许捷墀 徐砺锋 史文钊 潘志群

1. 上海申通地铁集团有限公司技术中心 上海 201103；2. 上海应用技术大学 上海 201418

1 研究概述

随着轨道交通的飞速发展，其对牵引供电系统的要求大幅提高。接触网作为直接向列车传输电能的关键环节，其工作状况将直接关系到列车行驶的安全。因此，对接触网关键零部件的健康状态进行研究对轨道交通部门具有重要意义。如果维护不足会导致其可靠性较低，无法保障安全稳定地运行[1]。而维护过剩会带来人力、物力上大幅度的浪费，并且会增加接触网闸刀和接触网联络闸刀的机械损伤。

对于接触网的零部件状态的研究，视频分析法[2]采用摄像头对接触网进行视频检测，通过人工智能，对采集的数据进行快速实时分析。该方法虽然分析速度快，但是分析内容有限，且容易受天气等环境因素的影响，从而在实际应用中会降低准确性。采用熵权法和层次分析法的线性组合[3-5]，可以得到主客观兼具的初始权重，但是太复杂，不便于维保现场推广应用。采用数据分析的方法[6-8]，虽然对来自现场的数据进行了分析建模，但是没有提出可以供现场实际使用的评估方法。本文针对上海城市轨道交通供电系统的柔性接触网关键零部件的实际使用寿命、性能指标和故障状况进行分析，分别提出了吊弦和接触线的健康模型，以及状态计算和管理评估方法，该方法与实际规范结合，具有可操作性，为制定与各条线路相适应的管理规范指南提供依据。

2 关键零部件健康状态分析

2.1零部件运营临界点

上海城市轨道交通运营里程逐年增加，设备维护工作量逐步加大。随着运行年限的增长，设备逐步老化。不同设备设施的技术标准不均衡，差异化明显，并且新老线路之间差异也较大。因此，统一的检测和维修规范会带来维修不足或者维修过度，需要针对不同线路、不同设施设备进行评估分析，制定差异化维保规程。

关于设备设施的维修和更换，并非设备设施彻底损毁后才进行，而是在其发生故障或者其状态达到某一临界点时进行。临界点的设置一方面是避免即将可能发生的故障，减少故障发生的数量以保障地铁稳定可靠地运行。另一方面是维修成本和安全隐患的控制，设备设施在使用周期中存在一个临界点，在临界点之前，维修成本小于更换成本。而过了这个临界点后，不仅设备设施的维修成本大于更换成本，而且频繁的维修带来的安全隐患会越来越大。因此需要找到不同线路、不同设备设施对应的到达临界点的使用寿命。

2.2柔性接触网关键零部件选取

柔性接触网由接触悬挂、支持装置、定位装置和支柱基础组成，采集上海地铁各条线路供电设施设备的监测、故障和维修数据。然后筛选出关于柔性接触网区段的数据，将其归类为10年物耗数据、故障数据和异常磨耗数据。经过数据分析，得到上海地铁全网柔性接触网零部件10年物耗数据分布，如图1所示。

图1 上海地铁全网柔性接触网零部件10年物耗数据分布

图1是上海地铁总线路的柔性接触网零部件10年物耗数据，由于柔性接触网的零部件种类较多，物耗的差异也比较大，如图2所示，其中排在最前面的物耗有接触线、吊弦线、下锚补偿线以及电连接线。本文依据上述物耗数据，选取了物耗数量较大的前2种关键零部件进行分析。

图2 排名前四的地铁零部件物耗情况

2.3吊弦线健康模型分析

吊弦线是柔性接触网的关键零部件之一，对其进行分析，吊弦经典分析方法为[5]：

吊弦力与速度的平方呈线性关系，地铁列车的受电弓速度越快，吊弦移动加速度越快，吊弦力越大，吊弦也越容易发生疲劳破坏。受电弓移动速度越大可等效为在相同的压缩幅度下，振动频率越大，吊弦由压缩位置恢复到平衡位置的时间越短。所以在疲劳过程中，振动频率越大，吊弦力越大，吊弦越容易发生疲劳破坏。

另外，疲劳破坏常发生在高应力区或材料缺陷处。在受电弓高速通过时，吊弦动态力较大，吊弦反复弯曲位置为高应力区，尤其是侧丝与芯丝接触位置呈现应力集中，应力越集中，越容易发生疲劳破坏。同时压缩幅度越大，吊弦的弯曲角度越大，吊弦的作用力面积越小，在同等吊弦力作用下，作用应力就越大。故压缩幅度越大，在吊弦弯曲位置越容易发生疲劳破坏。

经过对实际运营中的故障点分布情况进行分析，吊弦线故障点分布如图3所示。采用人工巡检，重点观察进出站区段。检修标准为吊弦出现烧伤、断股、散股现象[9]，备品备件数量参考上一年度更换数量。

