劉志剛，韓志偉

0 引言

接觸線是電氣化高速鐵路供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)的主要元件。在列車運(yùn)行時(shí)，受電弓通過(guò)與接觸線滑動(dòng)接觸而取得電能傳送給電力機(jī)車，因此，弓網(wǎng)間的可靠接觸是電力機(jī)車良好受流的重要條件[1]。由于在列車運(yùn)行中，接觸線、受電弓及線路形成了一個(gè)復(fù)雜的點(diǎn)面接觸受電系統(tǒng)，特別是隨著列車運(yùn)行速度的提高，振幅加大，弓網(wǎng)之間的接觸狀態(tài)也越不穩(wěn)定，其帶來(lái)的直接后果：一是弓網(wǎng)接觸壓力忽大忽小從而加劇弓網(wǎng)磨耗或產(chǎn)生離線，影響受流質(zhì)量；二是接觸線動(dòng)抬升量加大而使受電弓與接觸懸掛零部件發(fā)生碰撞，影響行車安全；三是加劇接觸線彎曲應(yīng)力從而使其產(chǎn)生疲勞甚至斷裂，影響使用壽命[2～4]。目前，在各接觸網(wǎng)修管運(yùn)過(guò)程中，對(duì)于接觸網(wǎng)性能的評(píng)價(jià)多為關(guān)鍵部位單點(diǎn)靜態(tài)測(cè)量，缺乏對(duì)接觸網(wǎng)整體動(dòng)態(tài)性能的有效評(píng)價(jià)手段。對(duì)于高速鐵路接觸網(wǎng)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法更是無(wú)法有效評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)受流性能，不利于指導(dǎo)接觸網(wǎng)的養(yǎng)護(hù)工作。因此，怎樣劃分和衡量接觸線不平順狀態(tài)，一直是電氣化鐵路倍受關(guān)注的研究課題，也是目前電氣化高速鐵路亟需解決的主要問(wèn)題之一。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)弓網(wǎng)的檢測(cè)一般都是根據(jù)本國(guó)實(shí)際情況選擇合適的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行。例如，德國(guó)把弓網(wǎng)間的接觸壓力作為檢測(cè)重點(diǎn)，而日本則突出檢測(cè)弓網(wǎng)離線和接觸網(wǎng)磨耗[5]。國(guó)內(nèi)弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)研究起步于20 世紀(jì)60 年代，主要使用接觸網(wǎng)檢測(cè)車對(duì)接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)[6]。通過(guò)弓網(wǎng)耦合模型分析接觸線和受電弓的相互影響。目前的弓網(wǎng)模型有非線性模型和線性模型[7～8]。在不平順定義方面，日本藤井保和嘗試建立了新干線波狀磨耗凹凸的功率譜并分析了磨耗產(chǎn)生的機(jī)理和對(duì)離線的影響[9]。國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)線譜的研究整體處于起步階段，而且研究對(duì)象一般為150 km/h 以下的電氣化鐵路，對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)線譜的研究基本上還是處于空白階段。隨著電氣化高速鐵路運(yùn)行速度的提高，以及在國(guó)內(nèi)的迅猛發(fā)展，對(duì)于接觸線不平順性和弓線之間受流情況進(jìn)行評(píng)估已經(jīng)越來(lái)越重要。

2 主要研究?jī)?nèi)容

通過(guò)分析電氣化鐵路接觸網(wǎng)不平順的物理意義，利用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，借助仿真模型驗(yàn)證，研究接觸網(wǎng)線譜的構(gòu)造方法，初步建立電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)線譜的理論應(yīng)用體系，主要研究?jī)?nèi)容有以下3 個(gè)方面。

（1）接觸線不平順性定義，劃分和影響因素分析。關(guān)于接觸線不平順性的解釋，目前還沒(méi)有明確的定義和衡量指標(biāo)。剛性接觸網(wǎng)的不平順一般是指受電弓取流的接觸面沿匯流排延長(zhǎng)與理論平順接觸面的偏差，但該概念是借鑒軌道譜的定義。在列車速度150 km/h 以下，剛性接觸網(wǎng)在無(wú)受電弓作用狀態(tài)下和有受電弓作用狀態(tài)下的不平順僅為周期性與隨機(jī)性的不平順。對(duì)于高速鐵路，尤其國(guó)內(nèi)客運(yùn)專線普遍采用的彈性懸掛方式下的接觸線不平順性，應(yīng)該考慮更多和更復(fù)雜的因素，包括對(duì)接觸線和受電弓的電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、幾何尺寸、物理性能、線路參數(shù)、環(huán)境因素等進(jìn)行深入調(diào)查和分析。因此，可以從狹義和廣義2 方面定義彈性接觸線不平順。

