CN109783928B - 地铁接触线磨耗分布预测方法及维保方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地铁接触线磨耗分布预测方法及维保方法，用以解决现有技术中无法对地铁接触线磨耗分布进行准确预测的问题。所述接触线磨耗分布预测方法及维保方法，建立接触线磨耗率计算简化模型，根据所述简化模型对接触线磨耗分布进行预测，并在预测的基础上有针对性的制定维保策略。本发明通过磨耗机理分析，从磨耗机制的角度建立接触线磨耗率计算模型，并结合实际弓网电流和行车速度、接触力等对接触线的磨耗分布作出计算分析，直观地反映出不同位置接触线的磨耗程度，并提出了对接触线磨耗的提前预估和差异化维保方法，对减少维修成本和提高刚性接触网接触线的安全性能具有重要的意义。

Description

地铁接触线磨耗分布预测方法及维保方法

技术领域

本发明属于城市轨道交通领域，具体涉及一种地铁接触线磨耗分布预测方法及维保方法。

背景技术

地铁是一种重要的城市轨道交通工具。目前，我国地铁车辆受流取电的方式主要有两种，一种是接触网-受电弓系统，另一种是受流靴-第三轨系统。在弓网系统中，相比于柔性接触网，刚性接触网具有结构简单、可靠性高、易于维修、对隧道净空要求较低等特点，在地铁领域逐渐显现出其优越性并得到了广泛的应用。

随着刚性接触网的大规模应用，其相关运用、维修及更换问题也逐渐显露出来，在电力牵引的地铁线路中，高速运行的受电弓与接触线间存在着极为复杂的机械磨耗和电气作用，且两者相互影响，接触线的磨耗不仅会导致有效载流量的降低，还会增加磨损较严重区段的局部抗拉应力，严重影响接触网的安全运行。在目前大客流、高行车密度以及其它复杂环境下，加速区段、锚段关节、坡道顶点、道岔等关键部位极易产生大电流、侧磨、硬点冲击、打火、拉弧等特殊工况，使得接触线过度磨耗或异常磨耗的现象越来越严重，对接触网以及受电弓的安全稳定运行产生极大的隐患。

现有技术中，针对刚性接触网接触线的磨耗问题，多数地铁运营单位主要以历史检测数据及维修记录为出发点，统计分析磨耗过度或异常磨耗的区域并推测可能导致发生此现象的原因。但是，这种方式虽然准确可靠，但不具有可预测性，无法推测出其他未更换接触线的剩余寿命磨耗演变规律；另外，在实验条件下研究载流磨擦磨损虽然能找到各影响因素与磨耗率之间的关系以及磨耗发展趋势，但与实际运营状况相差较大且不具有直观性。

发明内容

为了提高地铁运行的安全性和稳定性，克服现有技术中无法对地铁接触线磨耗进行准确、长期分布预测的问题，本发明提供了一种地铁接触线磨耗分布预测方法及维保方法，通过磨耗机理分析，从磨耗机制的角度建立接触线磨耗率计算模型，并结合实际弓网电流和行车速度、接触力等对接触线的磨耗分布作出计算分析，直观地反映出不同位置接触线的磨耗程度，并提出了对接触线磨耗的提前预估和差异化维保方法，对减少维修成本和提高刚性接触网接触线的安全性能具有重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种地铁接触线磨耗分布预测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，建立接触线磨耗率计算简化模型；

