CN109130955B - 一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法，在接触网的一次性整体安装过程中，取磨耗系数为最大可接受值时接触线悬挂点抬升量的1/2作为悬挂点的预留驰度，经过如下步骤：(1)接触网初始平衡态模型的求解；(2)吊弦预配；(3)计算磨损接触线参数；(4)建立接触网磨耗计算模型；(5)计算磨损接触网导高变化值；(6)计算得到接触网吊弦预配长度。本发明通过合理设置接触线悬挂点的预留驰度，使其在磨耗后，能逐步接近理想导高，然后再次偏离理想导高的特性，保证在整个接触网使用周期内的几何平顺性波动偏离理想值较小，从而获得更佳的使用性能和更长的使用寿命。

Description

一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法
技术领域
本发明属于电气化铁道领域，尤其涉及一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法。
背景技术
目前，我国已实现了高铁的网络化运行，接触网是高速铁路牵引供电***的重要组成部分。其使用条件苛刻，经过长时间的运行，零件不可避免会产生磨损，从而导致接触网结构状态和性能的改变。接触线承受电弓滑板的高速滑动摩擦，承受机械和电气双重损耗。接触线磨损后，整个锚段内的导高不均匀性逐步恶化，并远离初始设计值。考虑到整个使用周期内的接触网性能，研究补偿接触线磨耗对接触网性能的影响具有重大意义。本发明拟提供一种高速铁路吊弦补偿接触线磨耗的预配方法，合理增加预设吊弦驰度以改善接触网因磨耗而产生的几何不平顺。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法，在接触网的一次性整体安装过程中，取磨耗系数为最大可接受值时接触线悬挂点抬升量的1/2作为悬挂点的预留驰度，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、接触网初始平衡态模型的求解：
在分模法的基础上建立接触网初始平衡态模型，初始平衡态模型模拟接触线无磨耗的状态，定义接触线各吊弦、***连接处的导高为标准值；并应用有限元法对接触网初始平衡态模型进行求解，在保证接触线水平情况下，计算获得***的接触网初始平衡态模型；
步骤2、吊弦预配：
根据初始平衡态模型的计算结果，获得未考虑磨耗情况下的各吊弦的标准预配长度L* i；
步骤3、计算磨损接触线参数：
定义接触线初始总截面积为接触线横断截面y轴上半部分的不变面积s′与y轴下半部分半径为R的半圆面积之和，接触线截面方向磨耗面积S为磨耗高度为X的弧段区域面积；
接触线截面方向磨耗面积S与接触线初始总截面积的比值为磨耗系数r，磨耗系数r为:
Figure GDA0003075092080000021
其中，磨耗面积S和磨耗高度X之间的对应关系与接触线横断截面形状有关，关系式如下：
Figure GDA0003075092080000022
其中，
Figure GDA0003075092080000023
计算不同磨耗系数r下，接触线横断截面形状及其相关参数，参数包括：磨损后接触线的截面积A，截面水平惯性矩Iy和侧向惯性矩Iz；
步骤4、建立接触网磨耗计算模型：
由步骤3计算出的磨耗系数rmax下磨损接触线参数：截面积A，截面惯性矩Iy和Iz，更新第一步建立的接触网有限元模型，获得接触网磨耗计算模型；
步骤5、计算磨损接触网导高变化值：
分析第四步的接触网磨耗计算模型，获得接触线磨损后各吊弦吊点导高抬升量Di；
步骤6、接触网吊弦预配长度计算：
将***的各吊弦标准预配长度L* i(第二步计算获得)，取导高抬升量的1/2为预留驰度，计算得到接触网吊弦预配长度Li：
Figure GDA0003075092080000031
所述步骤1中接触网的初始平衡态模型模型通过分模法、负驰度法或目标函数极值法获得。
所述步骤1中利用分模法建模时进行如下简化：
(1)承力索、接触线同时受到张力和重力的作用，且变形较大，采用具有线密度的大位移梁单元；
(2)吊弦具有单向受拉特性，采用具有线密度的非线性索单元；
(3)***简化为非线性弹簧单元和集中质量单元，线夹、中心锚结简化为集中质量单元，不考虑支座、腕臂的影响，将支座、腕臂简化为铰支座。
所述步骤1中利用有限元法求解的过程为：首先，将接触线和承力索等效为具有线密度的大位移梁单元，通过在承力索吊弦点施加固定约束，计算其保证接触线水平情况下的吊弦力；其次，将吊弦力施加到承力索上，从而确定满足力学平衡关系的承力索初始位移和吊弦长度；最后获得无磨耗修正的初始吊弦预配长度。
