接觸壓力檢測(cè)分析

1、<p><b>　　接觸壓力檢測(cè)分析</b></p><p>　　摘要：我國(guó)電氣化鐵路已在全國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)中占主導(dǎo)作用，隨著鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，新技術(shù)，新設(shè)備的投入使用，為了接觸網(wǎng)的檢測(cè)技術(shù)不斷的成熟和完善。本文從接觸網(wǎng)檢測(cè)的角度出發(fā)，簡(jiǎn)要闡述以接觸壓力值代替加速度值來(lái)描述接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的檢測(cè)方式，以及相關(guān)理論和標(biāo)準(zhǔn)。 提出接觸壓力的檢測(cè)方法，評(píng)判方式以及改進(jìn)建議。 </p>

2、<p>　　關(guān)鍵詞：加速度；接觸壓力；超限值 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：S951.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p>　　一．使用加速度描述接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的弊端： </p><p>　　在接觸網(wǎng)檢測(cè)中，判定接觸網(wǎng)硬點(diǎn)通常使用加速度這一物理量，其單位為“m/s2”。通常又折算成重力加速度“g”，即10 m/s2。行業(yè)內(nèi)不少人常將二者混淆的，認(rèn)為

3、“g”等同“m/s2”，也有把“g”當(dāng)成“克”的。以前常常見(jiàn)到某些報(bào)告甚至標(biāo)準(zhǔn)提出，某段接觸網(wǎng)硬點(diǎn)達(dá)到20g或者30g，實(shí)際上不是g，而是m/s2?？梢钥闯龊苋藗儗?duì)此單位很容易誤解。筆者認(rèn)為加速度測(cè)量硬點(diǎn)的方式卻不是很準(zhǔn)確。檢測(cè)車(chē)通常采用受電弓滑條下加裝震動(dòng)傳感器（一般稱(chēng)加速度傳感器），這種測(cè)量方式卻是難以準(zhǔn)確測(cè)量出接觸網(wǎng)對(duì)受電弓的瞬時(shí)沖量造成的加速度的。 </p><p>　　第一，檢測(cè)車(chē)一般在受電弓滑條下安裝

4、兩個(gè)震動(dòng)傳感器，一個(gè)測(cè)水平方向，一個(gè)測(cè)垂直方向，與滑條固定在一起。實(shí)際在運(yùn)行過(guò)程中，受電弓頭是經(jīng)常有小幅度偏轉(zhuǎn)的，這兩個(gè)傳感器并沒(méi)有最佳的工作環(huán)境，往往所受沖力并非正對(duì)傳感器。此外還有來(lái)自檢測(cè)車(chē)體自身帶來(lái)的震動(dòng)等復(fù)雜原因的干擾。傳統(tǒng)檢測(cè)車(chē)也沒(méi)有在受電弓底座安裝加速度傳感器，無(wú)法對(duì)運(yùn)動(dòng)的車(chē)體震動(dòng)值作出補(bǔ)償。因此，檢測(cè)數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)很大的誤差。 </p><p>　　第二，從理論上，在牛頓力學(xué)公式里，加速度計(jì)算的2個(gè)公

5、式a=F/m和a=(v-v0)/t，可以看出，第二個(gè)公式的3個(gè)物理量絕對(duì)不可能由一個(gè)傳感器甚至一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)能測(cè)出。而第一個(gè)公式中“m”即質(zhì)量，對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)無(wú)法準(zhǔn)確給予的物理量。有人說(shuō)取受電弓頭的質(zhì)量即6.5kg，但是弓頭是作為一個(gè)部件和受電弓合為一體固定在車(chē)頂，受電弓頭同時(shí)受重力和弓臂帶來(lái)的升力以及各鏈接件的影響，顯然不能作為在沖擊力方向上一獨(dú)立物體為此公式提供“m”數(shù)值。檢測(cè)車(chē)對(duì)于“m”值的認(rèn)定也不完全統(tǒng)一。 </p&

6、gt;<p>　　因此，對(duì)于受電弓這種具有柔性升降的較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在160km/h的速度下加速度大的也只有20~30 m/s2，而對(duì)硬點(diǎn)的檢測(cè)報(bào)告，不同的檢測(cè)車(chē)卻大相徑庭，差別可以達(dá)到好幾倍。即便加裝了受電弓底座補(bǔ)償傳感器的新型檢測(cè)設(shè)備，許多國(guó)外專(zhuān)家還是對(duì)硬點(diǎn)的檢測(cè)持保守的態(tài)度。 </p><p>　　二．使用接觸壓力描述接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的可行性： </p><p>　　

