(km) 加速度(m/s2) 接觸壓力（N） </p><p>　　1 182.932 14.8 124 </p&

10、gt;<p>　　2 188.601 15.4 124 </p><p>　　3 207.969 11.5 121 </p><p>　　4 211.556 22.5 131 </p><p>　　5 234.188 29.3 321 </p><p>　　6 253.140 13.1 127 </p><p

11、>　　7 294.188 14.3 137 </p><p>　　的確得不出加速度越大，則壓力必定越大這一規(guī)律，前面也已經(jīng)說明，加速度的值值得商榷，該車加速度傳感器數(shù)值是作為力學評估的補充手段，并減小在移動物體上由于加速度影響所測得力的誤差。第5行存在打弓的故障點，導(dǎo)致數(shù)據(jù)很大，321N的壓力可能已經(jīng)不屬于因接觸網(wǎng)平順度不夠而產(chǎn)生，可能是因為受電弓受到水平方向外力碰撞，例如扭面導(dǎo)線的線夾等情況，無法及時下降

12、避讓造成傳感器讀數(shù)較大。曾經(jīng)在一次試驗中，更是遇到以3km/h的速度，定位器直接打到受電弓的情況，壓力值達到800N，可見特大值往往是因為接觸網(wǎng)的安裝不當帶來，數(shù)值僅供參考。從多次檢測數(shù)據(jù)中可以看出，速度120km/h以內(nèi)正常情況下加速度都在10 m/s2以下，而相應(yīng)的接觸壓力在40~120N的范圍內(nèi)。加速度較大的位置，必然壓力有較大的改變，而壓力有較大改變的位置，未必出現(xiàn)加速度偏大的情況。尤其在接觸線有較大抬升時，可能出現(xiàn)壓力過小甚至

13、離線，危害電氣設(shè)備的故障點，接觸壓力相對直接測量加速度顯得更全面而可靠。似乎行業(yè)內(nèi)也在逐步認可通過利用接觸壓力評估接觸網(wǎng)性能。 </p><p>　　三．接觸壓力的分力組成： </p><p>　　接觸點的接觸力F可以看作以下4個分力組成： </p><p>　　1.靜態(tài)升力F0——指受電弓的升弓壓力。 </p><p>　　2.摩擦力FR—

14、—作用于受電弓自身結(jié)構(gòu)帶來。取決于受電弓設(shè)計（接頭摩擦）。 </p><p>　　3.空氣阻力Fair——空氣的阻力（正升力或負升力），取決于車輛速度、車頂受電弓附近元件以及受電弓的構(gòu)造。 </p><p>　　4.動態(tài)分力Fdyn——受電弓與接觸線耦合引起的內(nèi)力（接觸線震動造成）。 </p><p>　　前三種力相加我們這里稱為受電弓的有效升力，在靜止狀態(tài)下，F(xiàn)0

15、+FR+Fair=F。也就是說靜態(tài)時，有效升力即為接觸壓力。運行中的受電弓猶如一個只有龍骨的風箏，空氣阻力Fair會隨著列車速度的增加而變大，影響受電弓的有效升力。在正常氣象條件下，對勻速運動的列車，空氣的阻力對受電弓的影響應(yīng)基本保持一致。所以接觸壓力的突變主要取決于動態(tài)分力Fdyn。 </p><p>　　隨著列車速度的增加，動態(tài)分力Fdyn 對接觸力的影響也變得越來越大。動態(tài)分力取決于受電弓的設(shè)計參數(shù)、接觸網(wǎng)

16、系統(tǒng)、車輛行走以及區(qū)間運行受電弓的數(shù)量等多種因素的影響?？缇嘀g的彈性差異以及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的不規(guī)則性引起受電弓上下運動，導(dǎo)致接觸力連續(xù)波動。接觸點高度的連續(xù)變化引起接觸線振動，并迅速傳播，在質(zhì)量累積點和波動中斷位置（即硬點）會得到很強反映，對接觸線和受電弓接觸點處的接觸力造成額外干擾。這種作用在數(shù)個反映點重合時放大，由此造成的干擾程度隨著列車速度的增加而增加。 </p><p>　　四．接觸壓力超限值的界定： &l

