地铁刚性接触网滑板磨损优化的试验研究

地铁刚性接触网滑板磨损优化的试验研究

王博文

西安市轨道交通集团有限公司运营分公司   陕西省西安市  710000

摘要：在城轨交通供电系统中，接触网发挥着重要作用，其运行状态良好是保障地铁列车安全运行的重要支撑。城轨交通接触网分为柔性接触网和刚性接触网，刚性接触网具有隧道截面积小、维护量少等优点，被广泛采用。刚性接触网主要由汇流排、接触线、绝缘元件和悬挂装置组成。随着运营时间的增长，受电弓上电滑板的粉尘、隧道施工作业等都会导致汇流排上绝缘子的脏污与破损。而大多数刚性悬挂连接点都采用螺纹连接。刚性悬挂没有抬升量，受到受电弓的接触压力和冲击力无法缓解，整个悬挂处于振动状态，影响行车安全。

关键词：地铁；刚性接触网；滑板磨损

引言

随着社会的发展和技术的进步，铁路交通在现代化城市化进程中扮演着至关重要的角色。而铁路接触网作为电气化铁路系统的供电装置，负责向列车提供稳定可靠的电力，对于铁路运输的安全性和可靠性具有决定性的影响。因此要想行车安全有所保障，就必须保证刚性接触网的功能可靠。

1.理论分析

在不同空气湿度条件下，不同浓度的水蒸气会吸附在摩擦接触表面，不但影响摩擦界面的传热条件和接触界面的表面膜，而且与空气中的氧气共同作用使摩擦副材料发生氧化等化学反应，生成不同的化学产物，影响弓网之间接触电阻、造成燃弧放电等情况，降低弓网运行性能。空气湿度对浸金属碳滑板磨耗的影响机理主要可总结为以下3点：

（1）浸金属碳是以碳材料为基体、铜等金属为增强相的固体自润滑复合材料，其发挥自润滑作用的基础是在滑板与接触线之间形成一层连续完整的石墨润滑膜，且润滑膜层间具有较低的抗剪切强度。石墨是一种单质层状固体润滑剂，但其优异的摩擦学性能依赖于对水分子的吸附。空气湿度的变化会直接影响浸金属碳滑板的自润滑能力[1]。

（2）接触电阻与载流摩擦时接触点产生的焦耳热密切相关，会直接影响滑板温升，对滑板磨损量造成影响。接触电阻的大小由膜电阻和收缩电阻组成。膜电阻是电流流经接触元件接触表面上的粘着薄膜、表面晦暗膜及界面润滑膜等其他薄膜时的附加电阻。空气湿度变化会直接影响接触表面吸附的水膜状态，影响导电斑点数目与膜层厚度。

2.铁路接触网吊弦智能监测技术现状

2.1传感器技术

吊弦监测中广泛采用传感器技术，包括应力传感器、振动传感器和位移传感器等。应力传感器可以测量吊弦的受力情况，通过监测吊弦的应力变化，判断吊弦是否存在过大的应力，从而预测吊弦的健康状况。振动传感器可以检测吊弦的振动频率和振幅，通过对振动信号的分析，可以判断吊弦是否存在异常振动情况。位移传感器可以测量吊弦的变形和位移，通过监测吊弦的变形情况，可以判断吊弦是否存在过大的变形。

2.2图像识别技术

图像识别技术在吊弦监测中得到广泛应用。通过安装摄像头对吊弦进行拍摄，然后利用图像处理算法对图像进行分析和识别，实现对吊弦状态的监测和识别。研究者通过图像处理方法，如边缘检测、形状识别和纹理分析等，可以提取吊弦的形状、位置和变形等信息，判断吊弦是否处于正常状态。通过无人机技术对高空吊弦进行拍摄，获取吊弦区域的图像，再结合图像识别技术、利用图像处理算法对所获取到的图像进行处理分析，从而确定吊弦的工作状态[2]。

