淺談電氣化鐵路接觸網線譜研究

劉志剛，韓志偉

0 引言

接觸線是電氣化高速鐵路供電系統中接觸網的主要元件。在列車運行時，受電弓通過與接觸線滑動接觸而取得電能傳送給電力機車，因此，弓網間的可靠接觸是電力機車良好受流的重要條件[1]。由于在列車運行中，接觸線、受電弓及線路形成了一個復雜的點面接觸受電系統，特別是隨著列車運行速度的提高，振幅加大，弓網之間的接觸狀態也越不穩定，其帶來的直接后果：一是弓網接觸壓力忽大忽小從而加劇弓網磨耗或產生離線，影響受流質量；二是接觸線動抬升量加大而使受電弓與接觸懸掛零部件發生碰撞，影響行車安全；三是加劇接觸線彎曲應力從而使其產生疲勞甚至斷裂，影響使用壽命[2～4]。目前，在各接觸網修管運過程中，對于接觸網性能的評價多為關鍵部位單點靜態測量，缺乏對接觸網整體動態性能的有效評價手段。對于高速鐵路接觸網，傳統的測量方法更是無法有效評價接觸網受流性能，不利于指導接觸網的養護工作。因此，怎樣劃分和衡量接觸線不平順狀態，一直是電氣化鐵路倍受關注的研究課題，也是目前電氣化高速鐵路亟需解決的主要問題之一。

1 國內外研究現狀

國外對弓網的檢測一般都是根據本國實際情況選擇合適的側重點進行。例如，德國把弓網間的接觸壓力作為檢測重點，而日本則突出檢測弓網離線和接觸網磨耗[5]。國內弓網檢測系統研究起步于20 世紀60 年代，主要使用接觸網檢測車對接觸網相關參數進行檢測[6]。通過弓網耦合模型分析接觸線和受電弓的相互影響。目前的弓網模型有非線性模型和線性模型[7～8]。在不平順定義方面，日本藤井保和嘗試建立了新干線波狀磨耗凹凸的功率譜并分析了磨耗產生的機理和對離線的影響[9]。國內外對電氣化鐵路接觸網線譜的研究整體處于起步階段，而且研究對象一般為150 km/h 以下的電氣化鐵路，對高速鐵路接觸網線譜的研究基本上還是處于空白階段。隨著電氣化高速鐵路運行速度的提高，以及在國內的迅猛發展，對于接觸線不平順性和弓線之間受流情況進行評估已經越來越重要。

2 主要研究內容

通過分析電氣化鐵路接觸網不平順的物理意義，利用數學工具進行大量實測數據統計，借助仿真模型驗證，研究接觸網線譜的構造方法，初步建立電氣化高速鐵路接觸網線譜的理論應用體系，主要研究內容有以下3 個方面。

（1）接觸線不平順性定義，劃分和影響因素分析。關于接觸線不平順性的解釋，目前還沒有明確的定義和衡量指標。剛性接觸網的不平順一般是指受電弓取流的接觸面沿匯流排延長與理論平順接觸面的偏差，但該概念是借鑒軌道譜的定義。在列車速度150 km/h 以下，剛性接觸網在無受電弓作用狀態下和有受電弓作用狀態下的不平順僅為周期性與隨機性的不平順。對于高速鐵路，尤其國內客運專線普遍采用的彈性懸掛方式下的接觸線不平順性，應該考慮更多和更復雜的因素，包括對接觸線和受電弓的電氣參數、結構、材質、幾何尺寸、物理性能、線路參數、環境因素等進行深入調查和分析。因此，可以從狹義和廣義2 方面定義彈性接觸線不平順。

狹義上來看，可類比于軌道譜和剛性接觸網定義方式，將接觸線不平順定義為接觸線表面實際幾何尺寸與理想尺寸之間的偏差。該定義集中于研究接觸線磨損、硬點、硬彎等對弓網振動及受流的影響，可以為接觸線自身物理狀態監控提供手段；為接觸網狀態修提供依據。

從廣義上看，除了上述接觸線幾何因素外，其他諸如接觸線張力，彈性均勻性，接觸網結構，線材材質等因素也會對弓網耦合和受流造成影響，其直接變現及最終影響就體現于接觸壓力的周期性隨機波動。因此，可將上述因素造成的接觸壓力實際值與理想受流值之間的偏差定義為廣義不平順。通過對廣義不平順的分析，可提取分析接觸網各種參數值變化情況，為接觸線全生命周期管理提供支持。

因此對接觸線不平順性定義、劃分和影響因素分析具體研究內容包括：

a.影響接觸線不平順的各種因素，以及這些因素產生的結果，如各種波長的諧波或其他類型的非平穩信號。

b.各種不同的軌道不平順性定義和其他接觸面不平順的定義。

c.電氣化鐵路接觸線本身的特性，包括接觸線懸掛方式、接觸線與受電弓的關系、接觸線的受電特性、接觸線的受力特性、線路設計參數等。

d.電氣化高速鐵路接觸線不平順性狀態的劃分等。

通過對電氣化鐵路接觸線因素及相互影響的研究，獲得對電氣化高速鐵路接觸線不平順性評價更好的科學根據。

（2）接觸網線譜函數構造?，F代信號處理領域中，譜的定義一般和信號的能量、頻率或瞬時頻率相關，經常用于衡量信號隨頻率或瞬時頻率變化的統計特性，如：時頻譜、功率譜、參數譜、時變譜、進化譜、Hilbert 譜、沖擊譜、峭度譜、小波譜等。在鐵路領域的軌道譜中，功率譜密度函數是通過均方值的譜密度對隨機數據頻率結構的描述，是研究所有隨機信息如隨機振動等頻率或波長成分的統計含量、幅值變化規律等方面的統計函數，也是描述軌道不平順特征的最重要的統計函數。由于電氣化高速鐵路接觸線本身的特殊性，簡單地利用軌道譜的定義顯然是不合理的。需要重新對現代信號處理尤其是非平穩信號處理領域中關于譜的本質含義和相關理論進行深入研究，結合電氣化高速鐵路接觸線本身的特點，構造適合于實際應用的接觸網線譜函數。

