隧道內剛性懸掛接觸網匯流排振動參數的監測與分析

王小剛 高金山

（中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830092）

0 引言

剛性接觸網匯流排是鐵路電氣化系統的重要組成部分，其穩定性和可靠性將直接關系到鐵路的安全運行［1］。電氣化列車通過受電弓與接觸線進行接觸，從而獲取電能，在接觸中施加的壓力會導致接觸線發生位移，從而帶動匯流排發生位移［2-3］。在監測實車試驗過程中，通過隧道內剛性懸掛接觸網匯流排的振幅和振動頻率來判斷匯流排的振動情況，包括振幅大小和振動頻率是否在正常范圍內、是否存在振動異常等，從而及時發現匯流排的疲勞破壞，并采取相應維修措施，為剛性懸掛接觸網匯流排的維護和管理提供參考［4-7］。

目前，我國雖有多條鐵路隧道使用剛性懸掛接觸網，但列車最高設計速度僅為160 km∕h。當列車速度提升至200 km∕h及以上時，剛性懸掛接觸網匯流排的性能能否滿足使用要求還有待進一步研究［8-9］。因此，通過現場試驗來探索隧道內剛性懸掛接觸網匯流排對200 km∕h 及以上動車組運行速度的適應性，對進一步完善我國高速鐵路接觸網的技術體系具有重要意義。

1 振動監測試驗總體設計

1.1 接觸網匯流排監測系統設計

接觸網匯流排監測系統由傳感采集模塊、電源模塊、綜合處理軟件組成，如圖1 所示。監測系統具有監測數據輸出、參數裝訂、自檢測、系統狀態指示、數據處理分析等功能。其中，綜合處理軟件可將傳感器監測到的數據保存到存儲卡中，經處理可獲取位移（振幅）、頻率等信息，并輸出監測報表。

圖1 接觸網匯流排監測系統硬件組成

1.2 關鍵點處接觸網匯流排振動監測

在某隧道內進行實車試驗，隧道內的剛性懸掛接觸網匯流排的截面為“Π”型（截面面積為2213 mm2），相鄰懸掛點的間隔為8 m，每5 個懸掛點設1 個桿號。通過在剛性懸掛接觸網匯流排處布置接觸網振動監測設備，在試驗過程中監測匯流排關鍵點的振動幅值和頻率，具體監測位置為隧道K153 區段，關鍵點位于分段絕緣器附近（K153+990）和8 m 常規跨距的跨中（K153+977）。

2 振動試驗數據分析

將傳感器獲得的數據存儲在存儲卡上，在監測結束后，直接將存儲卡接入計算機，并運行綜合處理軟件，對監測數據進行讀取和處理。

2.1 分段絕緣器旁懸掛點監測數據分析

分段絕緣器旁的監測數據為試驗期間的振動波形，其中x軸為水平方向，y軸為順線路方向，z軸為垂直方向。某日數據時域波形及頻域分析如圖2、圖3所示。

圖2 K153+990分段絕緣器測點振動波形（典型振動放大）

圖3 K153+990分段絕緣器測點振幅頻譜特性

K153+990 位置分段絕緣器旁懸掛點測點的速度—振幅關系統計數據見表1。

表1 分段絕緣器測點的速度—振幅關系統計數據

由表1 可知，在分段絕緣器的測點處，匯流排的最大振幅約為8.1 mm，發生在受電弓運行的反向閉口方向，此時列車的運行速度為180 km∕h。由圖3可知，K153+990分段絕緣器測點處的振動頻率峰值約為6 Hz。

由于受電弓的開口和閉口都會對剛性懸掛接觸網的氣動特性產生影響。因此，對開閉口工況下的匯流排振幅進行分析，開、閉口時的振幅和速度對應關系如圖4、圖5 所示。由圖4、圖5 可知，受電弓開口方向運行時的匯流排振幅小于受電弓閉口方向運行時的匯流排振幅，同時隨著行車速度的增加，振動頻率也會稍稍升高。

圖4 K153+990位置分段絕緣器測點的速度—振幅關系（開口方向）

圖5 K153+990位置分段絕緣器測點的速度—振幅位移關系（閉口方向）

2.2 8 m常規跨距的跨中監測數據分析

數據時域波形及頻域分析如圖6、圖7 所示。由圖可知，跨中監測的數據為振動波形，其中，x軸方向為水平方向，y軸方向為順線路方向，z軸方向為垂直方向。8 m跨距跨中測點的速度—振幅關系統計數據見表2。

表2 8 m跨距跨中測點的速度—振幅關系統計數據

圖6 K153+977常規8 m跨距跨中測點振動波形

圖7 K153+977常規8 m跨距跨中測點振幅頻譜特性

由表2 知，8 m 跨距跨中監測點處最大振幅約為7.2 mm，發生在受電弓運行的反向閉口方向，此時列車的運行速度為160 km∕h。

開、閉口工況時的對應關系如圖8、圖9 所示。對比表1、表2 后可知，列車行駛速度與匯流排最大振幅無明顯的一致性關系。通過分析開閉口狀態下的振幅大小可知，受電弓開口方向運行時的匯流排振幅要小于受電弓閉口方向運行時的匯流排振幅。同時隨著行車速度的增加，振動頻率稍有升高。由上述圖表可知，在同一錨段內，分段絕緣器旁的振幅和懸掛點跨中的振幅接近；分段絕緣器處的振動收斂較快，跨中處的振動收斂較慢；跨中的振動頻率比分段絕緣器旁更加集中。

圖8 8 m跨距跨中測點的速度—振幅關系（閉口方向）

圖9 8 m跨距跨中測點的速度—振幅關系（開口方向）

3 結論

在某隧道內剛性懸掛接觸網匯流排上布置接觸網振動監測設備，用于監測實車試驗過程中的接觸網關鍵點匯流排的振幅和振動頻率，實測最大振幅為8 mm，振動頻率峰值為6.0 Hz。隨著列車行駛速度的加快，振幅會逐漸增加，振動頻率也會稍有增加。在同一錨段內，分段絕緣器旁的振幅和懸掛點跨中的振幅接近，分段處的振動收斂快于跨中處，且跨中的振動頻率比分段絕緣器旁要更加集中。研究結果為運行速度在200 km∕h 及以上動車組的剛性接觸網匯流排工作的穩定性、可靠性提供數據支撐。