3.不同形貌接触线下滑板磨损形貌分析

滑板的表面呈现不同的状况，包括裂纹、烧蚀坑和熔融物等。图中白色区域导电性差，为电子堆积所形成。常规形貌接触线作用下滑板有较多的熔融物和少许的剥落块，没有大裂纹和凹坑产生。这说明在运行过程中，滑板主要发生了氧化磨损，并且伴随着轻微的磨粒磨损。麻点接触线下滑板表面出现了裂纹和烧蚀坑，表面出现了很多磨屑，在烧蚀坑和裂纹附近伴随有剥落层的出现。说明滑板受到了严重的电弧侵蚀，使得滑板的材料软化并从表面剥离出来，且遭受了比较严重的磨粒磨损。斜切接触线作用下滑板形貌最为恶劣，其表面出现了巨大的裂纹和犁沟，在烧蚀区出现了很多白色点状的熔融物。这是因为斜切接触线作用下的摩擦副在持续不断地放电，电弧产生的持续高温使滑板表面材料与空气发生反应形成大量氧化物。综上所述，在相同试验工况下，斜切接触线由于与滑板接触面积的减小和离线的存在是种不同形貌接触线中与滑板匹配性能最差的，其对应的滑板磨损也最为严重。

4.接触网悬挂状态智能检测算法

4.1缺陷库　

深度学习算法模型的学习能力是从缺陷样本库（简称缺陷库）中习得，即缺陷库教会算法模型识别各种缺陷。在此，将地铁现场通过相机拍摄收集到的图像数据，作为真实的数据使用。由于缺陷库会直接影响到算法模型的识别精度，在样本挑选清理过程中，会去掉过曝、过暗、模糊的数据，只留清晰的数据图片。为了增大缺陷库的多样性和模型的泛化性，用多尺度的方法训练模型学习缺陷的特征，并伴随小角度的旋转、色彩的抖动等。为了进一步提高算法的泛化性，会定期到现场搜集新的数据来扩充缺陷库。

4.2算法优化

在工业缺陷检测中，实时、准确是缺陷检测最为重要的指标。YOLO算法由于速度快、易部署等优点，成为工业缺陷检测中最常用的实时目标检测算法。但其检测的准确度没有R-CNN系列准确度高，考虑到接触网检测对速度、精度等要求，以及算法的通用性和稳定性，决定采用YOLOV4算法。为了让算法更具泛化性，采用多尺度训练的方式，并加入Mosaic数据增强方式。Mosaic会随机选取4张图，对每张图进行放大、缩小、调整对比度等变化，并随机从4张图中各裁剪出一部分区域进行拼接，得到1张新的固定大小的图片，丰富了图像上的信息，增加了背景的复杂度，能让模型学习到更多的场景和目标，同时也提高了模型对小目标的检测能力，增强了模型的泛化能力。模型输入大小是关键的超参数，直接影响检测的速度和精度

[3]。

5.铁路接触网吊弦智能监测技术的展望

5.1提高智能化水平

随着数据分析和人工智能技术的快速发展，铁路架空接触线智能监控系统可以通过大数据分析和机器学习算法实现故障自动诊断和预测。该系统可以学习和识别各种故障模式，并提前发出警报，以便及时维护或更换，提高线路的可靠性和安全性。无人机和机器人技术在铁路接触网吊弦监测中具有广阔的应用前景。无人机可以通过空中巡检来实时监测接触网吊弦的状态，机器人可以在地面上进行维护和检修。这些技术的应用可以提高监测效率和安全性，减少人工巡检的工作量和风险。

5.2提高监测设备的可靠性和精确性

随着传感器技术的不断创新和进步，未来铁路架空接触线智能监控系统将采用更先进、更灵敏的传感器。这些传感器可以实时监测悬链线串的状态，包括张力、振动、温度等参数，从而及时发现潜在的问题并采取相应的措施。监测设备的可靠性是保障吊弦监测准确性和连续性的重要因素。吊弦监测设备需要具备高精度、高可靠性和长寿命等特点，以应对恶劣的环境条件和长时间运行的要求。最后，智能算法的精确性也是智能监测技术发展中的一个关键问题。智能算法要能够准确地识别和分析吊弦状态，以提供可靠的监测结果和预警信息。

结束语

综上所述，为了提高地铁供电牵引变压器接触网断线接地故障的识别率，优化故障识别效果，本文开展接触网滑板磨损相关的研究。通过探讨可知，接触网滑板磨损受多种因素影响，目前这一板块的研究还不够，需要加强突破，对促进地铁安全稳定运行具有重要研究意义。

参考文献：

[1]董昭德, 李岚. 接触网工程与设计[M]. 科学出版社,2014.

[2] 马行驰, 何国求, 陈成澍, 等. 现代轨道交通摩擦集电材料及相关载流摩擦磨损研究进展[J]. 材料导报,2007,21(3):63-66.

[3] 张宗芳. 城市轨道交通弓网受流特性研究[D]. 北京交通大学硕士学位论文,2019:1-5.