電氣化鐵路接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：【目的】在電氣化鐵路線路速度等級(jí)和接觸網(wǎng)安裝精度的要求下，接觸網(wǎng)腕臂多采用現(xiàn)場(chǎng)安裝后再進(jìn)行人工調(diào)整的方式。為了提高接觸網(wǎng)腕臂的施工效率，需要對(duì)接觸網(wǎng)腕臂進(jìn)行模擬計(jì)算。【方法】通過(guò)建立模擬計(jì)算幾何和約束模型，搭建接觸網(wǎng)腕臂模擬計(jì)算平臺(tái)，利用平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算?！窘Y(jié)果】對(duì)模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行核查無(wú)誤后生成模擬計(jì)算圖表?！窘Y(jié)論】通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)腕臂進(jìn)行模擬計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)在各種工況下腕臂管件的精細(xì)化、高效化加工和一次性預(yù)配安裝，有效地降低了施工工期和成本，提高了安裝精度。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)腕臂；模擬計(jì)算；預(yù)配安裝

中圖分類號(hào)：U225" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）10-0005-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.001

Research on the Application of" Simulated Calculation Technology in Pre-installation of Electrified Railway OCS Cantilever

TIAN Shengping1 ZHANG Long2 WANG Shenghui3

（1. China Railway First Survey amp; Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， China； 2.Hami Power Supply Section of China Railway Urumqi Bureau Group Co.， Ltd.， Hami 839000，China； 3.Xi'an Branch of Wuhan Railway Electrification Bureau Group Co.， Ltd.， Xi'an 710000， China）

Abstract： [Purposes] In situations where the speed level of railway lines and the installation accuracy of the overhead contact system are relatively low， the overhead contact system cantilever is often adjusted manually after on-site installation. In order to improve the construction efficiency of the overhead contact system， the simulation calculation theory of the overhead contact system is studied. [Methods] By establishing a simulation calculation geometry and constraint model， and then building a overhead contact system cantilever simulation calculation platform， the platform is used to simulate and calculate the data collected on site. [Findings] After verifying the results of the simulation calculation， a simulation calculation chart is generated. [Conclusions] By simulating and calculating the cantilever of the overhead contact system， it is possible to achieve precise and efficient processing of the cantilever pipe fittings under various working conditions of the overhead contact system， as well as one-time pre-installation， which effectively reduces the construction period and cost， and improves installation accuracy.

Keywords： OCS cantilever; simulated calculation; pre-installation

0 引言

接觸網(wǎng)作為電力機(jī)車供電的重要固定設(shè)施，其工作狀態(tài)關(guān)系到弓網(wǎng)受流質(zhì)量，直接影響列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。目前，在國(guó)外高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目中，接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)及施工均采用了精確預(yù)配的方式。即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)接觸網(wǎng)腕臂及安裝位置進(jìn)行精確的計(jì)算，保證腕臂零件可以按照計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確拼裝，以便到現(xiàn)場(chǎng)后一次安裝到位，減少后期的二次調(diào)整，并確保接觸網(wǎng)安裝狀態(tài)滿足接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)要求及列車運(yùn)行要求［1］。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配技術(shù)，多為基于三角函數(shù)的幾何關(guān)系推導(dǎo)。該方法僅在一種工況下所涉及的公式及參數(shù)就種類繁多，不能直觀地顯示計(jì)算流程，不利于擴(kuò)展運(yùn)用于其他項(xiàng)目［2-3］。在普速鐵路及地鐵等項(xiàng)目中，因線路速度等級(jí)和接觸網(wǎng)安裝精度的要求，多采用現(xiàn)場(chǎng)安裝后再進(jìn)行人工調(diào)整的方式［4-5］，而預(yù)配方式運(yùn)用較少。

本研究對(duì)適用于不同線路等級(jí)的具有可視化、可擴(kuò)展性的接觸網(wǎng)模擬計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了研究。該技術(shù)可在高速鐵路等各類電氣化鐵路中運(yùn)用，不僅可以讓施工單位大幅提高鐵路接觸網(wǎng)零件的加工及施工精度，實(shí)現(xiàn)“省工、省料、省時(shí)”的目的，而且可以實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂模擬的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，提升接觸網(wǎng)整體設(shè)計(jì)水平。

