CN104534989A - 高铁接触网线索空间几何状态参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高铁接触网线索空间几何状态参数检测方法，属于电气化鉄道接触网故障检测领域。本发明的目的是提出高铁接触网线索空间几何状态参数综合评估方法。本发明使用激光测距仪来测量接触网线索及重点设备机械几何参数数值；分别从温度变化导致线索变化量，接触线偏移随风速变化情况，不同时速列车通过时接触线摩擦偏移，掌握各种外界条件下接触网几何参数变化规律；建立电化学极化控制条件下空气中接触网腐蚀速率的理论模型，对其耐久性进行研究，形成综合评估系统。本发明可以依据接触网线索空间几何参数变化趋势指导维修工区作业，提高接触网维护工作效率。

Description

高铁接触网线索空间几何状态参数检测方法

技术领域

本专利属于电气化鉄道接触网故障检测领域，涉及接触网线索的参数状态变化规律研究，特别涉及在不同外界条件下接触网线索间导致发生碰撞、磨损的空间几何参数变化规律的检测与评估。

背景技术

高速铁路接触网线索空间几何参数规范是保证接触网运营性能良好的基石，根据对于上海特定高速铁路段的管理追踪经验，发现外界气温、风速变化，车速不断提升以及投运时间等因素引起的接触网线索空间几何关系变化十分明显。当机械变化达到一定程度时,将会影响电气性能，轻则引发跳闸，重则引起设备大面积损坏。近年来,由于接触网线索故障而引起的铁路运输中断事故时有发生。因此，对影响接触网空间几何参数变化的因素及规律进行探究,及时发现线索空间几何间距不足、线索老化等隐患,对保证接触网安全运行极为重要。

长期以来，高速铁路接触网限速的维护检修大量依赖重复频率较高的人工检测，如使用激光测距仪对接触网线索空间几何参数进行较短间隔的定期测量，强制性定期更换接触网线索。这种维护方法工作量和劳动强度都很大，盲目性强。

目前，相关研究主要集中于弓网耦合模型的建立与分析，对接触线的抬升及磨损进行研究，尚未有对接触网线索空间几何间距变化影响因素及规律的系统研究。本评估系统从温偏、风偏、振偏和电化学腐蚀4个方面综合考虑线索几何参数变化规律，据此对其变化趋势进行预测，从而预防和避免线索或线管间距过小引起的磨损，避免接触网跳闸事故的发生。

发明内容

结合上述的背景技术介绍，利用检测得到的线索空间几何参数分析其变化规律并预测其趋势，可有选择性的进行目标性较强的检测，降低检测频率，且避免接触网中时常出现的因几何间距不足、线索老化而导致的线索或线管相磨现象，具有重要的经济价值和社会意义。

本发明的目的是提出高速铁路接触网线索空间几何参数的测试方法，以及在各种外界条件下其变化规律的综合评估系统。本发明针对接触网线索研究目标点，综合其在各因素作用下的影响变化规律，希望得到线索、线管间距综合变化。

本发明的原理和技术方案是：通过定点测量得到线索几何参数，分别从温偏、风偏、振偏及腐蚀4个方面对线索间距变化趋势和规律进行评估，有效确定检测周期，并给出检修意见。

本发明的具体内容为：

（1）检测现场选点：在平路、桥梁、隧道等各类型路段均选取测量点，以使用激光测距等精密仪器的方式，来测量接触网线索及重点设备机械几何参数数值，如：非支接触线与工支定位管、工支承力索与非支斜腕臂空间几何间距等；

（2）接触网线索基本信息获取：采用激光测距的方法，获取线索与定位管、承力索与腕臂间距参数，线索种类、自身及环境温度、风速参数，因线索种类不同自身参数也不相同；

（3）温偏：依据接触线膨胀系数，得到温度变化与接触线伸缩量之间的关系，积累和分析一年四季温差变化导致腕臂位移的变化情况，建立腕臂偏移与接触线偏移的空间几何关系。依据此空间几何关系，最终得到温差与接触线偏移量的关系，如式（1）所示：