7、從加速度的兩個(gè)公式a=F/m和a=(v-v0)/t可以看出，一個(gè)是從作用力的角度推導(dǎo)，一個(gè)是從速度的角度推導(dǎo)。從速度改變的角度推導(dǎo)顯然非常復(fù)雜，需要測(cè)速，記時(shí)再計(jì)算，檢測(cè)車(chē)都放棄了從速度變化量上推導(dǎo)加速度值。那么從力的角度呢？從第一個(gè)公式中可以看出，對(duì)檢測(cè)車(chē)來(lái)說(shuō)，“m” ，我們雖然無(wú)法確定其具體的數(shù)值，但它肯定是檢測(cè)車(chē)自身部分的，我們可以認(rèn)定是受電弓系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)因，在正常檢測(cè)過(guò)程中(重大打弓事故除外)可以認(rèn)定它是某個(gè)可能會(huì)略有變化的值。

8、而F是弓網(wǎng)的瞬時(shí)接觸壓力，這是來(lái)自接觸網(wǎng)的作用力，也就是加速度產(chǎn)生的外因。而同一受電弓本身的機(jī)械性能一般不可能造成接觸壓力的大幅改變，接觸壓力的突變必定來(lái)自接觸網(wǎng)，接觸壓力的突變也就是導(dǎo)致硬點(diǎn)產(chǎn)生的根本原因。但接觸壓力卻是個(gè)能較準(zhǔn)確測(cè)量得出的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　接觸壓力是通過(guò)在受電弓滑條下兩側(cè)安裝的力學(xué)傳感器測(cè)得。力學(xué)傳感器一般是具有剛性抗扭矩和低溫度偏移特性的稱(chēng)重式傳感器。筆者常年在接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)工作，

9、該車(chē)采用德國(guó)鐵路DB公司檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)檢測(cè)實(shí)踐，引用了部分2013年5月23日以80km/h速度檢測(cè)某條線路的數(shù)據(jù)，制定以下沖擊加速度與接觸拉力的對(duì)照表。 </p><p><b>　　表一 </b></p><p>　　里程(km) 加速度(m/s2) 接觸壓力（N） </p><p>　　1 182.932 14.8 124 </p&

10、gt;<p>　　2 188.601 15.4 124 </p><p>　　3 207.969 11.5 121 </p><p>　　4 211.556 22.5 131 </p><p>　　5 234.188 29.3 321 </p><p>　　6 253.140 13.1 127 </p><p

11、>　　7 294.188 14.3 137 </p><p>　　的確得不出加速度越大，則壓力必定越大這一規(guī)律，前面也已經(jīng)說(shuō)明，加速度的值值得商榷，該車(chē)加速度傳感器數(shù)值是作為力學(xué)評(píng)估的補(bǔ)充手段，并減小在移動(dòng)物體上由于加速度影響所測(cè)得力的誤差。第5行存在打弓的故障點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)很大，321N的壓力可能已經(jīng)不屬于因接觸網(wǎng)平順度不夠而產(chǎn)生，可能是因?yàn)槭茈姽艿剿椒较蛲饬ε鲎?，例如扭面?dǎo)線的線夾等情況，無(wú)法及時(shí)下降

12、避讓造成傳感器讀數(shù)較大。曾經(jīng)在一次試驗(yàn)中，更是遇到以3km/h的速度，定位器直接打到受電弓的情況，壓力值達(dá)到800N，可見(jiàn)特大值往往是因?yàn)榻佑|網(wǎng)的安裝不當(dāng)帶來(lái)，數(shù)值僅供參考。從多次檢測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，速度120km/h以?xún)?nèi)正常情況下加速度都在10 m/s2以下，而相應(yīng)的接觸壓力在40~120N的范圍內(nèi)。加速度較大的位置，必然壓力有較大的改變，而壓力有較大改變的位置，未必出現(xiàn)加速度偏大的情況。尤其在接觸線有較大抬升時(shí)，可能出現(xiàn)壓力過(guò)小甚至

