刚性和柔性接触网悬挂弓网动态检测参数特征分析

时菁

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

刚性和柔性接触网悬挂弓网动态检测参数特征分析

时菁

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

采用自主研发的高速综合检测列车接触网检测系统，实测某高铁弓网接触力和接触线高度等动态检测参数，运用时域统计和频域谱分析，研究刚性接触网悬挂系统和柔性接触网悬挂系统的弓网动态运行特性和结构特征。结果表明：柔性悬挂的弓网接触力离散性小，弓网系统运行更为平稳；柔性和刚性悬挂弓网接触力谱和接触线高度谱均存在周期成分，分别与相应悬挂类型的跨距结构、悬挂点间距、吊弦位置相吻合；两种悬挂类型，波长3m以上弓网接触力谱峰和接触线高度谱峰均一一对应，弓网接触力和接触线高度存在较高的相关性。并对两种悬挂共存的接触网线路提出养护维修建议。

接触网；悬挂弓网；动态检测；谱分析

0 引言

电气化铁道接触网是牵引供电系统的重要组成部分，接触网性能的优劣与其悬挂方式紧密相关，不同的悬挂方式将直接影响弓网接触力等弓网受流参数，最终影响受流质量。目前对于接触网悬挂的研究多偏重于静态数据、计算模型、仿真实验[1-3]，极少对实际运营过程中弓网动态运行参数进行分析研究，缺乏对创新设计、施工工艺和维护保养等环节的有效验证和评价。采用高速综合检测列车接触网检测系统[4]，现场动态采集某高铁地下直径线弓网检测参数，对刚性和柔性接触网的动态检测参数特征展开研究。

某高铁地下直径线地下段接触网采用刚性悬挂，汇流排+接触线（PAC110+CTA120），接触导线无张力，汇流排为“π”形截面。地上段接触网悬挂采用全补偿简单链形悬挂，承力索采用截面95 mm2铜合金绞线，接触线采用截面120 mm2铜银合金线，张力组合为15 kN+15 kN（JTMH-95+CTA-120），接触线设计高度为5 300 mm。隧道内、外的刚柔过渡采用贯通式，承力索在隧道壁上下锚，接触线夹持在切槽式刚柔过渡汇流排元件中，汇流排在隧道内下锚以平衡隧道外的重力补偿装置。

1 弓网动态检测参数

对于弓网动态检测参数的获得，主要通过自主研发的高速综合检测列车接触网检测系统。该系统通过接触式和非接触式2种测量方式，分别对弓网受流参数、接触网几何参数、接触线平顺性参数、供电参数进行测量和采集。检测数据以实际铁路运营里程信息为数据标签，每米4个数据点进行采样，即采样间隔0.25 m（空间采样频率4 sample/m）。选取地上柔性悬挂和地下刚性悬挂接触网各3 km（空间采样长度3 000 m）的弓网接触力和接触线高度展开分析。

1.1 弓网接触力

接触网和受电弓之间的相互作用力为弓网接触力F，是反映弓网间动态特性的主要作用参数[5]，通过接触式测量获得。动态检测得到的柔性和刚性接触悬挂弓网接触力波形见图1。其弓网接触力平均值和标准偏差δ的统计公式如下：

式中：Fl为每个采样点处的弓网接触力；n为采样点个数，即12 000 sample。

图1 柔性和刚性悬挂弓网接触力波形

从图1可以看出，刚性悬挂弓网接触力的幅值变化更为剧烈，弓网接触力数值偏离均值的程度更大、更为明显。柔性悬挂=85.34 N，刚性悬挂=88.12 N，相差不大；柔性悬挂δ=6.85，刚性悬挂δ=12.98，相差近1倍，因此反映出柔性悬挂的弓网接触力离散性小，弓网系统运行更为平稳。

1.2 接触线高度

在升弓前提下，悬挂定位点处接触线相对轨道平面的垂直距离为接触线高度，是接触网几何参数，通过非接触式测量获得。测得的柔性和刚性接触悬挂接触线高度波形见图2。

图2 柔性和刚性悬挂接触线高度波形

由图2可知，柔性悬挂的接触线高度在5 320 mm上下波动，刚性悬挂的接触线高度在5 280 mm左右，柔性悬挂接触线高度在受电弓动态抬升力的作用下，整体高于刚性悬挂。由波形和统计量进行分析仅反映了时域内的整体趋势和波动，难以对弓网动态特性进行深入研究，因此将从频域特性的角度进行弓网动态参数谱特征分析。

2 谱分析

2.1 计算方法

弓网动态检测参数谱是动态检测参数单边功率谱密度的简称。其计算方法主要分经典谱估计方法和现代谱估计方法。经典谱估计方法以傅里叶变换为基础，分为间接法（BT法）、直接法（周期图法）、改进的直接法（Bartlett法和Welch法）及直接法与间接法的结合法（Nuttall法）。现代谱估计方法可分为参数模型法和非参数模型法。参数模型法又分为AR、MA、ARMA和Prony谱估计法；非参数模型法又分为特征向量谱估计法和MUSIC谱估计法[6]。

周期图法是根据各态历经的随机过程功率谱定义进行的谱估计。它把随机序列x（n）的N个观测数据视为一能量有限的序列，直接取其离散傅立叶变换，得XN（e-jω），再取其幅值的平方，并除以N，作为序列x（n）真实功率谱的估计P（ω）。

由于周期图法缺少统计平均，当所记录的信号序列长度一定时，为保证足够高的谱分辨率，只能牺牲谱估计的方差性能，进而造成功率谱正确性的降低。而Bartlett平均周期图算法，将N点的有限长序列 x（n）分段处理，再对各段求平均，这样就减小了方差，提高了精确度，其功率谱估计为PB（ω）。

