浅谈电气化铁路接触网线谱研究

刘志刚，韩志伟

0 引言

接触线是电气化高速铁路供电系统中接触网的主要元件。在列车运行时，受电弓通过与接触线滑动接触而取得电能传送给电力机车，因此，弓网间的可靠接触是电力机车良好受流的重要条件[1]。由于在列车运行中，接触线、受电弓及线路形成了一个复杂的点面接触受电系统，特别是随着列车运行速度的提高，振幅加大，弓网之间的接触状态也越不稳定，其带来的直接后果：一是弓网接触压力忽大忽小从而加剧弓网磨耗或产生离线，影响受流质量；二是接触线动抬升量加大而使受电弓与接触悬挂零部件发生碰撞，影响行车安全；三是加剧接触线弯曲应力从而使其产生疲劳甚至断裂，影响使用寿命[2～4]。目前，在各接触网修管运过程中，对于接触网性能的评价多为关键部位单点静态测量，缺乏对接触网整体动态性能的有效评价手段。对于高速铁路接触网，传统的测量方法更是无法有效评价接触网受流性能，不利于指导接触网的养护工作。因此，怎样划分和衡量接触线不平顺状态，一直是电气化铁路倍受关注的研究课题，也是目前电气化高速铁路亟需解决的主要问题之一。

1 国内外研究现状

国外对弓网的检测一般都是根据本国实际情况选择合适的侧重点进行。例如，德国把弓网间的接触压力作为检测重点，而日本则突出检测弓网离线和接触网磨耗[5]。国内弓网检测系统研究起步于20 世纪60 年代，主要使用接触网检测车对接触网相关参数进行检测[6]。通过弓网耦合模型分析接触线和受电弓的相互影响。目前的弓网模型有非线性模型和线性模型[7～8]。在不平顺定义方面，日本藤井保和尝试建立了新干线波状磨耗凹凸的功率谱并分析了磨耗产生的机理和对离线的影响[9]。国内外对电气化铁路接触网线谱的研究整体处于起步阶段，而且研究对象一般为150 km/h 以下的电气化铁路，对高速铁路接触网线谱的研究基本上还是处于空白阶段。随着电气化高速铁路运行速度的提高，以及在国内的迅猛发展，对于接触线不平顺性和弓线之间受流情况进行评估已经越来越重要。

2 主要研究内容

通过分析电气化铁路接触网不平顺的物理意义，利用数学工具进行大量实测数据统计，借助仿真模型验证，研究接触网线谱的构造方法，初步建立电气化高速铁路接触网线谱的理论应用体系，主要研究内容有以下3 个方面。

（1）接触线不平顺性定义，划分和影响因素分析。关于接触线不平顺性的解释，目前还没有明确的定义和衡量指标。刚性接触网的不平顺一般是指受电弓取流的接触面沿汇流排延长与理论平顺接触面的偏差，但该概念是借鉴轨道谱的定义。在列车速度150 km/h 以下，刚性接触网在无受电弓作用状态下和有受电弓作用状态下的不平顺仅为周期性与随机性的不平顺。对于高速铁路，尤其国内客运专线普遍采用的弹性悬挂方式下的接触线不平顺性，应该考虑更多和更复杂的因素，包括对接触线和受电弓的电气参数、结构、材质、几何尺寸、物理性能、线路参数、环境因素等进行深入调查和分析。因此，可以从狭义和广义2 方面定义弹性接触线不平顺。

狭义上来看，可类比于轨道谱和刚性接触网定义方式，将接触线不平顺定义为接触线表面实际几何尺寸与理想尺寸之间的偏差。该定义集中于研究接触线磨损、硬点、硬弯等对弓网振动及受流的影响，可以为接触线自身物理状态监控提供手段；为接触网状态修提供依据。

从广义上看，除了上述接触线几何因素外，其他诸如接触线张力，弹性均匀性，接触网结构，线材材质等因素也会对弓网耦合和受流造成影响，其直接变现及最终影响就体现于接触压力的周期性随机波动。因此，可将上述因素造成的接触压力实际值与理想受流值之间的偏差定义为广义不平顺。通过对广义不平顺的分析，可提取分析接触网各种参数值变化情况，为接触线全生命周期管理提供支持。

因此对接触线不平顺性定义、划分和影响因素分析具体研究内容包括：

a.影响接触线不平顺的各种因素，以及这些因素产生的结果，如各种波长的谐波或其他类型的非平稳信号。

b.各种不同的轨道不平顺性定义和其他接触面不平顺的定义。

c.电气化铁路接触线本身的特性，包括接触线悬挂方式、接触线与受电弓的关系、接触线的受电特性、接触线的受力特性、线路设计参数等。

d.电气化高速铁路接触线不平顺性状态的划分等。

通过对电气化铁路接触线因素及相互影响的研究，获得对电气化高速铁路接触线不平顺性评价更好的科学根据。

（2）接触网线谱函数构造。现代信号处理领域中，谱的定义一般和信号的能量、频率或瞬时频率相关，经常用于衡量信号随频率或瞬时频率变化的统计特性，如：时频谱、功率谱、参数谱、时变谱、进化谱、Hilbert 谱、冲击谱、峭度谱、小波谱等。在铁路领域的轨道谱中，功率谱密度函数是通过均方值的谱密度对随机数据频率结构的描述，是研究所有随机信息如随机振动等频率或波长成分的统计含量、幅值变化规律等方面的统计函数，也是描述轨道不平顺特征的最重要的统计函数。由于电气化高速铁路接触线本身的特殊性，简单地利用轨道谱的定义显然是不合理的。需要重新对现代信号处理尤其是非平稳信号处理领域中关于谱的本质含义和相关理论进行深入研究，结合电气化高速铁路接触线本身的特点，构造适合于实际应用的接触网线谱函数。