對接觸網線譜函數構造具體研究內容包括：

a.目前信號處理尤其是非平穩信號處理中各種譜的定義和工程應用。

b.電氣化高速鐵路接觸網的仿真建模。

c.電氣化高速鐵路接觸線各種不同類型實測數據的統計特性、統計估計、分布函數、頻譜、瞬時頻率、能量函數、諧波等方面。

d.不同譜函數適用于電氣化高速鐵路接觸線的可行性。

e.適合電氣化高速鐵路接觸線特點的譜函數構造。

f.通過大量實測數據和仿真模型數據的相互驗證，對接觸網線譜函數改進和完善等。

（3）接觸網線譜的應用研究。目前，電氣化鐵路接觸線不平順分布還沒有明確的評價和衡量方法，因此，電氣化鐵道接觸網線譜函數構造研究的目的是用來評價和衡量接觸線的不平順性。通過深入研究和分析電氣化高速鐵路接觸線的不平順性，進一步研究和獲得與電氣化鐵路接觸網密切相關的重要性能和關系。

對接觸網線譜的應用研究具體內容包括：

a.接觸網線譜與接觸線不平順分布的關系。

b.受電弓和接觸網的動力學性能與接觸網線譜間的關系。

c.接觸網線譜與早期波浪形磨耗的內在聯系以及高速鐵路受電弓結構與噪聲的關系。

d.波長成份和譜密度的異常變化與接觸線病害的關系。

e.接觸網線譜與弓網受流質量的關系等。

3 研究軌道譜的意義

建立一套電氣化鐵路接觸網線譜理論及應用體系，對于國內鐵路接觸網的安全運行和有效評價將提供重要的支持，主要體現如下：

（1）可利用電氣化鐵路接觸網線譜分析發現早期出現的肉眼尚難辨識的波浪形磨耗，識別波形磨耗的波長和嚴重程度，還可以通過波長成份和譜密度的異常變化來分析接觸線的病害。

（2）可以對電氣化鐵道選擇的接觸懸掛設計參數和適配的受電弓類型與參數進行有效驗證。

（3）在已知線路條件、運行速度及接觸網與受電弓技術參數的情況下，可以有效評價該接觸網、受電弓的受流性能。

（4）設定一定的電氣化鐵道線路懸掛條件，一定的運行速度，可以優化接觸線的技術參數，對實際線路的接觸網進行優化設計。

（5）根據給定的電氣化高速列車運行速度和接觸網的懸掛類型，可以優化受電弓的結構及其技術參數。

（6）根據既有電氣化線路條件，可以研究提速的可能性、可行性及對既有接觸懸掛應采取的技術改造與改進措施。

（7）指導電氣化鐵道接觸網的運營維護工作。

因此，研究接觸線不平順狀態及其對弓網受流的影響，對高速電氣化鐵路的發展有著重要的現實意義。

4 結束語

國內外對于軌道譜、路面譜的研究很多而且比較成熟，國外學者已給出了歐美鐵路的軌道譜擬合公式。國內學者通過對國內主要干線鐵路大量軌道不平順檢測數據的分析和計算，提出了國內軌道譜（如分級形式的軌道譜）的計算公式和算法，并進行了軌道譜的應用研究。因此，可以充分借鑒軌道譜和路面譜的思路，利用非平穩信號處理領域中有關譜的理論，結合國內高速鐵路接觸網的實際情況，參考借鑒軌道不平順性模型的分析方法和處理手段，通過數據統計和仿真建模，提出適應國內安全規范的電氣化高速鐵路接觸網線譜模型。

[1] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2005.

[2] 于萬聚.高速接觸網-受電弓系統動態受流特性研究[J].鐵道學報，1993，15（2）：16-27.

[3] 張衛華，沈志云.接觸網動態研究[J].鐵道學報，1991，13（4）：26-33.

[4] 藤井保和.高速鐵路接觸網的受流理論[J].鐵道與電氣技術，1991，（6）.

[5] 黎國清，許貴陽.高速綜合檢測列車技術交流總結[R].北京：鐵道科學研究院研究報告，2004.

[6] 劉杰.接觸網參數的非接觸檢測[J].電氣化鐵道，1998，（2）：43-45.

[7] 梅桂明，張衛華.受電弓/接觸網系統動力學模型及特性[J].交通運輸工程學報，2002，（3）：20-25.

[8] 梅桂明，張衛華.受電弓垂向動力學線性化模型及特性研究[J].鐵道學報，2002，24（5）：28-32.

[9] 藤井保和.新干線受流系統高速化的技術研究[J].電力牽引快報，1995，（10）：20-25.