步骤S2，根据所述简化模型对接触线磨耗分布进行预测。

进一步地，所述步骤S1进一步包括：

步骤S101，获得严重氧化磨耗下的磨耗率计算原始模型；

步骤S102，将弓网间电流等效为压力，与实际接触力共同构成总压力；

步骤S103，将所述总接触力、材料属性系数、压力影响因子、电流影响因子、速度影响因子引入所述计算原始模型中，得到磨耗率计算简化模型；

步骤S104，将磨耗率转换为在接触线某点处通过每万弓架次磨耗的截面积，得到接触线磨耗率计算简化模型。

进一步地，所述接触线磨耗率计算简化模型为

其中，其中，P表示受电弓单块碳滑板与接触线之间的平均接触压力，单位为N；I表示受电弓单块碳滑板与接触线间的电流大小，单位为A；v为弓网相对滑动速度，与行车速度相同，单位为m/s；T表示环境温度，单位为K；接触线磨耗率单位记为mm²/万弓架次。

进一步地，所述步骤S2包括：

步骤S201，设定接触力与环境温度为常态下的定值；

步骤S202，将不同位置下对应的滑动速度、电流、总压力、环境温度代入接触线磨耗率计算的简化模型中，得到接触线不同位置的磨耗率分布。

进一步地，所述磨耗分布预测方法还包括：

步骤S3，根据接触线的磨耗率分布，引入电流曲线，计算出磨耗率-里程曲线，依据通行的弓架次计算磨耗量，并进行累加得到接触线的磨耗量分布曲线，对所述接触线进行长时间的磨耗分布预测。

本发明还提供了一种地铁接触线维保方法，所述维保方法包括如权利要求1至5任一项所述接触线磨耗分布预测方法，还包括：

结合磨耗分布预测图，对接触线的磨耗检测及更换提出有针对性的方案，制定差异化维保策略。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过磨耗机理分析，从磨耗机制的角度建立接触线磨耗率计算模型，并结合实际弓网电流和行车速度、接触力等对接触线的磨耗分布作出计算分析，直观地反映出不同位置接触线的磨耗程度，并提出了对接触线磨耗的提前预估和差异化维保方法，对减少维修成本和提高刚性接触网接触线的安全性能具有重要的意义。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例地铁接触线磨耗分布预测方法流程示意图；

图2为本发明应用实例中接触线磨耗率随接触力的变化曲线；

图3为本发明应用实例中接触线磨耗率随滑动速度的变化曲线；

图4为本发明应用实例中接触线磨耗率随电流的变化曲线；

图5为本发明应用实例中接触线磨耗率随环境温度的变化曲线；

图6为本发明应用实例中接触线随滑动速度和电流变化的曲线图；

图7为本发明应用实例中两站间列车速度和受流电流随里程的变化曲线图；

图8为本发明应用实例中两站间接触线的磨耗率分布图；

图9为本发明应用实例中磨耗率分解图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明针对地铁接触线磨耗问题，提供了一种地铁接触线磨耗分布预测方法及维保方法。地铁刚性接触网接触线的运营，在磨耗程度检测方面，主要为人工检测和机器检测，对检测的周期或下一次检测的时间点难以预估，且由于空中作业，人工检测会带来一定的危险性，因此需要有一个接触线磨耗的参考依据来降低检测频率，作出更有针对性的检测方案；在接触线更换方面，一般在接触线磨耗达到一定深度时进行局部或整锚的更换，这需要对整条线路的磨耗程度作出统计，从而浪费了很多时间经济成本在当前磨耗并未达到换线要求的接触线区段上。本发明通过磨耗机理分析，从磨耗机制的角度建立接触线磨耗率计算模型，并结合实际弓网电流和行车速度、接触力等对接触线的磨耗分布作出计算分析，直观地反映出不同位置接触线的磨耗程度，并提出了对接触线磨耗的提前预估和差异化维保方法，对减少维修成本和提高刚性接触网接触线的安全性能具有重要的意义。

下面通过具体的实施例，结合附图，对本发明的地铁接触线磨耗分布预测方法及维保方法进行详细说明。

第一实施例

本实施例提供了一种地铁接触线磨耗分布预测方法，图1所示为所述接触线磨耗分布预测方法流程示意图。如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，建立接触线磨耗率计算简化模型。

