弓网接触力缺陷特征与诊断研究

杨志鹏



弓网接触力缺陷特征与诊断研究

杨志鹏

介绍了弓网接触力测量方法及评价标准，分析了4种典型弓网接触力缺陷的形态、频次、波长3个特征。通过选择和构建4种小波，采用小波相似性系数进行缺陷诊断，可有效诊断产生弓网接触力缺陷的原因，为接触网维护提供参考依据。

弓网接触力；波长谱特征；小波

0 引言

弓网检测系统通过测量接触网几何参数、弓网接触力、硬点、燃弧等参数，与检测标准进行比对，以评价弓网受流性能并指导接触网维护作业。

弓网接触力是受电弓与接触线之间相互接触而产生的作用力，是综合反映弓网受流性能的指标，可反映接触网和受电弓机械振荡系统的质量、弹性系数、衰减系数和自然频率[1]，是弓网检测系统重要的检测项目。

1 国内外研究现状

弓网接触力作为评价弓网受流性能的一项重要指标，国内外研究团队已在检测方法及数据分析等方面进行了相关研究。文献[2]介绍了弓网接触力检测采用的传感器、信号滤波、数据采集等关键技术；文献[3]介绍了高速综合检测列车的弓网接触力检测整体方案，详细分析了测量原理、传感器的技术指标、数据集成处理与分析方法；文献[4]采用数学建模仿真的方法，分析了接触网几何参数布置差异对弓网接触力的影响；文献[5]结合线路、接触网实际情况，分析了弓网接触力缺陷产生的原因，并提出了接触网的设计优化建议。

日本铁道综合技术研究所分析了弓网接触力与锚段关节不平顺之间的关系[6]；意大利研究团队分析了弓网接触力与燃弧参数的对应性及接触网结构对其产生的影响[7]。

上述国内外研究分析中缺少针对现场具体问题的分析，因此需要深入研究弓网接触力缺陷特征并进行有针对性的分析诊断。

2 弓网接触力测量方法及评价标准

接触线与受电弓之间的相互作用力为弓网动态接触力，有

=Szi+s×z+aero（1）

式中，zi为受电弓滑板支撑点所测得的压力，各点压力和为测量的合力，N；s为附带传感器的弓头归算质量，kg；z为滑板的垂向加速度，m/s2；s×z为附带传感器的弓头惯性力，N；aero为空气补偿动力，N，与受电弓在不同速度下的空气动力性能相关，可由受电弓型式试验测得。弓网接触力检测系统布置如图1所示。

图1 弓网接触力检测系统布置

《TBT 3271-2011轨道交通受流系统受电弓与接触网相互作用准则》借鉴国际相关标准，采用基于概率统计的“3d”准则和门限阈值管理方法对弓网接触力进行评价[8]；为便于设备管理，《TG/GD 124-2015 高速铁路接触网运行维修规则》按照不同速度等级进行门限阈值管理，并依据划分的一、二级缺陷进行差异性扣分，评价标准见表1[9]。目前，我国高速铁路综合检测严格执行相关标准及维修规程，提高了设备管理的精细化水平。

表1 弓网接触力评价标准

3 弓网接触力缺陷特征

3.1 典型缺陷类型分析

高速铁路综合检测中的接触网检测是利用综合检测列车、专用接触网检测车对接触网状态进行的周期性检测工作。检测系统具备数据实时采集、分析、判断功能，缺陷数据及时发至设备管理单位。通过全路接触网检测监测信息管理系统，各设备管理单位对缺陷数据的复核结果进行反馈，形成检测数据的闭环管理。

通过对历年检测数据的分析统计，并依据现场复核及检测数据对比情况，对弓网接触力缺陷进行分类分析，选取导高不平顺、吊弦不受力、分段绝缘器不平顺和器件式分相绝缘器不平顺4类缺陷各10组数据进行分析。典型弓网接触力缺陷整改前后的数据对比结果如图2所示。

图2 整改前后弓网接触力典型缺陷对比

通过图2可以看出，4种典型缺陷的波形表现特征有所不同，整改后弓网接触力均有明显改善，表现出更小的波动性。

3.2 典型缺陷形态特征

检测数据的形态特征是诊断的关键信息，总结上述4种典型缺陷数据的波形形态特征，见表2。

上述分析结果表明：不同缺陷类型的检测数据波形均具有形态上的独特性，检测数据的标准偏差幅值不同，相互之间的差异性较为明显。

表2 弓网接触力典型缺陷检测波形的形态特征

3.3 典型缺陷频次特征

检测波形的波动特征反映出受电弓-接触网系统相互作用的关系，上述4种典型缺陷的波动反映出不同的波动频次特征，通过与标准正弦波对比，得到如表3所示的频次特征。

表3 弓网接触力典型缺陷检测波形频次特征

3.4 典型缺陷波长谱特征

检测系统按照25 cm为一个数据点进行数据存储和显示，即空间采样频率为每米4个数据点。笔者所做的研究表明，弓网接触力存在明显的波长谱特征[10]。对上述4种缺陷的数据波长谱特征进行分析，结果见表4。

