接触压力检测分析

摘要：我国电气化铁路已在全国铁路网络中占主导作用，随着铁路建设的不断发展，新技术，新设备的投入使用，为了接触网的检测技术不断的成熟和完善。本文从接触网检测的角度出发，简要阐述以接触压力值代替加速度值来描述接触网硬点的检测方式，以及相关理论和标准。 提出接触压力的检测方法，评判方式以及改进建议。

关键词：加速度；接触压力；超限值

中图分类号：S951.4+3 文献标识码： A

一．使用加速度描述接触网硬点的弊端：

在接触网检测中，判定接触网硬点通常使用加速度这一物理量，其单位为“m/s2”。通常又折算成重力加速度“g”，即10 m/s2。行业内不少人常将二者混淆的，认为“g”等同“m/s2”，也有把“g”当成“克”的。以前常常见到某些报告甚至标准提出，某段接触网硬点达到20g或者30g，实际上不是g，而是m/s2。可以看出很人们对此单位很容易误解。笔者认为加速度测量硬点的方式却不是很准确。检测车通常采用受电弓滑条下加装震动传感器（一般称加速度传感器），这种测量方式却是难以准确测量出接触网对受电弓的瞬时冲量造成的加速度的。

第一，检测车一般在受电弓滑条下安装两个震动传感器，一个测水平方向，一个测垂直方向，与滑条固定在一起。实际在运行过程中，受电弓头是经常有小幅度偏转的，这两个传感器并没有最佳的工作环境，往往所受冲力并非正对传感器。此外还有来自检测车体自身带来的震动等复杂原因的干扰。传统检测车也没有在受电弓底座安装加速度传感器，无法对运动的车体震动值作出补偿。因此，检测数据可能出现很大的误差。

第二，从理论上，在牛顿力学公式里，加速度计算的2个公式a=F/m和a=(v-v0)/t，可以看出，第二个公式的3个物理量绝对不可能由一个传感器甚至一个简单的系统能测出。而第一个公式中“m”即质量，对弓网系统来说是一个无法准确给予的物理量。有人说取受电弓头的质量即6.5kg，但是弓头是作为一个部件和受电弓合为一体固定在车顶，受电弓头同时受重力和弓臂带来的升力以及各链接件的影响，显然不能作为在冲击力方向上一独立物体为此公式提供“m”数值。检测车对于“m”值的认定也不完全统一。

因此，对于受电弓这种具有柔性升降的较为复杂的机械结构来说，在160km/h的速度下加速度大的也只有20~30 m/s2，而对硬点的检测报告，不同的检测车却大相径庭，差别可以达到好几倍。即便加装了受电弓底座补偿传感器的新型检测设备，许多国外专家还是对硬点的检测持保守的态度。

二．使用接触压力描述接触网硬点的可行性：

从加速度的两个公式a=F/m和a=(v-v0)/t可以看出，一个是从作用力的角度推导，一个是从速度的角度推导。从速度改变的角度推导显然非常复杂，需要测速，记时再计算，检测车都放弃了从速度变化量上推导加速度值。那么从力的角度呢？从第一个公式中可以看出，对检测车来说，“m” ，我们虽然无法确定其具体的数值，但它肯定是检测车自身部分的，我们可以认定是受电弓系统的一个内因，在正常检测过程中(重大打弓事故除外)可以认定它是某个可能会略有变化的值。而F是弓网的瞬时接触压力，这是来自接触网的作用力，也就是加速度产生的外因。而同一受电弓本身的机械性能一般不可能造成接触压力的大幅改变，接触压力的突变必定来自接触网，接触压力的突变也就是导致硬点产生的根本原因。但接触压力却是个能较准确测量得出的数据。

接触压力是通过在受电弓滑条下两侧安装的力学传感器测得。力学传感器一般是具有刚性抗扭矩和低温度偏移特性的称重式传感器。笔者常年在接触网检测车工作，该车采用德国铁路DB公司检测设备。通过检测实践，引用了部分2013年5月23日以80km/h速度检测某条线路的数据，制定以下冲击加速度与接触拉力的对照表。