17、t;/p><p>　　接觸壓力對其平均值的偏離成為目前接觸壓力超限的依據(jù)。某些路局和設(shè)計院使用了鐵科院以下這種評判方式： </p><p>　　最大值（N）：Fmax=Fm+3σ </p><p>　　最小值（N）：Fmin=20 </p><p>　　平均值（N）：Fm≤0.00097V2+70 </p><p>　　標

18、準偏差（N）：σ≤0.3×Fm </p><p>　　V為檢測速度（km/h）。[1] </p><p>　　以此公式推算，可以得出以下結(jié)果： </p><p><b>　　表二 </b></p><p>　　從長期的檢測數(shù)據(jù)看來，在接觸網(wǎng)仍有許多故障點的情況下，以120km/h速度檢測，接觸壓力最大值都達不到

19、160N（定位器打弓等特殊情況除外）。80km/h以下的檢測情況更是如此。此公式與速度小于120km/h的檢測結(jié)果不符合。速度達到160km/h時，接觸壓力與公式接近。 </p><p>　　筆者考慮其中的原因為：公式平均值Fm≤0.00097V2+70的推導(dǎo)是在某一特定的試驗環(huán)境下，以較高速度進行試驗得出。而接觸網(wǎng)因為設(shè)計的不同，導(dǎo)線張力，跨距，材料不盡相同，且同一條鐵路也因為錨段關(guān)節(jié)，分相，中心錨接等，導(dǎo)致接

20、觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不一致性，此外還有外界環(huán)境，比如隧道中的風力以及各受電弓機械性的不同等等，接觸網(wǎng)壓力隨著接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同，有著相當大的變化值。比如一段呈上升趨勢的接觸網(wǎng)，其壓力測得值普遍40N左右，接著一段呈下降趨勢的接觸網(wǎng)，其壓力測得值普遍100N左右，所以其平均接觸壓力不單由列車速度所決定，檢測中使用基于速度計算出的平均壓力，恐怕會與實際情況不符。 </p><p>　　接觸網(wǎng)硬點實際來自接觸壓力的突變，即所謂的尖

21、峰值。也就是測量接觸點壓力與之相鄰一段接觸點壓力差異大小，而不應(yīng)界定一個準確的數(shù)值與測量點相比較。 </p><p>　　目前我國檢測車許多采用了德國鐵路DB公司的檢測設(shè)備和理論。DB公司力學檢測判定依據(jù)是在500 米距離內(nèi)計算平均接觸壓力（實測值），和標準偏離值(行業(yè)內(nèi)普遍采用0.3倍平均值)。如出現(xiàn)下列情況，視故障點： </p><p>　　1.瞬間接觸壓力超過160N，或超過平均接觸

22、壓力Fm 1.6 倍。 </p><p>　　2.瞬間接觸壓力大于接觸壓力與可自定義倍數(shù)的標準偏差σ的和。 </p><p>　　3.瞬間接觸壓力不足5N。 </p><p>　　其公式為：F160N或F>1.6Fm，或F>Fm+(2～4)σ </p><p>　　以這幾個公式，對照表二計算接觸壓力的情況，如下圖： </p&

23、gt;<p><b>　　表三 </b></p><p>　　假定平均值（N） 標準偏離值σ </p><p>　?。é遥?.3Fm） 1.6Fm（N） Fm+(2～4)σ </p><p>　　71.5 21.45 114.4 114.4~157.3 </p><p>　　76.2 22.86 121.9

24、 121.9~167.6 </p><p>　　83.9 25.17 134.2 134.2~184.5 </p><p>　　94.8 28.44 151.6 151.6~208.5 </p><p>　　由表三可以看出，1.6Fm此數(shù)據(jù)的來源為： </p><p>　　當取σ＝0.3Fm， Fm+2σ=1.6Fm。 </p>