13、離線，危害電氣設(shè)備的故障點(diǎn)，接觸壓力相對(duì)直接測(cè)量加速度顯得更全面而可靠。似乎行業(yè)內(nèi)也在逐步認(rèn)可通過(guò)利用接觸壓力評(píng)估接觸網(wǎng)性能。 </p><p>　　三．接觸壓力的分力組成： </p><p>　　接觸點(diǎn)的接觸力F可以看作以下4個(gè)分力組成： </p><p>　　1.靜態(tài)升力F0——指受電弓的升弓壓力。 </p><p>　　2.摩擦力FR—

14、—作用于受電弓自身結(jié)構(gòu)帶來(lái)。取決于受電弓設(shè)計(jì)（接頭摩擦）。 </p><p>　　3.空氣阻力Fair——空氣的阻力（正升力或負(fù)升力），取決于車(chē)輛速度、車(chē)頂受電弓附近元件以及受電弓的構(gòu)造。 </p><p>　　4.動(dòng)態(tài)分力Fdyn——受電弓與接觸線耦合引起的內(nèi)力（接觸線震動(dòng)造成）。 </p><p>　　前三種力相加我們這里稱(chēng)為受電弓的有效升力，在靜止?fàn)顟B(tài)下，F(xiàn)0

15、+FR+Fair=F。也就是說(shuō)靜態(tài)時(shí)，有效升力即為接觸壓力。運(yùn)行中的受電弓猶如一個(gè)只有龍骨的風(fēng)箏，空氣阻力Fair會(huì)隨著列車(chē)速度的增加而變大，影響受電弓的有效升力。在正常氣象條件下，對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的列車(chē)，空氣的阻力對(duì)受電弓的影響應(yīng)基本保持一致。所以接觸壓力的突變主要取決于動(dòng)態(tài)分力Fdyn。 </p><p>　　隨著列車(chē)速度的增加，動(dòng)態(tài)分力Fdyn 對(duì)接觸力的影響也變得越來(lái)越大。動(dòng)態(tài)分力取決于受電弓的設(shè)計(jì)參數(shù)、接觸網(wǎng)

16、系統(tǒng)、車(chē)輛行走以及區(qū)間運(yùn)行受電弓的數(shù)量等多種因素的影響?？缇嘀g的彈性差異以及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的不規(guī)則性引起受電弓上下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接觸力連續(xù)波動(dòng)。接觸點(diǎn)高度的連續(xù)變化引起接觸線振動(dòng)，并迅速傳播，在質(zhì)量累積點(diǎn)和波動(dòng)中斷位置（即硬點(diǎn)）會(huì)得到很強(qiáng)反映，對(duì)接觸線和受電弓接觸點(diǎn)處的接觸力造成額外干擾。這種作用在數(shù)個(gè)反映點(diǎn)重合時(shí)放大，由此造成的干擾程度隨著列車(chē)速度的增加而增加。 </p><p>　　四．接觸壓力超限值的界定： &l

17、t;/p><p>　　接觸壓力對(duì)其平均值的偏離成為目前接觸壓力超限的依據(jù)。某些路局和設(shè)計(jì)院使用了鐵科院以下這種評(píng)判方式： </p><p>　　最大值（N）：Fmax=Fm+3σ </p><p>　　最小值（N）：Fmin=20 </p><p>　　平均值（N）：Fm≤0.00097V2+70 </p><p>　　標(biāo)

18、準(zhǔn)偏差（N）：σ≤0.3×Fm </p><p>　　V為檢測(cè)速度（km/h）。[1] </p><p>　　以此公式推算，可以得出以下結(jié)果： </p><p><b>　　表二 </b></p><p>　　從長(zhǎng)期的檢測(cè)數(shù)據(jù)看來(lái)，在接觸網(wǎng)仍有許多故障點(diǎn)的情況下，以120km/h速度檢測(cè)，接觸壓力最大值都達(dá)不到