表一

里程(km) 加速度(m/s2) 接触压力（N）

1 182.932 14.8 124

2 188.601 15.4 124

3 207.969 11.5 121

4 211.556 22.5 131

5 234.188 29.3 321

6 253.140 13.1 127

7 294.188 14.3 137

的确得不出加速度越大，则压力必定越大这一规律，前面也已经说明，加速度的值值得商榷，该车加速度传感器数值是作为力学评估的补充手段，并减小在移动物体上由于加速度影响所测得力的误差。第5行存在打弓的故障点，导致数据很大，321N的压力可能已经不属于因接触网平顺度不够而产生，可能是因为受电弓受到水平方向外力碰撞，例如扭面导线的线夹等情况，无法及时下降避让造成传感器读数较大。曾经在一次试验中，更是遇到以3km/h的速度，定位器直接打到受电弓的情况，压力值达到800N，可见特大值往往是因为接触网的安装不当带来，数值仅供参考。从多次检测数据中可以看出，速度120km/h以内正常情况下加速度都在10 m/s2以下，而相应的接触压力在40~120N的范围内。加速度较大的位置，必然压力有较大的改变，而压力有较大改变的位置，未必出现加速度偏大的情况。尤其在接触线有较大抬升时，可能出现压力过小甚至离线，危害电气设备的故障点，接触压力相对直接测量加速度显得更全面而可靠。似乎行业内也在逐步认可通过利用接触压力评估接触网性能。

三．接触压力的分力组成：

接触点的接触力F可以看作以下4个分力组成：

1.静态升力F0——指受电弓的升弓压力。

2.摩擦力FR——作用于受电弓自身结构带来。取决于受电弓设计（接头摩擦）。

3.空气阻力Fair——空气的阻力（正升力或负升力），取决于车辆速度、车顶受电弓附近元件以及受电弓的构造。

4.动态分力Fdyn——受电弓与接触线耦合引起的内力（接触线震动造成）。

前三种力相加我们这里称为受电弓的有效升力，在静止状态下，F0+FR+Fair=F。也就是说静态时，有效升力即为接触压力。运行中的受电弓犹如一个只有龙骨的风筝，空气阻力Fair会随着列车速度的增加而变大，影响受电弓的有效升力。在正常气象条件下，对匀速运动的列车，空气的阻力对受电弓的影响应基本保持一致。所以接触压力的突变主要取决于动态分力Fdyn。

随着列车速度的增加，动态分力Fdyn 对接触力的影响也变得越来越大。动态分力取决于受电弓的设计参数、接触网系统、车辆行走以及区间运行受电弓的数量等多种因素的影响。跨距之间的弹性差异以及接触网系统的不规则性引起受电弓上下运动，导致接触力连续波动。接触点高度的连续变化引起接触线振动，并迅速传播，在质量累积点和波动中断位置（即硬点）会得到很强反映，对接触线和受电弓接触点处的接触力造成额外干扰。这种作用在数个反映点重合时放大，由此造成的干扰程度随着列车速度的增加而增加。

四．接触压力超限值的界定：

接触压力对其平均值的偏离成为目前接触压力超限的依据。某些路局和设计院使用了铁科院以下这种评判方式：

最大值（N）：Fmax=Fm+3σ

最小值（N）：Fmin=20

平均值（N）：Fm≤0.00097V2+70

标准偏差（N）：σ≤0.3×Fm

V为检测速度（km/h）。[1]

以此公式推算，可以得出以下结果：

表二

从长期的检测数据看来，在接触网仍有许多故障点的情况下，以120km/h速度检测，接触压力最大值都达不到160N（定位器打弓等特殊情况除外）。80km/h以下的检测情况更是如此。此公式与速度小于120km/h的检测结果不符合。速度达到160km/h时，接触压力与公式接近。

笔者考虑其中的原因为：公式平均值Fm≤0.00097V2+70的推导是在某一特定的试验环境下，以较高速度进行试验得出。而接触网因为设计的不同，导线张力，跨距，材料不尽相同，且同一条铁路也因为锚段关节，分相，中心锚接等，导致接触网结构的不一致性，此外还有外界环境，比如隧道中的风力以及各受电弓机械性的不同等等，接触网压力随着接触网结构的不同，有着相当大的变化值。比如一段呈上升趋势的接触网，其压力测得值普遍40N左右，接着一段呈下降趋势的接触网，其压力测得值普遍100N左右，所以其平均接触压力不单由列车速度所决定，检测中使用基于速度计算出的平均压力，恐怕会与实际情况不符。