图3 实际应用中吊弦线故障点分布

2.4接触线健康模型分析

接触线是柔性接触网长度最长的关键零部件，对其健康管理采用AHP（analytic hierarchy process）进行分析[3-5]，分析框架如图4所示。

图4 接触线健康管理AHP层次分析示意

将接触线健康管理方向分为3个层次：目标层、准则层和方案层。其中准则层分为偶发性、周期性、可预测性和必然性。方案层分为漏水、闸刀、异物侵限、指示灯和磨耗。

构建上述层次关系的成对比较矩阵：

组合权重：C1＝0.280×0.196＋0.055×0.071＋0.507×0.138＋0.158×0.119＝0.148，C2＝0.280×0.114＋0.055×0.138＋0.507×0.071＋0.158×0.119＝0.094，C3＝0.280×0.062 ＋0.055×0.071＋0.507×0.071＋0.158×0.061＝0.067，C4＝0.280×0.062＋0.055×0.071＋0.507×0.071＋0.158×0.119＝0.076，C5＝0.280×0.566＋0.055×0.649＋0.507×0.649＋0.158×0.582＝0.615

经过上述分析，对接触线健康管理的指南方向为磨耗预测。

3 关键零部件健康管理预测

3.1接触线健康状态计算

对实际系统中的接触线磨耗数据进行分析，接触线异常磨耗区域主要集中在出站加速区域，弓网冲击对整个接触线所有点造成的磨耗基本是均衡的。而在出站加速区域会有较多的高磨耗点，后续将通过增大磨损比来更新评估模型。

本文关于接触线健康状态的衡量标准如表1所示，为业界通用的接触线残余高度与其磨耗的关系[10-12]。

表1 接触线残余高度与其磨耗的关系

经过测量数据以及实际验证，地铁弓网接触压力T是120 N±10 N，为便于计算，取T为120 N。

式中：K——磨耗规律系数；

按照相关标准[6]，银铜合金接触线平均磨损达到30%时进行更换，上海地铁使用的是120 mm2的CTHA120银铜合金接触线，需要更换的磨耗为0.3×120＝36 mm2。所以接触线的最大寿命为Z小于等于36，这是通过数据评估接触线寿命的重要的条件。

3.2接触线健康管理预测

在实际应用中，各线路接触线的健康状态和磨损程度与该线路的弓架次和使用年限直接相关，上海地铁各线路的平均日弓架次如图5所示。

图5 上海地铁各线路每天平均弓架次

依据上述弓架次，计算得轨道交通1号线柔性接触网接触线健康寿命约为12年4个月。同理，计算出各条线路柔性接触网接触线健康寿命，如图6所示。

图6 上海轨道交通各线路柔性接触线健康寿命

图6展示了上海地铁各条线路柔性接触网接触线的健康寿命，接触线磨耗与弓架次呈线性正相关，接触线磨耗与使用年限呈非线性正相关，接触线健康寿命大致在12～16年间。为保障轨道交通安全可靠地运行，并考虑经济性，建议使用寿命，即大修更换年限为健康寿命减去1个季度。在实际运营中，受气候、温湿度、雷击以及坠物缠绕等因素的影响，导致接触线的健康寿命缩短，或造成局部接触线的损坏，因此，图6中的接触线健康寿命预测结果为参考模型健康管理预测。在该参考预测寿命的前提下，结合定期人工测量接触线的磨耗数据，以及对特殊区段的监测，评估各线路柔性接触线的健康等级，根据健康等级，制定差异化的维保规程，以及各线路柔性接触线的大修更新改造计划。经分析，在接触线磨耗比低于13.86%时，处于A类健康状态，一般是投用初期且运行状态合格，建议检修周期为1年1次。在接触线磨耗比达到13.86%时，处于B类健康状态，一般是运行期且运行状态合格，建议检修周期为6个月1次。当接触线磨耗比达到19.97%时，处于C类健康状态，一般是运行期但运行状态不合格或是超年限但运行状态合格，建议检修周期为3个月1次，并进行大修更新改造报备。当接触线磨耗比达29.77%时，归为D类，一般是超年限且运行状态不合格，建议在1个月内完成接触线的大修更新改造或安装加强线并纳入设施设备差异化管理。

4 零部件总体评价

柔性接触网零部件的损坏往往是由于线索驰度发生变化、长期工作过程中的振动疲劳和外界冲击力导致，采用上述分析方法，对各条线路接触网健康状态进行分级评估，制定现场可操作的健康状态分级表，如表2所示，将健康状态归为A、B、C、D共4类。其中A类为投用初期且运行状态合格。B类为运行期且运行状态合格。C类为运行期但运行状态不合格或是超年限但运行状态合格。D类为超年限且运行状态不合格。评估精度要求最小颗粒化，即每条线路每个接触网锚段都需1张分级评估表。评估表改进了以往的评估标准，为下一年的设备评估及今后健康状态预测打下基础。

表2 健康状态评估

依据当前健康状态及历史故障的分析，一般情况下，电连接线和各线路弓架次以及磨耗无关，各线路之间存在的差异与新老线路及环境相关，仍保持原有规范。下锚钢丝绳和受电弓不直接相连，间接受力，与各线路弓架次及磨耗关系不大，仍保持原有规范。接触线和吊弦线与各线路弓架次及磨耗直接相关，需要采用与弓架次关联的健康管理。

5 结语

接触网供电是城市轨道交通主要的供电方式，接触网的稳定可靠直接影响着地铁的运行状况。本文通过对接触网关键零部件的监测、故障维修等的数据进行分析，引入临界点的概念，采用AHP算法进行权重赋值和分析。结合实际运营数据，预估各条线路关键零部件的健康状态和使用寿命，为人工检修规范的制定提供了依据和参考规范。一方面可以预估寿命，减少故障的发生；另一方面也可以避免由于过度维修带来的浪费，更好地保障轨道交通的安全运行。