狹義上來(lái)看，可類比于軌道譜和剛性接觸網(wǎng)定義方式，將接觸線不平順定義為接觸線表面實(shí)際幾何尺寸與理想尺寸之間的偏差。該定義集中于研究接觸線磨損、硬點(diǎn)、硬彎等對(duì)弓網(wǎng)振動(dòng)及受流的影響，可以為接觸線自身物理狀態(tài)監(jiān)控提供手段；為接觸網(wǎng)狀態(tài)修提供依據(jù)。

從廣義上看，除了上述接觸線幾何因素外，其他諸如接觸線張力，彈性均勻性，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，線材材質(zhì)等因素也會(huì)對(duì)弓網(wǎng)耦合和受流造成影響，其直接變現(xiàn)及最終影響就體現(xiàn)于接觸壓力的周期性隨機(jī)波動(dòng)。因此，可將上述因素造成的接觸壓力實(shí)際值與理想受流值之間的偏差定義為廣義不平順。通過(guò)對(duì)廣義不平順的分析，可提取分析接觸網(wǎng)各種參數(shù)值變化情況，為接觸線全生命周期管理提供支持。

因此對(duì)接觸線不平順性定義、劃分和影響因素分析具體研究?jī)?nèi)容包括：

a.影響接觸線不平順的各種因素，以及這些因素產(chǎn)生的結(jié)果，如各種波長(zhǎng)的諧波或其他類型的非平穩(wěn)信號(hào)。

b.各種不同的軌道不平順性定義和其他接觸面不平順的定義。

c.電氣化鐵路接觸線本身的特性，包括接觸線懸掛方式、接觸線與受電弓的關(guān)系、接觸線的受電特性、接觸線的受力特性、線路設(shè)計(jì)參數(shù)等。

d.電氣化高速鐵路接觸線不平順性狀態(tài)的劃分等。

通過(guò)對(duì)電氣化鐵路接觸線因素及相互影響的研究，獲得對(duì)電氣化高速鐵路接觸線不平順性評(píng)價(jià)更好的科學(xué)根據(jù)。

（2）接觸網(wǎng)線譜函數(shù)構(gòu)造?，F(xiàn)代信號(hào)處理領(lǐng)域中，譜的定義一般和信號(hào)的能量、頻率或瞬時(shí)頻率相關(guān)，經(jīng)常用于衡量信號(hào)隨頻率或瞬時(shí)頻率變化的統(tǒng)計(jì)特性，如：時(shí)頻譜、功率譜、參數(shù)譜、時(shí)變譜、進(jìn)化譜、Hilbert 譜、沖擊譜、峭度譜、小波譜等。在鐵路領(lǐng)域的軌道譜中，功率譜密度函數(shù)是通過(guò)均方值的譜密度對(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)頻率結(jié)構(gòu)的描述，是研究所有隨機(jī)信息如隨機(jī)振動(dòng)等頻率或波長(zhǎng)成分的統(tǒng)計(jì)含量、幅值變化規(guī)律等方面的統(tǒng)計(jì)函數(shù)，也是描述軌道不平順特征的最重要的統(tǒng)計(jì)函數(shù)。由于電氣化高速鐵路接觸線本身的特殊性，簡(jiǎn)單地利用軌道譜的定義顯然是不合理的。需要重新對(duì)現(xiàn)代信號(hào)處理尤其是非平穩(wěn)信號(hào)處理領(lǐng)域中關(guān)于譜的本質(zhì)含義和相關(guān)理論進(jìn)行深入研究，結(jié)合電氣化高速鐵路接觸線本身的特點(diǎn)，構(gòu)造適合于實(shí)際應(yīng)用的接觸網(wǎng)線譜函數(shù)。

對(duì)接觸網(wǎng)線譜函數(shù)構(gòu)造具體研究?jī)?nèi)容包括：

a.目前信號(hào)處理尤其是非平穩(wěn)信號(hào)處理中各種譜的定義和工程應(yīng)用。

b.電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)的仿真建模。

c.電氣化高速鐵路接觸線各種不同類型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性、統(tǒng)計(jì)估計(jì)、分布函數(shù)、頻譜、瞬時(shí)頻率、能量函數(shù)、諧波等方面。

d.不同譜函數(shù)適用于電氣化高速鐵路接觸線的可行性。

e.適合電氣化高速鐵路接觸線特點(diǎn)的譜函數(shù)構(gòu)造。

f.通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真模型數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證，對(duì)接觸網(wǎng)線譜函數(shù)改進(jìn)和完善等。