接触网硬点实际来自接触压力的突变，即所谓的尖峰值。也就是测量接触点压力与之相邻一段接触点压力差异大小，而不应界定一个准确的数值与测量点相比较。

目前我国检测车许多采用了德国铁路DB公司的检测设备和理论。DB公司力学检测判定依据是在500 米距离内计算平均接触压力（实测值），和标准偏离值(行业内普遍采用0.3倍平均值)。如出现下列情况，视故障点：

1.瞬间接触压力超过160N，或超过平均接触压力Fm 1.6 倍。

2.瞬间接触压力大于接触压力与可自定义倍数的标准偏差σ的和。

3.瞬间接触压力不足5N。

其公式为：F160N或F>1.6Fm，或F>Fm+(2～4)σ

以这几个公式，对照表二计算接触压力的情况，如下图：

表三

假定平均值（N） 标准偏离值σ

（σ＝0.3Fm） 1.6Fm（N） Fm+(2～4)σ

71.5 21.45 114.4 114.4~157.3

76.2 22.86 121.9 121.9~167.6

83.9 25.17 134.2 134.2~184.5

94.8 28.44 151.6 151.6~208.5

由表三可以看出，1.6Fm此数据的来源为：

当取σ＝0.3Fm， Fm+2σ=1.6Fm。

σ的系数取3则是表二的最大接触压力数据。所以这两者是在长期大量的实践过程中，取得了一致的评判标准。而σ的系数取4时显然最大接触压力甚至超过了表二的数据，作为接触网工程质量的检测，有失严谨。

在接触网竣工检测过程中，是从相对较低的速度开始进行。譬如在120km/h的时速乃至于更低的速度下，表二中σ的系数取3时，显得标准过宽，难以查找出接触网故障点——相比于接触网高度检测中的，因误差30mm以及高差超限而造成的许多故障点而言，接触压力超限却是一片空白。这种情况下可能对将来的高速段检测时带来一定的隐患。同时也导致行业内有些人士对接触网高度的控制不够重视。所以笔者认为σ的系数取2，也就是F≤1.6Fm更符合实际情况。接触网不发生离线故障，就没有电弧发生，损坏电气设备。最小值满足F≥5N亦可。

建议接触压力最大值采用F＜160N，F≤1.6Fm或者F≤Fm+2σ的评判标准。最小值满足F≥5N。

此外，目前铁路的暂行标准与我们采用的DB公司的执行标准，其区别主要在于接触压力平均值的取值上。一个是以速度通过实验得出结论，一个是以实测值进行计算。前面已经说过平均接触压力不单由列车速度所决定。笔者认为， DB公司采用500 米距离内以测量得知接触压力值来计算平均接触压力，可能更满足查找接触压力突变点的要求。500米的距离作为计算平均接触压力的单位，可能是出于避免检测数据过于庞大，而采用的一种途径。

笔者更倾向于以检测设备采样点（通常是时间或检测距离）为基准，以测量点与前后采样点的接触压力值作比较找出突变点。以DB检测设备为例，20ms的时间段为一个采样点。任意接触压力测量点不应超过1.6倍采样邻近点，这就是接触网硬点，即使其接触压力未达到160N，它也是弓网耦合的故障点。在更高的速度下，它可能会对电气设备造成危害。

五．接触网在接触压力方面应该达到的条件：

1.定位点只有很低的平均压力上升。

2.接触线检测轨迹高度变化小。

3.接触力波动很小；且无电弧。

六．目前对接触力的检测或许还需完善的提议：

1. 由于力传感器位于滑条下方，所以不能对作用在受电弓滑条上的空气升力或阻力进行测量。空气动力补偿值基于实验室的模拟推导，在实际的检测中，无法确切得知当时空气动力对检测结果的影响。

2. 关于接触网附近的磁性及电气干扰场的造成的传感器不灵敏度，高压电位（27.5kV）至地电位的信号传输。尽管目前检测车都采用测量信息被转换成光信号，光纤将光信号输送车内检测设备的方式，但没有完全根除铁路苛刻环境的干扰，检测数据偶尔会出现扰的情况。

3.运行中受电弓滑条的震动对加速度和力传感器都会产生不利的影响，目前检测车使用滤波器降低信号干扰。是否可以采用新的工艺为运行中的受电弓头做减震处理。

笔者学识经验有限，提出的理论难免出现不当之处，希望各界专家批评指导。

参考文献：[1]铁道部 《牵引供电施工验收暂行指导》

[2]德国铁路有限公司（DB）《力学测量技术标准》

作者简介：

宋文，中铁电气化局集团电气试验中心，技术负责人，工程师。