表4 弓网接触力典型缺陷波长谱特征

导高不平顺导致弓网接触力缺陷检测波形体现单峰性，波长为20～25 m，为半个跨距长度，体现一跨内接触线高度波动；吊弦不受力导致弓网接触力缺陷检测波形体现单峰性，波长为15～ 20 m，为3个吊弦布置的距离，体现相邻吊弦高度波动；分段绝缘器不平顺导致弓网接触力缺陷检测波形体现单次冲击振动特征，波长为3.5～5 m，为分段绝缘器长度；分相绝缘器不平顺导致弓网接触力缺陷检测波形体现多次冲击振动特征，波长为10～15 m，为相邻分相绝缘器之间的间隔距离。

4 弓网接触力缺陷诊断

弓网接触力检测波形表现为在一定范围内波动的振动波形，小波分析方法是用于故障诊断与辨识的一种有效工具。

4.1 小波诊断

小波变换是通过平移母小波获得信号的时间信息，通过缩放小波的宽度获得信号的频率特性。连续小波变换可用下式表达：

表达式意义为信号()与被缩放和平移的小波函数之积在信号存在的整个周期里求和，结果为小波系数，是缩放因子和位置的函数，表征小波函数与信号()的相似程度。通过系数的比较可以对不同母小波在故障诊断中的匹配性进行评价[11]。

4.2 小波选择与构建

任何小波变换的基函数就是对母小波及父小波缩放和平移的集合。

母小波是小波分析的基础，不是唯一存在的，所有满足小波条件的函数都可以作为母小波。因此，母小波的选取与构建是十分重要的问题，选取母小波应遵循以下3个原则[12]：

（1）自相似性。选择的母小波与信号应具有一定的相似性。

（2）判别函数。针对某类问题，找到关键性技术指标，得到一个判别函数，将各种小波函数代入其中，得到一个最优准则。

（3）支集长度。应选择支集长度在5～9之间的小波，太长会产生边界问题，太短则不利于信号能量的集中。

父小波又被称为尺度函数，需满足它和本身周期平移的函数两两正交。尺度函数依据4种缺陷的波长特征进行构建。

针对上述分析的弓网接触力4种典型缺陷特征，按照检测数据空间采样原则，选取和构建4种小波：小波1采用db2为原型，小波2采用meyr为原型，小波3采用sym7为原型，小波4采用3组sym7组合的方法，如图3所示。

图3 小波选择与构建

4.3 诊断验证

对上述4种典型缺陷各选取10组数据，单组数据200个点，空间采样距离100 m，对上述构造的4种小波进行交叉检验测试。小波尺度设置为判别函数成为小波与信号的相似程度矩阵的模。10组数据的结果如表5所示。

表5 小波诊断验证

上述结果表明，构造的4种小波对于各对应类型判别函数得分最高，差异性明显且具有唯一性。

构造一组包含上述4种缺陷特征的数据，对上述4种小波诊断方法进行验证，结果如图4所示。

图4 小波诊断验证

由图4可以看出，通过选择和构建适合的4种小波对弓网接触力进行辨识，能够更清晰地识别弓网接触力信号的波长特征，为缺陷原因的诊断提供依据，其结果验证了该方法的有效性。

5 结语

对4种典型弓网接触力缺陷的特征进行分析，提出了小波诊断的方法，通过选择和构建适合的小波形式，能够有效识别和诊断弓网接触力缺陷产生的原因，为设备检修维护提供参考信息。

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The paper introduces the measuring methods and assessment criteria for pantograph-catenary contact force, analyzes three characteristics in terms of shapes, frequencies, wavelength of the contact force defects produced by the pantograph-catenary. By selection and establishing of 4 wavelets, defect diagnosis performed by application of wavelet similarity coefficient is able to diagnose the causes of contact force defects produced pantograph-catenary, providing references and basis for overhead contact line system maintenance.

Pantograph-catenary contact force; wavelength spectrum character; wavelet

U225.3

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.006

1007-936X(2018)01-0027-04

2017-03-13

杨志鹏.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，助理研究员，研究方向为电气化铁路检测。

本研究受中国铁路总公司科技研究开发计划课题资助（2015T003-B）。