    （1）

其中：为接触线偏移量(mm)，为旋转腕臂的回转半径(mm)，X为调整距离(m)，为线索伸缩系数，为温度变化范围()，为张力(KN)，弹性系数E (kg/ )，为接触线初时截面积()，为线索磨损率；

（4） 风偏：针对简单悬挂类型下任一点在风速作用下的受力分析，得到线索弛度引起的纯风偏；结合直线区段和曲线区段接触线任一点与受电弓中心的位置关系，可以得到风速与接触线任一点处线索总偏移量的关系；在简单悬挂的理论基础上，结合链型悬挂的当量系数和支柱挠度，依据现场实测参数，进行系数校正，建立风速与线索(接触线和承力索)偏移量之间的关系,为预测线索间距变化趋势，建立风速与线索最大偏移量之间的关系。

直线段风速与线索最大偏移量之间的关系如式（2）所示：

     （2）

其中，为风速不均匀系数，为体型系数，为接触线直径(m)，为风速(m/s)，为当量系数，为跨距（m）；为接触线张力（kN）；为第根支柱的之字值（mm）；为第根支柱的之字值（mm）；为支柱扰度（mm）。

 曲线段风速与线索最大偏移量之间的关系如式（3）所示：

     (3)

其中，为风速不均匀系数，为体型系数，为接触线直径(m)，为风速(m/s)，为当量系数，为接触线张力（kN）；为曲线段半径（m）；为跨距（m）；为接触线拉出值（mm）；为支柱扰度（mm）。

（5）振偏：对受电弓和接触网的动力学模型进行建模，依据弓网耦合模型，求解得到不同时速下的弓网接触压力；列车在侧滚振动时，受电弓会产生横向偏移，依据受电弓与接触线之间的受力关系，得到不同时速对应的单位摩擦负载，借助于纯风偏的求解思路，得到摩擦力作用下不同列车时速对应的接触线水平偏移量。为预测线索间距变化趋势，建立列车时速与接触线最大水平偏移量之间的关系，如式（4）所示：

               （4）

其中，为弓网摩擦系数，为弓网接触压力(N)，为环境系数，为吊弦间距(m)，为跨距（m），为接触线张力（kN）。

 （6）电化学腐蚀：推导阴阳极电化学极化方程（包括相应平衡电位）为依据，建立电化学极化控制条件下空气中接触网腐蚀速率的理论模型。基于不同环境下减小误差的目的，添加环境因素系数加以修正。最终得到产物离子浓度、温度及线索（接触线、承力索）应力与腐蚀速度的关系，电化学腐蚀模型如式（5）所示：

    （5）

其中，为环境系数，为金属价位， 为材料密度(kg/m)，为材料摩尔质量(mol/L)，T为绝对温度（K），为常系数，为产物离子浓度(mol/L)，σ为线索应力(MPa)。

（7）针对不同的原因产生的间距不足情况，给出具体的检修意见，如：针对接触线、承力索等与腕臂、定位器等线管之间的间距不足的情况，可以加装绝缘型金属预绞丝护线条进行保护；针对斜拉线与弹性吊索，接触线与接触线，承力索与承力索，吊弦与承力索线等线线间距不足的情况，可能会造成放电现象，可以加装等位连接线进行防护。

本发明综合分析关节线索空间几何参数在各因素作用下的变化量，实现对不同外界条件下接触网线索偏移、腐蚀情况的计算，可用于指导维修工区作业。本发明将复杂、受多因素影响的线索几何参数研究问题，凝练为温度、风速、侧滚振动及腐蚀共4个因素对接触网线索几何参数的影响，对线索变化规律进行定量分析，建立了综合评估体系，可运用到各条已开通运行的高速铁路，指导运营维修。通过本发明公开的检测方式，结合实际运用中的接触网养修办法，避免不必要的维修成本开支，从而达到节约人力、物力，提高工作效率的目的。