（3）接觸網(wǎng)線譜的應(yīng)用研究。目前，電氣化鐵路接觸線不平順?lè)植歼€沒(méi)有明確的評(píng)價(jià)和衡量方法，因此，電氣化鐵道接觸網(wǎng)線譜函數(shù)構(gòu)造研究的目的是用來(lái)評(píng)價(jià)和衡量接觸線的不平順性。通過(guò)深入研究和分析電氣化高速鐵路接觸線的不平順性，進(jìn)一步研究和獲得與電氣化鐵路接觸網(wǎng)密切相關(guān)的重要性能和關(guān)系。

對(duì)接觸網(wǎng)線譜的應(yīng)用研究具體內(nèi)容包括：

a.接觸網(wǎng)線譜與接觸線不平順?lè)植嫉年P(guān)系。

b.受電弓和接觸網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)性能與接觸網(wǎng)線譜間的關(guān)系。

c.接觸網(wǎng)線譜與早期波浪形磨耗的內(nèi)在聯(lián)系以及高速鐵路受電弓結(jié)構(gòu)與噪聲的關(guān)系。

d.波長(zhǎng)成份和譜密度的異常變化與接觸線病害的關(guān)系。

e.接觸網(wǎng)線譜與弓網(wǎng)受流質(zhì)量的關(guān)系等。

3 研究軌道譜的意義

建立一套電氣化鐵路接觸網(wǎng)線譜理論及應(yīng)用體系，對(duì)于國(guó)內(nèi)鐵路接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行和有效評(píng)價(jià)將提供重要的支持，主要體現(xiàn)如下：

（1）可利用電氣化鐵路接觸網(wǎng)線譜分析發(fā)現(xiàn)早期出現(xiàn)的肉眼尚難辨識(shí)的波浪形磨耗，識(shí)別波形磨耗的波長(zhǎng)和嚴(yán)重程度，還可以通過(guò)波長(zhǎng)成份和譜密度的異常變化來(lái)分析接觸線的病害。

（2）可以對(duì)電氣化鐵道選擇的接觸懸掛設(shè)計(jì)參數(shù)和適配的受電弓類型與參數(shù)進(jìn)行有效驗(yàn)證。

（3）在已知線路條件、運(yùn)行速度及接觸網(wǎng)與受電弓技術(shù)參數(shù)的情況下，可以有效評(píng)價(jià)該接觸網(wǎng)、受電弓的受流性能。

（4）設(shè)定一定的電氣化鐵道線路懸掛條件，一定的運(yùn)行速度，可以優(yōu)化接觸線的技術(shù)參數(shù)，對(duì)實(shí)際線路的接觸網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（5）根據(jù)給定的電氣化高速列車運(yùn)行速度和接觸網(wǎng)的懸掛類型，可以優(yōu)化受電弓的結(jié)構(gòu)及其技術(shù)參數(shù)。

（6）根據(jù)既有電氣化線路條件，可以研究提速的可能性、可行性及對(duì)既有接觸懸掛應(yīng)采取的技術(shù)改造與改進(jìn)措施。

（7）指導(dǎo)電氣化鐵道接觸網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作。

因此，研究接觸線不平順狀態(tài)及其對(duì)弓網(wǎng)受流的影響，對(duì)高速電氣化鐵路的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于軌道譜、路面譜的研究很多而且比較成熟，國(guó)外學(xué)者已給出了歐美鐵路的軌道譜擬合公式。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)主要干線鐵路大量軌道不平順檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，提出了國(guó)內(nèi)軌道譜（如分級(jí)形式的軌道譜）的計(jì)算公式和算法，并進(jìn)行了軌道譜的應(yīng)用研究。因此，可以充分借鑒軌道譜和路面譜的思路，利用非平穩(wěn)信號(hào)處理領(lǐng)域中有關(guān)譜的理論，結(jié)合國(guó)內(nèi)高速鐵路接觸網(wǎng)的實(shí)際情況，參考借鑒軌道不平順性模型的分析方法和處理手段，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和仿真建模，提出適應(yīng)國(guó)內(nèi)安全規(guī)范的電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)線譜模型。

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