本发明具有如下优点：
本发明通过合理设置接触线悬挂点的预留驰度，使其在磨耗后，能逐步接近理想导高，然后再次偏离理想导高的特性，保证在整个接触网使用周期内的几何平顺性波动偏离理想值较小，从而获得更佳的使用性能和更长的使用寿命。
附图说明
图1为不同磨耗系数下接触线的位置图；
图2为修正前不同磨耗系数下锚段中心处接触线位置图(400-450m段)，其中接触线高度为5300mm作为纵坐标的0位置处；
图3修正后不同磨耗系数下接触线的高度变化图；
图4原始预配方案和考虑磨耗的预配方案的导高偏差最大值比较图；
图5补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法流程图；
图6接触线磨耗示意图；
图7不同磨耗系数下的接触线截面对比图；
其中：s′为接触线横断截面y轴上半部分的不变面积，R为y轴下半部分半圆半径，S为接触线截面方向磨耗面积(阴影部分)，X为磨耗高度。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-2所示，图上每条线代表了不同的磨耗系数下的接触线位置，横轴为沿线路方向距离，纵轴为接触线高度。单个锚段内接触线高度偏差许用值为±30mm，相邻定位点间接触线高度差的允许范围为20mm，相邻吊弦间接触线高度差的允许范围为10mm。可以计算出磨耗系数为0.2时，锚段内接触线高度偏差为32.62mm，超过了规定值30mm；相邻吊弦接触线高度为8.20mm，接近规定值10mm；相邻定位点接触线高度差为1.74mm，变化较小。
如图3所示，为考虑磨耗的吊弦预配方案，不同磨耗系数下接触线的高度变化图，图上每条线代表了不同的磨耗系数下的接触线位置。横轴为沿线路方向距离，纵轴为接触线高度。磨耗系数为0时，接触线不再是一条近似水平线，而是整体高度下移和跨中位置上凸的形态，几何位置偏差在规定值内；磨耗系数为0.2时，锚段内接触线高度偏差为18.97mm，在规定值±30mm之内；相邻吊弦接触线高度为6.19mm，小于规定值10mm；相邻定位点接触线高度差为0.33mm，变化较小。
图4为本发明对图1和图3吊弦预配方案的进一步比较，由图4可知原始预配方案随着磨耗的产生，导高逐步偏离初始设计值；考虑磨耗的预配方案在磨耗后，导高逐步接近理想值，再次偏离理想值，最后保持在上下偏差值范围内。
从图4一个补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法流程图，可知本发明具体流程如下。
第一步，接触网初始平衡态模型的求解：
本发明给出的实施例中接触网结构参数(如下表1所示)，接触网线材及张力和整体吊弦类型(如下表2所示)。
表1接触网结构参数
Figure GDA0003075092080000051
表2接触网线材及张力
Figure GDA0003075092080000052
Figure GDA0003075092080000061
本发明在分模法的基础上，应用有限元法求解，能够得到精确模型。分模法建模时进行如下简化：
(1)承力索、接触线同时受到张力和重力的作用，且变形较大，采用具有线密度的大位移梁单元；
(2)吊弦具有单向受拉特性，采用具有线密度的非线性索单元；
(3)***简化为非线性弹簧单元和集中质量单元，线夹、中心锚结简化为集中质量单元，不考虑支座、腕臂的影响，将支座、腕臂简化为铰支座。
有限元法求解为：
首先，将接触线和承力索等效为具有线密度的大位移梁单元，通过在承力索吊弦点施加固定约束，计算其保证接触线水平情况下的吊弦力；其次，将吊弦力施加到承力索上，从而确定满足力学平衡关系的承力索初始位移和吊弦长度；最后，即可获得无磨耗修正的初始吊弦预配长度。
第二步，吊弦预配：
未考虑磨耗下的吊弦预配。
第三步，计算磨损接触线参数：
根据本发明给出的实施例中接触线线材型号CuMg.150，建立的磨耗系数r与磨耗高度X之间的计算关系表(如下表3所示)。
表3磨耗系数r与磨耗高度X之间的计算关系表
Figure GDA0003075092080000062
Figure GDA0003075092080000071
由上表3所述磨耗高度X，更新磨耗后接触线横断截面图，如图7所示:
至此，获得磨耗系数r为最大可接受值rmax(通常取rmax＝0.2)时的最大磨损接触线横断截面形状及其相关参数。
第四步，建立接触网磨耗计算模型：
根据第三步计算出的磨损接触线参数：磨损后截面积A，截面惯性矩Iy和Iz，建立磨耗系数rmax下的接触网磨耗计算模型。
