更新时间：2022-08-25 13:30
接触网和受电弓是电气化铁路供电系统中的重要构成部分。电力机车在运行时通过车顶受电弓与接触线的滑动点面接触获得电能，因此受电弓与接触线的可靠接触压力是保证电力机车良好受流的关键条件。
接触网和受电弓是电气化铁路供电系统中的重要构成部分。电力机车在运行时通过车顶受电弓与接触线的滑动点面接触获得电能，因此受电弓与接触线的可靠接触是保证电力机车良好受流的关键条件。
目前，在弓网运行和维护中，普遍以接触压力测量数据的统计量及单点测量值评价弓网受流质量的优劣，以多个指标的静态测量评价接触网和受电弓的性能，这些评价指标往往只能反映接触网的偏移、硬点、磨耗等问题，缺乏对电力机车运行时弓网系统整体动态性能的有效评价手段。目前，随着电力机车车速的提高，接触网的设计、维护和保养工作体现出一定局限性和滞后性，无法发现接触网早期病害的特征，不能满足高速铁路运行的高可靠性和安全性要求。因此，如何量化评价接触网和受电弓的动态性能，找到静态数据无法体现的接触网不平顺状态是目前电气化铁路亟需解决的主要问题之一。
接触网的驰度、拉出值、张力、导高等参数需要在规定范围内方能投入运行，这些参数的合理性是接触线与受电弓可靠接触的基本保证，也是接触网静态验收的要求。通过静态验收后的接触网在进行动态评估时，以弓网接触压力、接触线抬升量及弓网燃弧率等数据作为评估弓网动态性能的关键参数。
因此，选择电力机车运行时弓网间的接触压力为研究对象，在固定线路、固定受电弓类型和车速恒定的情况下，拟合接触压力功率谱的整体趋势，找到功率谱峰值点对应的波长成分，探讨正常情况下功率谱趋势与峰值点波长成分体现出的接触网和受电弓特性，与病害情况下接触压力功率谱进行比较以确定病害类型和位置，为接触网和受电弓的维护、检修、匹配提供一定参考。
经典的谱估计方法以傅里叶变换作为理论基础，有直接法（周期图法）、间接法（BT法）等，这些方法存在弱信号会被强信号旁瓣所淹没，分辨率不高，主瓣失真等缺陷。现代谱估计方法以随机过程的参数模型为基础，对于被估计的信号，根据观测序列及已知的理论知识选取合适的模型，再根据观测序列估计出模型参数，进而求出功率谱估计结果。利用现代谱估计方法构建的功率谱是连续谱，谱图是较为平滑的曲线且不存在经典谱估计方法中的毛刺波动。因此使用理论成熟、应用广泛的自回归AR（Autoregression）模型作为接触压力信号的谱估计模型。
在电气化铁路轨道不平顺的研究中，一般使用固定阶次的分数多项式形式的公式拟合轨道轨距、水平、高低、轨向等不平顺参数的功率谱，拟合的轨道谱在新车或引进机车车辆振动性能评估，计算机车车辆随机振动响应，机车车辆研制设计，轨道状态管理及轨道系统病害诊断等领域都有重要作用。借鉴轨道谱思想，参考轨道不平顺模型的分析方法和处理手段，通过数据统计和仿真建模，拟合得到接触压力谱，最终尝试构建不同线路的弓网接触压力谱标准型。
需要特别指出的是，接触压力数据不同于轨道参数数据，接触压力因接触网线路、受电弓型号、车速的不同而有较大差别。因此，接触压力谱在计算时需明确其具体线路、受电弓型号和车速，并且得到的接触压力谱仅适用于该情况下的接触网病害诊断、弓网动力学评估等应用。若接触网线路、受电弓型号和车速这3个条件中任意一个改变，测得接触压力数据的时域和频域特性必然改变，则需另作计算得到该情况下的接触压力谱。
接触压力功率谱与轨道谱相比，其形状差别较大，不规则波动，若要参照轨道谱研究中选择一种函数形式拟合接触压力谱，会导致该函数参数较多，过多的参数不仅增加了拟合的难度，各参数所表达的数学特性也难以描述。
