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接触压力检测分析

作者：宋文日期：2014-03-05 13:20 来源：未知

中铁电气化局集团电气试验中心接触网检测室100062
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20~30m/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
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10m/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Fm1.6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：F<5,或F>160N 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
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被干扰的情况。
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。