根据磨耗机理分析，在地铁弓网接触的工况下，刚性接触网铜银合金接触线的磨耗以严重氧化磨耗为主，对严重氧化磨耗的磨耗率计算模型进行推导和演化，将电流等效为接触压力，得到考虑以接触力P、弓网间电流大小I、滑动速度v和环境温度T为主要影响因素的接触线磨耗率计算简化模型。

进一步地，本步骤具体包括如下过程：

步骤S101，获得严重氧化磨耗下的磨耗率计算原始模型。

进一步地，所述磨耗率计算原始模型为：

式(1)中，P_eq、v_(l)、T分别为总的接触力、相对滑动速度以及环境温度，f_m为热能量带走的材料体积系数，ρ_w为接触线材料密度(kg/m³)，α_w为热量传递给接触线的热传递系数，μ为材料间的摩擦系数，L_OX为单位质量材料氧化物的熔化潜热(J/kg)，A_n为名义接触面积(m²)，K_OX为材料氧化时的导热系数(W/(m·K))，

为材料氧化后的熔化温度(K)，l_b为宏观接触面的线性等效热扩散距离(m)，N_asp为接触表面微观接触峰的个数，H₀为较软材料的布式硬度(N/mm²)。

且式(1)中各变量间具有式(2)、(3)所示的关系：

式中，

表示无量纲的标准化压力，A_r为实际接触面积(mm²)，r₀为宏观接触面的等效半径(m)，r_a为微观接触峰的等效半径(m)，一般为10^-6m～10^-5m，l_f为微观单个接触峰的线性等效热扩散距离(m)，β为无量纲因子，一般在1-10之间。

步骤S102，将弓网间电流等效为压力，与实际接触力共同构成总压力。

进一步地，所述总压力P_eq：

式中，ρ_el为两接触材料的电阻率之和(Ω·mm)，d为两接触表面的平均间隙距离(mm)。

步骤S103，将所述总接触力、材料属性系数、压力影响因子、电流影响因子、速度影响因子引入所述计算原始模型中，得到磨耗率计算简化模型。

进一步地，本步骤具体为：

将式(2)、(3)、(4)代入(1)中推导并合并系数，令材料属性系数

压力影响因子Q_p＝α_wμ，电流影响因子Q_I＝α_wρ_elH₀d，速度影响因子

得到接触线磨耗率计算简化模型：

式(5)中的磨耗率表示受电弓单块碳滑板与接触线相对滑动一公里，接触线磨耗所损失的体积。

步骤S104，将磨耗率转换为在接触线某点处通过每万弓架次磨耗的截面积，得到接触线磨耗率计算简化模型。

进一步地，本步骤具体为：

针对地铁运营实际情况，假设一个受电弓上有四个碳滑板且受力和取流均匀分布，将磨耗率转换为在接触线某点处通过每万弓架次磨耗的截面积：

w_w＝w×4×10^-6×10⁴(mm²/万弓架次) (6)

式(6)为接触线磨耗率计算的简化模型。

通过实际接触线材料属性的获取与相关摩擦磨损研究经验的结合，将各参数代入式(5)、(6)中，得到参数化表示的接触线磨耗率计算公式：

步骤S2，根据所述简化模型对接触线磨耗分布进行预测。

进一步地，本步骤具体包括如下过程：

步骤S201，设定接触力与环境温度为常态下的定值。

对式(7)进行分析，从单一变量对磨耗率的影响角度考虑，在接触力、速度、电流、环境温度四个影响因素中，每次控制其余三个变量为定值，分析单因素对接触线磨耗率的影响。由于环境温度和接触力的变化对接触线的磨耗率影响远小于速度和电流的影响，因此设定接触力与环境温度为一个常态下的定值。