对接触网线谱函数构造具体研究内容包括：

a.目前信号处理尤其是非平稳信号处理中各种谱的定义和工程应用。

b.电气化高速铁路接触网的仿真建模。

c.电气化高速铁路接触线各种不同类型实测数据的统计特性、统计估计、分布函数、频谱、瞬时频率、能量函数、谐波等方面。

d.不同谱函数适用于电气化高速铁路接触线的可行性。

e.适合电气化高速铁路接触线特点的谱函数构造。

f.通过大量实测数据和仿真模型数据的相互验证，对接触网线谱函数改进和完善等。

（3）接触网线谱的应用研究。目前，电气化铁路接触线不平顺分布还没有明确的评价和衡量方法，因此，电气化铁道接触网线谱函数构造研究的目的是用来评价和衡量接触线的不平顺性。通过深入研究和分析电气化高速铁路接触线的不平顺性，进一步研究和获得与电气化铁路接触网密切相关的重要性能和关系。

对接触网线谱的应用研究具体内容包括：

a.接触网线谱与接触线不平顺分布的关系。

b.受电弓和接触网的动力学性能与接触网线谱间的关系。

c.接触网线谱与早期波浪形磨耗的内在联系以及高速铁路受电弓结构与噪声的关系。

d.波长成份和谱密度的异常变化与接触线病害的关系。

e.接触网线谱与弓网受流质量的关系等。

3 研究轨道谱的意义

建立一套电气化铁路接触网线谱理论及应用体系，对于国内铁路接触网的安全运行和有效评价将提供重要的支持，主要体现如下：

（1）可利用电气化铁路接触网线谱分析发现早期出现的肉眼尚难辨识的波浪形磨耗，识别波形磨耗的波长和严重程度，还可以通过波长成份和谱密度的异常变化来分析接触线的病害。

（2）可以对电气化铁道选择的接触悬挂设计参数和适配的受电弓类型与参数进行有效验证。

（3）在已知线路条件、运行速度及接触网与受电弓技术参数的情况下，可以有效评价该接触网、受电弓的受流性能。

（4）设定一定的电气化铁道线路悬挂条件，一定的运行速度，可以优化接触线的技术参数，对实际线路的接触网进行优化设计。

（5）根据给定的电气化高速列车运行速度和接触网的悬挂类型，可以优化受电弓的结构及其技术参数。

（6）根据既有电气化线路条件，可以研究提速的可能性、可行性及对既有接触悬挂应采取的技术改造与改进措施。

（7）指导电气化铁道接触网的运营维护工作。

因此，研究接触线不平顺状态及其对弓网受流的影响，对高速电气化铁路的发展有着重要的现实意义。

4 结束语

国内外对于轨道谱、路面谱的研究很多而且比较成熟，国外学者已给出了欧美铁路的轨道谱拟合公式。国内学者通过对国内主要干线铁路大量轨道不平顺检测数据的分析和计算，提出了国内轨道谱（如分级形式的轨道谱）的计算公式和算法，并进行了轨道谱的应用研究。因此，可以充分借鉴轨道谱和路面谱的思路，利用非平稳信号处理领域中有关谱的理论，结合国内高速铁路接触网的实际情况，参考借鉴轨道不平顺性模型的分析方法和处理手段，通过数据统计和仿真建模，提出适应国内安全规范的电气化高速铁路接触网线谱模型。

[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2005.

[2] 于万聚.高速接触网-受电弓系统动态受流特性研究[J].铁道学报，1993，15（2）：16-27.

[3] 张卫华，沈志云.接触网动态研究[J].铁道学报，1991，13（4）：26-33.

[4] 藤井保和.高速铁路接触网的受流理论[J].铁道与电气技术，1991，（6）.

[5] 黎国清，许贵阳.高速综合检测列车技术交流总结[R].北京：铁道科学研究院研究报告，2004.

[6] 刘杰.接触网参数的非接触检测[J].电气化铁道，1998，（2）：43-45.

[7] 梅桂明，张卫华.受电弓/接触网系统动力学模型及特性[J].交通运输工程学报，2002，（3）：20-25.

[8] 梅桂明，张卫华.受电弓垂向动力学线性化模型及特性研究[J].铁道学报，2002，24（5）：28-32.

[9] 藤井保和.新干线受流系统高速化的技术研究[J].电力牵引快报，1995，（10）：20-25.