附图说明

附图1为本发明的步骤图；

附图2为腕臂与接触线的空间几何关系示意图；

附图3为接触线水平摩擦偏移示意图；

附图4为接触线偏移随温度及磨损率变化；

附图5风速与直线区段接触线最大偏移量间的关系；

附图6为不同列车时速下弓网接触压力；

附图7为典型列车时速与接触线最大偏移量的对应关系；

附图8线索腐蚀速度曲线图。

具体实施方法

下面请结合附图说明，本发明将进一步进行阐述。

本发明实施所需设备为一个高精度激光测距仪，应用本发明的步骤如附图1所示，具体解释为：

    1）使用激光测距仪来测量接触网线索及重点设备机械几何参数数值，以上海安亭高铁某段线索中非支接触线与工支定位管间距为例。

2) 测得非支接触线与工支定位管现有间距，线索基础参数（张力T=28.5KN、横截面积S=150、接触网跨距=50m 、量当系数m=0.9 ，吊弦间距=10m，之字值b=±300mm 等），不同时段的环境参数（温度差、风速=10m/s-20m/s）。

3)针对温偏分析，如附图2所示的腕臂偏移与接触线偏移的空间几何关系，再依据接触线偏移参照接触线基础参数，取下锚处转换柱某处：D=2200mm，距中心锚结X=650m，，温度变化，，，接触线偏移量 mm。推测不同温度变化和线索磨损率下的接触线温偏变化趋势，见附图4。

4)针对风偏分析，由于检测点位于直线段风偏，依据最大风偏计算公式，其中，。参照检测点，即上文所述的某处对应的线索及环境参数，，线索直径d=13.8*10^-3m，，当量系数m=0.9，跨距=50m，张力T=28.5KN；之字值，；支柱扰度=20mm。考虑风速对线管间距的最大影响，最大风偏值。选取不同时段的风速，得到不同风速下对应的最大风偏变化趋势图，见附图5。

5)针对振偏分析，依据附图3中受电弓与接触线之间的受力关系选取不同时段的列车时速，依据弓网耦合模型，得到不同列车时速下的弓网接触压力变化规律，见附图6；结合最大振偏计算，其中，参照检测点，即上文所述的某处对应的线索及环境参数，μ=0.3，跨距L=50m，张力=28.5KN，吊弦间距=10m，。结合压力变化规律，列车时速时，最大接触压力，最大单位摩擦负载为4.32N，对应的接触线最大摩擦偏移。选取不同时段的典型列车时速，得到不同列车时速下的接触线最大偏移，见附图7。

6)针对腐蚀分析，结合一年每个月份的温度值，环境修正系数，利用腐蚀模型分析，得到每月腐蚀速度趋势。不同数据采用控制变量法绘制出对应的腐蚀速度曲线。针对上文所述的某处，当环境系数，金属价位n=2，，材料摩尔质量A=64mol/L，=0.05，T=298K，σ=190MPa，，产物离子浓度视为变量，可得出产物离子浓度/腐蚀速度关系，=0.01mol/L时，腐蚀速度。类似的可绘出温度/腐蚀速度（产物离子浓度为=0.01mol/L），线索应力/腐蚀速度的关系图（产物离子浓度为=0.01mol/L），见附图8，其中附图8中的（a）、(b)、(c)图显示了主要变量对线索腐蚀速度的影响，对腐蚀情况的一方面体现。

7)综合考虑温度、风速及列车振动的影响因素后，可知检测点处测量时刻的温偏，最大风偏值。统计分析一年内此高铁段主要运行的列车时速为200km/h和250km/h，最大振偏量取二者偏移量均值。结合检测点现场空间位置，可知接触线的最大偏移量为55mm，参照技术标准，“非工作支接触线和工作支接触线定位器、管之间的间隙不小于50mm”。因此，在上述影响因素作用下，必定会造成该非支接触线与工支定位管的线管间距不足,需要提前加装绝缘型金属预绞丝护线条。