第五步，计算磨损接触网导高变化值：
对第四步的接触网磨耗计算模型进行求解，获得接触线磨损后各吊弦吊点导高抬升量，并以此绘制出不同磨耗下的接触线位置(如图1所示)。
第六步，接触网吊弦预配长度计算：
将***的各吊弦预配长度(第二步计算获得)，取导高抬升量的1/2(第六步计算获得)为预留驰度，计算接触网吊弦预配长度。
至此，根据第六步计算获得的接触网吊弦预配长度，重新建立接触网计算模型，并求解获得接触线磨损后各吊弦吊点导高抬升量，以此绘制出修正后不同磨耗下的接触线位置高度变化(如图3所示)。为了验证本发明的有益效果，取原始预配方案(如图1所示)和考虑磨耗预配方案(如图3所示)的导高偏差最大值进行比较，结果(如图4所示)表明合理设置接触线悬挂点的预留驰度，使其在磨耗后，能逐步接近理想导高，然后再次偏离理想导高的特性。本发明保证在整个接触网使用周期内的几何平顺性波动偏离理想值较小，从而获得更佳的使用性能和更长的使用寿命。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法，在接触网的一次性整体安装过程中，取磨耗系数为最大可接受值时接触线悬挂点抬升量的1/2作为悬挂点的预留驰度，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、接触网初始平衡态模型的求解：
在分模法的基础上建立接触网初始平衡态模型，初始平衡态模型模拟接触线无磨耗的状态，定义接触线各吊弦、***连接处的导高为标准值；并应用有限元法对接触网初始平衡态模型进行求解，在保证接触线水平情况下，计算获得***的接触网初始平衡态模型；
步骤2、吊弦预配：
根据初始平衡态模型的计算结果，获得未考虑磨耗情况下的各吊弦的标准预配长度L* i；
步骤3、计算磨损接触线参数：
定义接触线初始总截面积为接触线横断截面y轴上半部分的不变面积s′与y轴下半部分半径为R的半圆面积之和，接触线截面方向磨耗面积S为磨耗高度为X的弧段区域面积；
接触线截面方向磨耗面积S与接触线初始总截面积的比值为磨耗系数r，磨耗系数r为:
Figure FDA0003075092070000011
其中，磨耗面积S和磨耗高度X之间的对应关系与接触线横断截面形状有关，关系式为式(2)：
Figure FDA0003075092070000012
其中，
Figure FDA0003075092070000021
计算不同磨耗系数r下，接触线横断截面形状及其相关参数，参数包括：磨损后接触线的截面积A，截面水平惯性矩Iy和侧向惯性矩Iz；
步骤4、建立接触网磨耗计算模型：
由步骤3计算出的磨耗系数rmax下磨损接触线参数：截面积A，截面惯性矩Iy和Iz，更新第一步建立的接触网有限元模型，获得接触网磨耗计算模型；
步骤5、计算磨损接触网导高变化值：
分析第四步的接触网磨耗计算模型，获得接触线磨损后各吊弦吊点导高抬升量Di；
步骤6、接触网吊弦预配长度计算：
将***的各吊弦标准预配长度L* i，取导高抬升量的1/2为预留驰度，计算得到接触网吊弦预配长度Li：
Figure FDA0003075092070000022
2.如权利要求1所述的一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法，其特征在于：所述步骤1中接触网的初始平衡态模型通过分模法、负驰度法或目标函数极值法获得。
3.如权利要求1所述的一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法，其特征在于：所述步骤1中利用分模法建模时进行如下简化：
(1)承力索、接触线同时受到张力和重力的作用，且变形较大，采用具有线密度的大位移梁单元；
(2)吊弦具有单向受拉特性，采用具有线密度的非线性索单元；
(3)***简化为非线性弹簧单元和集中质量单元，线夹、中心锚结简化为集中质量单元，不考虑支座、腕臂的影响，将支座、腕臂简化为铰支座。
4.如权利要求1所述的一种补偿接触线磨耗影响的高速铁路吊弦预配方法，其特征在于：所述步骤1中利用有限元法求解的过程为：首先，将接触线和承力索等效为具有线密度的大位移梁单元，通过在承力索吊弦点施加固定约束，计算其保证接触线水平情况下的吊弦力；其次，将吊弦力施加到承力索上，从而确定满足力学平衡关系的承力索初始位移和吊弦长度；最后获得无磨耗修正的初始吊弦预配长度。
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