式中：L为N点数据的分段数；M为每个数据段的长度。分段数越多，方差越小，但牺牲了偏差和分辨率，因此又提出了在保持其方差性能基础上，改善分辨率的Welch法。Welch法允许数据段交叠，使方差得到更大改善的同时，对数据段加窗，采用合适的窗函数减少信号的频谱泄露，增加谱峰宽度，从而提高分辨率。Welch法的功率谱估计为Pw（ω）。

2.2 弓网动态监测参数谱分析

利用异常值处理算法对动态检测数据进行预处理,消除异常值和非平稳性，然后进行谱分析。采用Welch法进行某高铁刚柔悬挂不同弓网动态检测参数谱的计算。谱分析计算单元长度为512 m（2 048 sample），数据重叠长度为计算长度的四分之一（512 sample），通过对最大旁瓣与主瓣峰值比和泄漏因子的比对，选择汉宁窗（Hanning窗）进行加窗处理。计算得到的柔性悬挂和刚性悬挂的弓网动态检测参数谱分别见图3、图4。

图3 柔性悬挂弓网动态检测参数谱

图4 刚性悬挂弓网动态检测参数谱

图3 、图4中蓝色谱线为弓网接触力谱，红色为接触线高度谱，两者横坐标均为空间频率，即空间波长的倒数，量纲为1/m。弓网接触力谱的纵坐标量纲为N2/（m-1），接触线高度谱的纵坐标量纲为mm2/（m-1）。图中谱线凸起的尖峰说明含有周期性成分，查看尖峰所在的横坐标位置即可了解该周期性成分的空间频率和对应波长。

图3中，柔性悬挂弓网接触力谱和接触线高度谱均在空间频率0.020 m-1处出现最大峰值，与该段柔性接触网悬挂的跨距长度50 m相吻合。在0.040 m-1、0.125 m-1处出现的峰值，则代表了25 m半跨距、8 m吊弦间距等。

图4中，刚性悬挂两谱线均在空间频率0.1 m-1处出现最大峰值，与该段刚性接触网的悬挂点间距，即跨距长度10 m相吻合。

从图3、图4可以看出，无论是柔性悬挂还是刚性悬挂，波长3 m以上弓网接触力谱峰和接触线高度谱峰一一对应，弓网接触力和接触线高度存在较高的相关性。

为了进一步对两种悬挂方式进行研究，将同类别谱线进行对比分析，弓网接触力谱对比见图5，接触线高度谱对比见图6。

图5 柔性和刚性悬挂弓网接触力谱对比

图6 柔性和刚性悬挂接触线高度谱对比

图5 、图6中蓝色谱线为柔性悬挂动态检测参数谱，红色为刚性悬挂动态检测参数谱。谱线图中空间频率轴上任意两点间所对应谱线下的面积等于这两点频带宽度内的均方值，谱线下的面积越小说明平顺状态越好。两图中空间频率大于0.025 m-1的柔性悬挂动态检测参数谱线线下面积小于刚性悬挂谱线，但空间频率小于0.025 m-1时，刚性悬挂谱线频带宽度内的均方值更小，因此两种悬挂方式的平顺状态优劣还有待进一步验证。

相对于柔性悬挂而言，刚性悬挂结构高度小，可以不考虑受流时接触线的抬升、振动以及链形悬挂结构高度占用的空间，能够很好地满足低净空隧道要求。在养护维修中应着重注意以下问题，及时排查，消除行车安全隐患。

（1）受电弓滑板磨耗不均。在刚性悬挂接触网上运行的受电弓易形成齿状磨耗，在刚柔共存的线路上，受电弓滑板的齿状凹槽容易在柔性悬挂区段造成卡线或拉线情况。

（2）刚性悬挂无抬升量，弓网间的接触压力和冲击无法缓解，行车时，整个刚性悬挂系统处于振动状态，所有的振动能量均要由刚性悬挂系统消化承担，易造成零部件松动。

3 结论

（1）刚性悬挂的弓网接触力标准偏差几乎是柔性悬挂的2倍，因此柔性悬挂的弓网接触力离散性小，弓网系统运行更为平稳。

（2）柔性悬挂弓网接触力谱和接触线高度谱均存在周期为50 m、25 m和8 m周期成分，刚性悬挂两谱线均存在10 m周期成分，分别与相应悬挂类型的跨距结构、悬挂点间距、吊弦位置相吻合。

（3）对于两种悬挂类型，波长3 m以上弓网接触力谱峰和接触线高度谱峰均一一对应，弓网接触力和接触线高度存在较高的相关性。

（4）在两种悬挂共存的线路上，需重点加强养护维修，及时排查，消除隐患。

[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. 基于有限元分析的刚性悬挂弓网接触压 力仿真研究[D]. 成都：西南交通大学，2014.

[3]阎祖顺. 简单链形接触网的静态仿真[J]. 铁道运输 与经济，2013，35(2)：57-62.

[4]王卫东，顾世平，高利民，等. 高速铁路基础设施 综合检测技术[J]. 铁路技术创新，2015(2)：11-16.

[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.

[6]邓泽怀，刘波波，李彦良. 常见的功率谱估计方法 及其Matlab仿真[J]. 电子科技，2014，27(2)：50-52.

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

中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ093）；国际合作项目（2015YJ147）

时菁（1982—），女，助理研究员，硕士。E-mail：shijing@rails.cn

责任编辑 卢敏

2017-06-29