接觸網張力影響因素分析與監測裝置設計研究

白明慧

0 引言

蘭新線地處河西走廊西段及天山山脈，自然環境惡劣，線路多處地段屬于半沙漠和沙漠地區，多處線路處于風口，其中蘭新線途經百里分區、安西風區、達板城風區等多處鐵路也經常面臨大風的威脅，大風經常會引起接觸網震蕩，造成弓網故障。

氣流形成的強風對接觸網的作用首先表現在對接觸網張力的影響上。為保證良好的電力機車取流質量和正常運行，需要接觸網有足夠的張力。張力補償裝置根據接觸網的動態情況，實時自動補償和調節接觸網的張力，是控制接觸網的張力保持在一定范圍的重要器件。張力補償裝置的狀態變化在一定程度上反映了接觸網的狀態和安全情況。接觸網的日常維護可通過檢測張力補償裝置的狀態變化來判斷接觸網的狀態，為及時排除接觸網故障隱患提供重要的依據。因此，對接觸網張力的分析和監測，對掌握接觸網的狀態，及時發現強風對接觸網的影響以及運行中出現的問題，保證接觸網運行的安全性有重要的意義。

1 接觸網張力影響因素分析

為保證電力機車的受電弓在運行中取流平穩，要求接觸線的導高、拉出值等參數滿足一定范圍。 因此，正常狀態下的接觸網具有足夠的張力才能保持接觸網的穩定性和為電力機車提供良好的受流條件。

1.1 風速對接觸網的影響

接觸網架設在鐵路上方，通常距離軌平面6 m左右。地表面的空氣流形成風，根據《鐵路電力牽引供電設計規范》規定，基本風速與風壓的關系為

式中，W0為基本風壓，kN/m2；v 為風偏設計風速，m/s。

式中，Wx為線索單位風載荷標準值，kN/m；d 為線索直徑或高度，m；us為線索風載負荷體型系數，取值1.2；uz為風壓高度變化系數，取值1。

據此接觸網線索受風風力與線索單位風載荷的關系為

式中，l 為線索長度，m；F風為線索單位風載荷標準值，N。

按照上述計算公式，可以計算得到風速對接觸網線索張力的影響，其對應的變化曲線如圖1所示。

圖1 風速對接觸網張力的影響曲線圖

由圖1可以看到：隨著風速的增大，線索張力增大，但并不是線性關系。由于有吊弦的拉力作用，承力索的張力變化比接觸線的大。當風速超過 40 m/s 時，接觸線張力變化值會超過大約1 500 N，承力索張力變化值會接近2 000 N，接觸網的平均張力變化可接近或超過接觸網運行安全控制的10%變化范圍。特別需要指出的是：如果風速的頻率和接觸網結構的自振頻率相近時，接觸網會發生共振現象，接觸線和承力索都會大幅度的舞動，使接觸網張力變化范圍急劇增加，影響接觸網的正常運行，嚴重時導致斷線、倒桿，中斷鐵路運輸。

1.2 覆冰對接觸網的影響

西北地區氣候變化大，在氣溫較低或大霧天氣及下凍雨之后，會在接觸網線索與懸掛設備上形成覆冰。覆冰不僅影響接觸線導高等靜態參數，還將影響接觸線的動態力學參數，改變接觸網力學性能，從而導致接觸網的波動性能發生變化，受電弓與接觸網的耦合關系惡化，受電弓的滑動不平穩，受電弓離線，產生電弧，燒損接觸線。另外，受電弓的滑動受到阻力，會發生打弓現象，影響弓網的機械壽命和電氣壽命。

導線表面覆冰的模型如圖2所示，導線半徑為r，覆冰厚度為d，導線的作用力可以等效作用于質心，與重力重合，方向垂直向下。

圖2 線索覆冰模型示意圖

根據相關物理推導，可以得到覆冰重力的計算式為

綜上，本研究結果顯示，老年患者雖在糖尿病、心臟病、呼吸系統疾病、高血壓病等一般狀態顯著劣于年輕組，但ERAS方案依從率、吻合口瘺率、再手術率、再住院率、術后30 d內死亡率差異均無統計學意義，表明ERAS方案對老年患者具有可行性且安全性可接受，無需調整。

式中，Q 為線索覆冰的重力，N；v 為覆冰的體積，m3；ρ冰為冰的體密度，取值900 kg/m3；g 為重力加速度，取值9.8 m/m2。

按照以上計算方法，可以得到不同覆冰厚度對線索張力的影響，其變化情況如圖3所示。

圖3 導線表面覆冰厚度對導線張力的影響曲線圖

由圖3可以看出：導線表面的覆冰厚度增大，會導致作用其上的張力隨之增大，且隨著覆冰厚度的增大而迅速增大。如果覆冰厚度超過20 mm，接觸線的張力變化值就會超過1 000 N，承力索的張力變化值也會超過2 000 N，接觸網的平均張力變化也會接近或超過接觸網運行安全控制的10%變化范圍。