步骤S202，将不同位置下对应的v(变化值)、I(变化值)、P(定值)、T(定值)代入接触线磨耗率计算的简化模型中，得到接触线不同位置的磨耗率分布。

所述接触线磨耗分布预测方法还可以包括：

步骤S3，根据接触线的磨耗率分布，引入电流曲线，计算出磨耗率-里程曲线，依据通行的弓架次计算磨耗量，并进行累加得到接触线的磨耗量分布曲线，对所述接触线进行长时间的磨耗分布预测。

进一步地，本步骤中所述电流曲线，从磨耗预测的角度，在地铁车辆运行最高速不变的前提下，列车在两站间行驶的速度曲线基本不变，对于弓网间的电流而言，其主要与客流量的大小有关，可将一定时期内的电流曲线分为工作日客流高峰期、工作日客流平峰期以及非工作日三类。由此所计算出的磨耗率-里程曲线对应的也为在类。

所述磨耗量的计算公式为：

式(8)中，n取3，w_i＝1,2,3分别表示在工作日客流高峰期，工作日客流平峰期以及非工作日内接触线上某处的平均磨耗率，f_i＝1,2,3分别表示在工作日客流高峰期，工作日客流平峰期以及非工作日内通过的弓架次，W即为接触线某处在一定时期内总的磨耗量。

下面通过一个具体的应用实例，对本实施例的地铁接触线磨耗分布预测方法进行说明。本应用实例以一段实际运行的间距约为833米的两车站之间的接触线为例进行说明。

首先根据机理分析得到参数化表示的接触线磨耗率计算公式：

对所述磨耗率简化模型即计算公式(7)进行分析，从单一变量对磨耗率的影响角度考虑，在接触力、速度、电流、环境温度四个影响因素中，每次控制其余三个变量为定值，分析单因素对接触线磨耗率的影响，P、I、v、T在取定值时分别为30N、60A、20m/s、293K，此时接触力和电流均为相对于单块碳滑板的，由正常状态下的弓网间总接触力和总电流大小除以受电弓上碳滑板的个数得到。图2所示为接触线磨耗率随接触力的变化曲线；图3所示为接触线磨耗率随滑动速度的变化曲线；图4所示为接触线磨耗率随电流的变化曲线；图5所示为接触线磨耗率随环境温度的变化曲线。如图2至5所示，环境温度和接触力的变化对接触线的磨耗率影响远小于速度和电流的影响，因此设定接触力与环境温度为一个常态下的定值。图6所示为接触线随滑动速度和电流变化的曲线图。

在此区间内车辆的速度曲线和电流曲线均已知，可从实际检测中获得，取接触力为一个固定的平均值，环境温度为定值，将不同位置下对应的v(变化值)、I(变化值)、P(定值)、T(定值)代入磨耗率简化模型中。

对应于本应用实例的行驶区间的速度及单块碳滑板上的电流随里程变化的曲线如图7所示，通过所述磨耗率计算简化模型，取单块碳滑板与接触线的接触力为30N(受电弓有四块碳滑板，按照平均接触力为120N计算，则每块碳滑板为30N)，环境温度为20℃(293K)，将不同里程点对应的速度v及电流I的值代入模型中，则得到不同里程点处的接触线磨耗率值，相应地，得到了磨耗率分布图，如图8所示。

对于接触线磨耗率计算公式(7)，可将其分解为接触力贡献值和电流贡献值，得到两站区间内不同位置接触力和电流对接触线磨耗率的贡献程度：

上式中，w＝w_P+w_I，以833米的两站区间为例，分别计算w_P和w_I，结果如图9所示。

由以上技术方案可以看出，本实施例地铁接触线磨耗分布预测方法，建立了简化的刚性接触网接触线磨耗率计算简化模型，基于此模型得到了接触线磨耗分布预测的计算方法，该磨耗分布结果为地铁接触线的更换及维修提供了指导，对磨耗过度的区域能提前预测，从而保障接触线的安全运营，极大地提升了经济效益和社会效益。由于对接触线磨耗分布的可视化和可预估性，因此降低了检测的频率，从而减少了人工检测或机器检测的成本，同时也降低了因人工作业而导致安全事故的风险，在地铁刚性接触网接触线的高效安全运营方面具有较大的应用前景。