19、160N（定位器打弓等特殊情況除外）。80km/h以下的檢測(cè)情況更是如此。此公式與速度小于120km/h的檢測(cè)結(jié)果不符合。速度達(dá)到160km/h時(shí)，接觸壓力與公式接近。 </p><p>　　筆者考慮其中的原因?yàn)椋汗狡骄礔m≤0.00097V2+70的推導(dǎo)是在某一特定的試驗(yàn)環(huán)境下，以較高速度進(jìn)行試驗(yàn)得出。而接觸網(wǎng)因?yàn)樵O(shè)計(jì)的不同，導(dǎo)線張力，跨距，材料不盡相同，且同一條鐵路也因?yàn)殄^段關(guān)節(jié)，分相，中心錨接等，導(dǎo)致接

20、觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不一致性，此外還有外界環(huán)境，比如隧道中的風(fēng)力以及各受電弓機(jī)械性的不同等等，接觸網(wǎng)壓力隨著接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同，有著相當(dāng)大的變化值。比如一段呈上升趨勢(shì)的接觸網(wǎng)，其壓力測(cè)得值普遍40N左右，接著一段呈下降趨勢(shì)的接觸網(wǎng)，其壓力測(cè)得值普遍100N左右，所以其平均接觸壓力不單由列車(chē)速度所決定，檢測(cè)中使用基于速度計(jì)算出的平均壓力，恐怕會(huì)與實(shí)際情況不符。 </p><p>　　接觸網(wǎng)硬點(diǎn)實(shí)際來(lái)自接觸壓力的突變，即所謂的尖

21、峰值。也就是測(cè)量接觸點(diǎn)壓力與之相鄰一段接觸點(diǎn)壓力差異大小，而不應(yīng)界定一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值與測(cè)量點(diǎn)相比較。 </p><p>　　目前我國(guó)檢測(cè)車(chē)許多采用了德國(guó)鐵路DB公司的檢測(cè)設(shè)備和理論。DB公司力學(xué)檢測(cè)判定依據(jù)是在500 米距離內(nèi)計(jì)算平均接觸壓力（實(shí)測(cè)值），和標(biāo)準(zhǔn)偏離值(行業(yè)內(nèi)普遍采用0.3倍平均值)。如出現(xiàn)下列情況，視故障點(diǎn)： </p><p>　　1.瞬間接觸壓力超過(guò)160N，或超過(guò)平均接觸

22、壓力Fm 1.6 倍。 </p><p>　　2.瞬間接觸壓力大于接觸壓力與可自定義倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的和。 </p><p>　　3.瞬間接觸壓力不足5N。 </p><p>　　其公式為：F160N或F>1.6Fm，或F>Fm+(2～4)σ </p><p>　　以這幾個(gè)公式，對(duì)照表二計(jì)算接觸壓力的情況，如下圖： </p&

23、gt;<p><b>　　表三 </b></p><p>　　假定平均值（N） 標(biāo)準(zhǔn)偏離值σ </p><p>　?。é遥?.3Fm） 1.6Fm（N） Fm+(2～4)σ </p><p>　　71.5 21.45 114.4 114.4~157.3 </p><p>　　76.2 22.86 121.9

24、 121.9~167.6 </p><p>　　83.9 25.17 134.2 134.2~184.5 </p><p>　　94.8 28.44 151.6 151.6~208.5 </p><p>　　由表三可以看出，1.6Fm此數(shù)據(jù)的來(lái)源為： </p><p>　　當(dāng)取σ＝0.3Fm， Fm+2σ=1.6Fm。 </p>

25、<p>　　σ的系數(shù)取3則是表二的最大接觸壓力數(shù)據(jù)。所以這兩者是在長(zhǎng)期大量的實(shí)踐過(guò)程中，取得了一致的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。而σ的系數(shù)取4時(shí)顯然最大接觸壓力甚至超過(guò)了表二的數(shù)據(jù)，作為接觸網(wǎng)工程質(zhì)量的檢測(cè)，有失嚴(yán)謹(jǐn)。 </p><p>　　在接觸網(wǎng)竣工檢測(cè)過(guò)程中，是從相對(duì)較低的速度開(kāi)始進(jìn)行。譬如在120km/h的時(shí)速乃至于更低的速度下，表二中σ的系數(shù)取3時(shí)，顯得標(biāo)準(zhǔn)過(guò)寬，難以查找出接觸網(wǎng)故障點(diǎn)——相比于接觸網(wǎng)高度檢測(cè)