1.3 風與冰共同對接觸網的影響

由于接觸網的特殊工作環境，風、覆冰2 種影響因素有可能會同時存在，共同作用于接觸網。將2 種情況的影響進行疊加，可得到在覆冰厚度為 10 mm 時，不同風速對線索張力的影響，如圖4所示。利用同樣的方法也可以得到在同一風速條件下不同覆冰厚度對線索張力的影響情況。

圖4 風速和覆冰共同對接觸網張力的影響曲線圖

由圖4可以看出：接觸網同時受到風和覆冰作用時，承力索的張力變化值要比接觸線的變化大，例如，當風速為40 m/s 時，接觸線的張力變化值約增大2 600 N，承力索的張力變化值增大接近4 000 N，兩者的張力變化都超過了接觸網運行安全控制的10%變化范圍。與風力單獨作用的情況（圖2）或者覆冰單獨作用的情況（圖3）進行比較，還可以發現：風力和覆冰共同對接觸網的影響，明顯比風力單獨作用或覆冰單獨作用的影響大。

2 接觸網張力監測裝置設計

為了實時掌握風力造成接觸網的張力變化，設計了一種新型的接觸網張力監控裝置。

2.1 接觸網張力監測原理

本文所設計的接觸網張力監測裝置，是以廣泛應用的滑輪加墜砣形式的張力補償器為對象。接觸網滑輪結構如圖5所示，當接觸網處于穩定平衡狀態時，補償結構中的墜砣相對靜止，如果某種因素導致接觸網的張力發生變化時，墜砣的位置就會發生變化。通過安裝在立柱上的位置傳感器采集墜砣位移變化信息，監控器對數據處理和分析，就可以給出墜砣位置的變化特性，如果接觸網張力的變化較大，超過接觸網運行安全控制的范圍時，必然也會導致墜砣位移發生很大變化，根據監控器內置的專家系統判定，并給出報警，提醒有關部門和人員進行接觸網檢修，將接觸網故障及時消除，從而保證接觸網狀態良好，確保行車安全。

圖5 接觸網張力監測裝置示意圖

接觸網張力監測裝置的結構框圖如圖6所示，串口通信接口RS-485 將數據處理單元獲得的張力狀態有效信息送入已經成功開發的“GSM 大風監測系統”，利用GSM 無線公共網絡，現場接觸網的狀態信息就可實現遠程無線傳輸，調度通過系統的上報信息顯示，及時了解和掌握接觸網張力狀態。

圖6 接觸網張力監測模塊框圖

2.2 信號采集單元

接觸網張力監測的信號采集，主要由位移傳感器對墜砣的位置監控來獲取。采用器件為ZLDS10X 激光位移傳感器，其具有數字化集成一體化結構，0.01%高分辨率，0.1%高線性度，9.4 kHz高響應、IP67 高防護等級和可同步等高性能，工作溫度范圍寬，量程最小2 mm，最大1 250 mm；支持多個傳感器同步采集；針對串口，提供了運行應用的DLL 開發庫，方便用戶開發應用軟件；非接觸位移精密測量。

為滿足傳感器與數據采集及處理的信號協調性，需要對采集到的信號進行調理，設計的信號調理電路如圖7所示。

圖7 信號調理電路圖

監測的信號在進行數模轉換前，需要對模擬信號進行濾波處理，常用的濾波器有RC 濾波器、高通濾波器、低通濾波器等，考慮墜砣的變化速度不快，該裝置設計了一個四階的低通濾波器，電路如圖8所示。

圖8 低通信號濾波電路圖

2.3 數據處理單元

接觸網張力監測裝置的核心是數據處理。信號經過調理濾波后，進入AD 轉換單元進行模數轉換，數據處理單元對模數轉換的結果進行計算分析處理，ARM 管理模塊接收來自DSP 處理單元的數據，并進行分類顯示、存儲、上傳等處理。設計中的微處理器采用的是目前安全監控領域廣泛使用的高性能處理器TMS320F28335，它具有精度高、速度快和集成度高的特點。TMS320F28335 是一款32 位浮點DSP 芯片，可以在一個周期內完成32×32 位或2 個16×16 位的乘法累加運算，實現高精度的數據處理任務。

2.4 實驗

按照上述方法設計的接觸網張力監控裝置，已經在實驗室里完成了模擬實驗。實驗顯示：對墜砣位移分辨的監控精度達到了0.1 mm；與激光測試儀對墜砣位移進行檢測的檢測結果進行比較，張力監控裝置的監測結果相對誤差小于千分之一，能夠滿足現場應用需要。

3 結論

本文通過分析風力、覆冰及其風力覆冰共同作用對接觸網的影響，可以得到：當風速超過40 m/s時，或者覆冰厚度超過20 mm 時，接觸網的平均張力變化可超過接觸網運行安全控制的10%變化范圍；當風力和覆冰共同作用接觸網時，其產生的影響明顯比風力單獨作用或覆冰單獨作用時大。

對接觸網張力的變化，可以通過檢測墜砣的位移進行監控。模擬實驗顯示：張力監控裝置對墜砣位移分辨的監控精度達到0.1 mm，監測結果相對誤差小于千分之一。接觸網的張力監測，可以對接觸網狀態進行報警，提示有關部門和人員對接觸網及時進行檢修，將接觸網隱患消除，保證行車安全。

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