Claims (2)

1.一种高铁接触网线索空间几何状态参数检测方法，其特征在于: 本检测方式根据一年四季温差特性，分析接触网线索伸缩导致的间距变化，从温偏、风偏、振偏和电化学腐蚀四个角度对高铁接触网线索空间几何状态参数进行检测，对其耐久性进行研究，最终形成检测结论，为接触网设备维护提供技术支持，具体检测方法为：

第一，检测现场选点：在平路、桥梁、隧道等各类型路段均选取测量点，以使用激光测距等精密仪器的方式，来测量接触网线索及重点设备机械几何参数数值；

第二，接触网线索基本信息获取：采用激光测距的方法，获取线索与定位管、承力索与腕臂间距参数；

第三，温偏检测：依据接触线膨胀系数，得到温度变化与接触线伸缩量之间的关系，积累和分析一年四季温差变化导致腕臂位移的变化情况，建立腕臂偏移与接触线偏移的空间几何关系，最终得到温差与接触线偏移量的关系，如下公式所示：

其中：为接触线偏移量(mm)，为旋转腕臂的回转半径(mm)，X为调整距离(m)，为线索伸缩系数，为温度变化范围()，为张力(KN)，弹性系数E (kg/ )，为接触线初时截面积()，为线索磨损率；

第四，风偏检测：针对简单悬挂类型下任一点在风速作用下的受力分析，得到线索弛度引起的纯风偏；结合直线区段和曲线区段接触线任一点与受电弓中心的位置关系，可以得到风速与接触线任一点处线索总偏移量的关系；在简单悬挂的理论基础上，结合链型悬挂的当量系数和支柱挠度，依据现场实测参数，进行系数校正，建立风速与线索偏移量之间的关系,为预测线索间距变化趋势，建立风速与线索最大偏移量之间的关系，其中：

直线段风速与线索最大偏移量之间的关系如下式所示：

其中，为风速不均匀系数，为体型系数，为接触线直径(m)，为风速(m/s)，为当量系数，为跨距（m）；为接触线张力（kN）；为第根支柱的之字值（mm）；为第根支柱的之字值（mm）；为支柱扰度（mm）；

另有，曲线段风速与线索最大偏移量之间的关系如下公式所示：

其中，为风速不均匀系数，为体型系数，为接触线直径(m)，为风速(m/s)，为当量系数，为接触线张力（kN）；为曲线段半径（m）；为跨距（m）；为接触线拉出值（mm）；为支柱扰度（mm）；

第五，振偏检测：对受电弓和接触网的动力学模型进行建模，依据弓网耦合模型，求解得到不同时速下的弓网接触压力；列车在侧滚振动时，受电弓会产生横向偏移，依据受电弓与接触线之间的受力关系，得到不同时速对应的单位摩擦负载，借助于纯风偏的求解思路，得到摩擦力作用下不同列车时速对应的接触线水平偏移量；为预测线索间距变化趋势，建立列车时速与接触线最大水平偏移量之间的关系，如下公式所示：

 其中，为弓网摩擦系数，为弓网接触压力(N)，为环境系数，为吊弦间距(m)，为跨距（m），为接触线张力（kN）；

第六，电化学腐蚀检测：推导阴阳极电化学极化方程为依据，建立电化学极化控制条件下空气中接触网腐蚀速率的理论模型；基于不同环境下减小误差的目的，添加环境因素系数加以修正；最终得到产物离子浓度、温度及线索应力与腐蚀速度的关系，电化学腐蚀模型如下公式所示：

其中，为环境系数，为金属价位， 为材料密度(kg/m)，为材料摩尔质量(mol/L)，T为绝对温度（K），为常系数，为产物离子浓度(mol/L)，σ为线索应力(MPa)。

2.如权利要求1所述的一种高铁接触网线索空间几何状态参数检测方法，其特征在于: 上述检测步骤的第三、第四、第五、第六无先后顺序。