第二实施例

本实施例提供了一种地铁接解线维保方法，所述维保方法以第一实施例的接触线磨耗分布预测方法为基础，在上述对接触线磨耗分布进行预测的基础上，所述维保方法还包括：

结合磨耗分布预测图，对接触线的磨耗检测及更换提出有针对性的方案，制定差异化维保策略。

仍然以第一实施例中的实际运行间距约为833米的两车站之间的接触线为例，结合磨耗率分布图，可知在加速段总体平均磨耗率大小为加速区﹥减速区(制动反馈电流)﹥匀速区，在833米长的接触线上，约有600米长处于较低磨耗率，加速段和减速段的磨耗率较高，其中，在约310米长的加速区段，前100米磨耗率相对于后200米更严重(约3倍)，由此可在制定接触线维保策略时，重点检查和维护加速段的接触线，尤其在前一百米左右应加大维保和检测的频率，其次为减速区段，最后为匀速区。结合站区间的运行弓架次和接触线的横截面积，可大致估算出接触线的使用寿命，从而对磨耗较为严重的区域提前做好换线准备。

由磨耗率分布的分解图分析可知，在加速到约63km/h(225米处)时，接触力贡献值开始大于电流贡献值，并持续到最高运行速度(75km/h)直至减速到约68km/h(560米处)，接触力贡献值略大于电流贡献值，在其他阶段，电流贡献值远大于接触力贡献值。由此可在维保策略上作出适当的调整，例如加速段适当增加接触力，从而使得接触电阻减小，减少电流产生的焦耳热，同时也会增大受流面，减少打火拉弧的产生；在匀速段采用摩擦系数较低的接触线，以降低机械磨耗。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种地铁接触线磨耗分布预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，建立接触线磨耗率计算简化模型；

步骤S2，根据所述简化模型对接触线磨耗分布进行预测；所述步骤S1进一步包括：

步骤S101，获得严重氧化磨耗下的磨耗率计算原始模型；

步骤S102，将弓网间电流等效为压力，与实际接触力共同构成总压力；

步骤S103，将总接触力、材料属性系数、压力影响因子、电流影响因子、速度影响因子引入所述计算原始模型中，得到磨耗率计算简化模型；

步骤S104，将磨耗率转换为在接触线某点处通过每万弓架次磨耗的截面积，得到接触线磨耗率计算简化模型；

所述接触线磨耗率计算简化模型为：

其中，P表示受电弓单块碳滑板与接触线之间的平均接触压力，单位为N；I表示受电弓单块碳滑板与接触线间的电流大小，单位为A；v为弓网相对滑动速度，与行车速度相同，单位为m/s；T表示环境温度，单位为K；接触线磨耗率单位记为mm²/万弓架次。

2.根据权利要求1所述的接触线磨耗分布预测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S201，设定接触力与环境温度为常态下的定值；

步骤S202，将不同位置下对应的滑动速度、电流、总压力、环境温度代入接触线磨耗率计算的简化模型中，得到接触线不同位置的磨耗率分布。

3.根据权利要求1至2任一项所述的接触线磨耗分布预测方法，其特征在于，所述磨耗分布预测方法还包括：

步骤S3，根据接触线的磨耗率分布，引入电流曲线，计算出磨耗率-里程曲线，依据通行的弓架次计算磨耗量，并进行累加得到接触线的磨耗量分布曲线，对所述接触线进行长时间的磨耗分布预测。

4.一种地铁接触线维保方法，其特征在于，所述维保方法包括如权利要求1至3任一项所述接触线磨耗分布预测方法，还包括：

结合磨耗分布预测图，对接触线的磨耗检测及更换提出有针对性的方案，制定差异化维保策略。

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