在大量试验的基础上，提出接触压力谱趋势拟合方法和波动特征提取方法。该方法首先提取接触压力谱的所有极小值和极大值点，利用所有极小值点进行三次样条插值，插值后的曲线与原谱的第一个极小值之前和最后一个极小值之后的曲线构成谱的下包络线，然后使用最小二乘法采用二次多项式拟合该下包络线，得到表征谱趋势特征的二次多项式函数；对提取出的所有极大值点进行筛选，去掉过小的局部极大值点后，用所有极大值点处对应的波长和谱值2个参数表征谱的波动特征。
接触压力谱进行特征提取，其极小值及其三次样条插值后的下包络线，其中横坐标为空间频率的对数值，空心圆点表示谷值点。
接触压力谱的下包络线整体趋势为直线下降，在高频处出现转折呈略微上扬趋势。因此选择含有直线项和平方项的函数形式，能够拟合到下包络线的直线和弯曲特征并且拟合难度小、速度快。可见曲线较好的拟合到了接触压力谱的趋势特征。
已有研究表明，接触压力谱中波峰位置所对应的波长是与车速密切相关的，不同车速下提取出的波长特征并不相同，在恒定速度情况下各个波长成分所对应的实际现场信息需通过大量实验进行验证，最终的理想情况是能够构建通过波长成分值直接查表得出接触网的故障或病害类型的接触网健康状况评估体系，能在接触网的状态评估和状态修中使用。
通过对弓网动态耦合特性反复的大量检测数据，可提取其弓网工况良好情况下的特征参数作为标准化特征参数。当运行中的实时检测参数与标准化参数产生较大偏移时，则表示弓网工况不良，需要进行检修作业。利用弓网谱提取的动态特征参数也可为建立不同速度等级的谱系化标准提供参考。
接触压力谱整体趋势随速度变化且具有一定规律性；由谱拟合曲线在不同速度等级下，弓网谱的拟合曲线呈现良好规律性的平行均匀排列。
在接触线张力减小到24kN之后，3个拟合参数都较设计值下的拟合参数偏大并随张力的减小呈增大趋势。接触网在实际运营中对接触线张力有最小缺失百分比的要求，德国铁路要求张力的变化应小于设计值的11%，国内铁路有张力的变化应小于设计值15%的要求。此处当接触线张力减小11．1%后，出现了三个拟合特征参数都大于设计值下拟合特征参数提取的情况，因此可以说此时的接触压力谱已处于不良状态。统计结果表明几种接触线张力条件下均未出现离线情况，接触压力的均值变化范围在1N左右，但接触压力标准差是设计值27kN情况下最小。
因此，可以参照轨道谱研究当中上限谱表示轨道平顺性最差和下限谱表示轨道平顺性最好的区间式评价方式，通过实验找出运营可接受的接触压力谱上下限范围，当然该范围不能仅考虑张力这一单一因素，应是多种因素综合考虑的结果。波峰特征参数方面，由于张力变化是接触线全局参数的变化，因此接触压力谱波峰特征参数变化范围较大，其波长和谱幅值的变化体现在编号3到9的峰值点上。
当接触线磨耗导致其截面积减小2%、5%和10%时，DSA380受电弓在300km/h速度下的接触压力谱拟合特征参数，同样水平线表示正常值，星号表示各个磨耗情况下的拟合参数值。可见此处出现了与张力缺失时类似的规律情况，即不良状态较严重时拟合参数大于正常情况下参数，实际运营当中同样有接触线磨耗截面积最大不能超过原截面积20%的规定。
为了更有效地评估弓网动态特性，利用现代信号处理中功率谱估计方法，对弓网动态接触压力数据进行了分析，提出了一种接触压力谱特征的提取方法。采用合理的模型阶数将AR谱应用到了接触压力谱估计中，提取了不同情况下的接触压力谱特征，分别用拟合下包络线和峰值点参数表征了接触压力谱的趋势特征和波动特征，实现了谱特征的量化，对比和分析表明该特征参数具有一定规律性和实际意义，为今后弓网动态性能评价、弓网系列化标准建立提供了参考，而不同的峰值点对应的波长成分与速度的关系以及所代表的工程含义还需要进一步的研究。