25、<p>　　σ的系數(shù)取3則是表二的最大接觸壓力數(shù)據(jù)。所以這兩者是在長期大量的實踐過程中，取得了一致的評判標準。而σ的系數(shù)取4時顯然最大接觸壓力甚至超過了表二的數(shù)據(jù)，作為接觸網(wǎng)工程質(zhì)量的檢測，有失嚴謹。 </p><p>　　在接觸網(wǎng)竣工檢測過程中，是從相對較低的速度開始進行。譬如在120km/h的時速乃至于更低的速度下，表二中σ的系數(shù)取3時，顯得標準過寬，難以查找出接觸網(wǎng)故障點——相比于接觸網(wǎng)高度檢測

26、中的，因誤差30mm以及高差超限而造成的許多故障點而言，接觸壓力超限卻是一片空白。這種情況下可能對將來的高速段檢測時帶來一定的隱患。同時也導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)有些人士對接觸網(wǎng)高度的控制不夠重視。所以筆者認為σ的系數(shù)取2，也就是F≤1.6Fm更符合實際情況。接觸網(wǎng)不發(fā)生離線故障，就沒有電弧發(fā)生，損壞電氣設(shè)備。最小值滿足F≥5N亦可。 </p><p>　　建議接觸壓力最大值采用F＜160N，F(xiàn)≤1.6Fm或者F≤Fm+2σ的

27、評判標準。最小值滿足F≥5N。 </p><p>　　此外，目前鐵路的暫行標準與我們采用的DB公司的執(zhí)行標準，其區(qū)別主要在于接觸壓力平均值的取值上。一個是以速度通過實驗得出結(jié)論，一個是以實測值進行計算。前面已經(jīng)說過平均接觸壓力不單由列車速度所決定。筆者認為， DB公司采用500 米距離內(nèi)以測量得知接觸壓力值來計算平均接觸壓力，可能更滿足查找接觸壓力突變點的要求。500米的距離作為計算平均接觸壓力的單位，可能是出于

28、避免檢測數(shù)據(jù)過于龐大，而采用的一種途徑。 </p><p>　　筆者更傾向于以檢測設(shè)備采樣點（通常是時間或檢測距離）為基準，以測量點與前后采樣點的接觸壓力值作比較找出突變點。以DB檢測設(shè)備為例，20ms的時間段為一個采樣點。任意接觸壓力測量點不應(yīng)超過1.6倍采樣鄰近點，這就是接觸網(wǎng)硬點，即使其接觸壓力未達到160N，它也是弓網(wǎng)耦合的故障點。在更高的速度下，它可能會對電氣設(shè)備造成危害。 </p>&l

29、t;p>　　五．接觸網(wǎng)在接觸壓力方面應(yīng)該達到的條件： </p><p>　　1.定位點只有很低的平均壓力上升。 </p><p>　　2.接觸線檢測軌跡高度變化小。 </p><p>　　3.接觸力波動很??；且無電弧。 </p><p>　　六．目前對接觸力的檢測或許還需完善的提議： </p><p>　　1.

30、由于力傳感器位于滑條下方，所以不能對作用在受電弓滑條上的空氣升力或阻力進行測量?？諝鈩恿ρa償值基于實驗室的模擬推導(dǎo)，在實際的檢測中，無法確切得知當時空氣動力對檢測結(jié)果的影響。 </p><p>　　2. 關(guān)于接觸網(wǎng)附近的磁性及電氣干擾場的造成的傳感器不靈敏度，高壓電位（27.5kV）至地電位的信號傳輸。盡管目前檢測車都采用測量信息被轉(zhuǎn)換成光信號，光纖將光信號輸送車內(nèi)檢測設(shè)備的方式，但沒有完全根除鐵路苛刻環(huán)境的干擾

31、，檢測數(shù)據(jù)偶爾會出現(xiàn)被干擾的情況。 </p><p>　　3.運行中受電弓滑條的震動對加速度和力傳感器都會產(chǎn)生不利的影響，目前檢測車使用濾波器降低信號干擾。是否可以采用新的工藝為運行中的受電弓頭做減震處理。 </p><p>　　筆者學識經(jīng)驗有限，提出的理論難免出現(xiàn)不當之處，希望各界專家批評指導(dǎo)。 </p><p>　　參考文獻：[1]鐵道部 《牽引供電施工驗收暫行