26、中的，因誤差30mm以及高差超限而造成的許多故障點(diǎn)而言，接觸壓力超限卻是一片空白。這種情況下可能對(duì)將來(lái)的高速段檢測(cè)時(shí)帶來(lái)一定的隱患。同時(shí)也導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)有些人士對(duì)接觸網(wǎng)高度的控制不夠重視。所以筆者認(rèn)為σ的系數(shù)取2，也就是F≤1.6Fm更符合實(shí)際情況。接觸網(wǎng)不發(fā)生離線故障，就沒(méi)有電弧發(fā)生，損壞電氣設(shè)備。最小值滿(mǎn)足F≥5N亦可。 </p><p>　　建議接觸壓力最大值采用F＜160N，F(xiàn)≤1.6Fm或者F≤Fm+2σ的

27、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。最小值滿(mǎn)足F≥5N。 </p><p>　　此外，目前鐵路的暫行標(biāo)準(zhǔn)與我們采用的DB公司的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，其區(qū)別主要在于接觸壓力平均值的取值上。一個(gè)是以速度通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，一個(gè)是以實(shí)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)平均接觸壓力不單由列車(chē)速度所決定。筆者認(rèn)為， DB公司采用500 米距離內(nèi)以測(cè)量得知接觸壓力值來(lái)計(jì)算平均接觸壓力，可能更滿(mǎn)足查找接觸壓力突變點(diǎn)的要求。500米的距離作為計(jì)算平均接觸壓力的單位，可能是出于

28、避免檢測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)于龐大，而采用的一種途徑。 </p><p>　　筆者更傾向于以檢測(cè)設(shè)備采樣點(diǎn)（通常是時(shí)間或檢測(cè)距離）為基準(zhǔn)，以測(cè)量點(diǎn)與前后采樣點(diǎn)的接觸壓力值作比較找出突變點(diǎn)。以DB檢測(cè)設(shè)備為例，20ms的時(shí)間段為一個(gè)采樣點(diǎn)。任意接觸壓力測(cè)量點(diǎn)不應(yīng)超過(guò)1.6倍采樣鄰近點(diǎn)，這就是接觸網(wǎng)硬點(diǎn)，即使其接觸壓力未達(dá)到160N，它也是弓網(wǎng)耦合的故障點(diǎn)。在更高的速度下，它可能會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成危害。 </p>&l

29、t;p>　　五．接觸網(wǎng)在接觸壓力方面應(yīng)該達(dá)到的條件： </p><p>　　1.定位點(diǎn)只有很低的平均壓力上升。 </p><p>　　2.接觸線檢測(cè)軌跡高度變化小。 </p><p>　　3.接觸力波動(dòng)很??；且無(wú)電弧。 </p><p>　　六．目前對(duì)接觸力的檢測(cè)或許還需完善的提議： </p><p>　　1.

30、由于力傳感器位于滑條下方，所以不能對(duì)作用在受電弓滑條上的空氣升力或阻力進(jìn)行測(cè)量。空氣動(dòng)力補(bǔ)償值基于實(shí)驗(yàn)室的模擬推導(dǎo)，在實(shí)際的檢測(cè)中，無(wú)法確切得知當(dāng)時(shí)空氣動(dòng)力對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。 </p><p>　　2. 關(guān)于接觸網(wǎng)附近的磁性及電氣干擾場(chǎng)的造成的傳感器不靈敏度，高壓電位（27.5kV）至地電位的信號(hào)傳輸。盡管目前檢測(cè)車(chē)都采用測(cè)量信息被轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，光纖將光信號(hào)輸送車(chē)內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的方式，但沒(méi)有完全根除鐵路苛刻環(huán)境的干擾

31、，檢測(cè)數(shù)據(jù)偶爾會(huì)出現(xiàn)被干擾的情況。 </p><p>　　3.運(yùn)行中受電弓滑條的震動(dòng)對(duì)加速度和力傳感器都會(huì)產(chǎn)生不利的影響，目前檢測(cè)車(chē)使用濾波器降低信號(hào)干擾。是否可以采用新的工藝為運(yùn)行中的受電弓頭做減震處理。 </p><p>　　筆者學(xué)識(shí)經(jīng)驗(yàn)有限，提出的理論難免出現(xiàn)不當(dāng)之處，希望各界專(zhuān)家批評(píng)指導(dǎo)。 </p><p>　　參考文獻(xiàn)：[1]鐵道部 《牽引供電施工驗(yàn)收暫行