1 接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算原理

接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)是一種具有多隨機(jī)變量的超靜定桁架結(jié)構(gòu)。由于不同的腕臂所承擔(dān)的懸掛定位功能不同，且用于安裝接觸網(wǎng)支柱及腕臂的基礎(chǔ)位置在施工時(shí)可能存在誤差，因此為了確保接觸線準(zhǔn)確定位，每套接觸網(wǎng)腕臂的零部件裝配尺寸及相互位置關(guān)系都是特定的。模擬計(jì)算是以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)原則及平面布置等要求，通過(guò)計(jì)算求出滿足定位要求的腕臂結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，從而生成腕臂零件裝配圖紙，用于指導(dǎo)腕臂的現(xiàn)場(chǎng)精確安裝［6］。

接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算模型由幾何模型和約束模型共同構(gòu)成。幾何模型由基本的幾何元素構(gòu)成；約束模型則建立了各幾何元素之間的相互關(guān)系。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)幾何模型和約束模型的共同作用來(lái)驅(qū)動(dòng)接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算模型得到相應(yīng)的結(jié)果。

1.1 幾何模型

接觸網(wǎng)模擬計(jì)算的幾何模型是根據(jù)接觸網(wǎng)腕臂的幾何尺寸建立的數(shù)學(xué)模型。幾何模型建立的基本原則是根據(jù)腕臂的結(jié)構(gòu)和部分尺寸要求以及構(gòu)成腕臂的零件尺寸等相關(guān)參數(shù)來(lái)構(gòu)建幾何模型［7］。

在構(gòu)建幾何模型前，需要按線路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定模擬計(jì)算的基本工況。一般情況下，腕臂幾何模型可按以下的不同進(jìn)行分類，并經(jīng)組合后確定。按照接觸網(wǎng)腕臂的種類，可分為絕緣旋轉(zhuǎn)平腕臂結(jié)構(gòu)和整體鋼腕臂結(jié)構(gòu)；按照接觸網(wǎng)腕臂的用途，可分為中間柱腕臂、轉(zhuǎn)換柱腕臂及道岔柱腕臂等；按照接觸網(wǎng)腕臂在支柱上的安裝方式，可分為預(yù)留孔安裝方式和外抱安裝方式；按照接觸網(wǎng)腕臂所安裝的支柱類型，可分為H型鋼柱、橫腹桿支柱、格等徑圓桿等；按照線路條件分為直線區(qū)段、曲線區(qū)段等［8］。

除上述常見(jiàn)的分類外，根據(jù)線路存在的特殊工況，還應(yīng)考慮隧道內(nèi)及硬橫跨吊柱、站臺(tái)柱等特殊情況，以便對(duì)模擬計(jì)算工況進(jìn)行更為細(xì)致的劃分，滿足模擬計(jì)算要求。在確定完模擬計(jì)算需要的各種工況后，便可在求解環(huán)境中建立坐標(biāo)系和腕臂的幾何模型。

1.2 約束模型

接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算的約束模型是用來(lái)驅(qū)動(dòng)幾何模型根據(jù)不同輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)。約束模型建立的基本要求是在滿足接觸網(wǎng)腕臂對(duì)接觸導(dǎo)線定位要求的前提下，對(duì)幾何模型中各幾何元素的長(zhǎng)度、角度及節(jié)點(diǎn)的連接方式進(jìn)行約束。

常用的幾何約束類型有平行、垂直、水平、鉛直、共線、相切等。在求解環(huán)境中應(yīng)用上述約束類型時(shí)，應(yīng)以兩軌面連線中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，由定位點(diǎn)開(kāi)始往支柱側(cè)依次施加約束，保證在輸入數(shù)據(jù)變化時(shí)，被約束部分始終滿足定位要求［9］。

2 接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算平臺(tái)組成及功能

接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算平臺(tái)是一套分布式計(jì)算軟件。根據(jù)測(cè)量的原始線路參數(shù)和接觸網(wǎng)基礎(chǔ)資料，依據(jù)參數(shù)化計(jì)算模型計(jì)算出腕臂結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)的坐標(biāo)，并通過(guò)加載相應(yīng)零件的尺寸參數(shù)及工況相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)而推算出腕臂管狀零件的尺寸及其安裝角度。接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算平臺(tái)如圖1所示。由圖1可知，客戶端分為參數(shù)化計(jì)算模型、軟件界面、輸入數(shù)據(jù)及輸出圖形；服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)包括腕臂計(jì)算工況庫(kù)、零件參數(shù)庫(kù)、計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2.1 參數(shù)化計(jì)算模型

參數(shù)化計(jì)算模型是一套幾何關(guān)系相互約束的腕臂幾何模型，模型中部分幾何尺寸固化，即定型零件的尺寸和部分工況數(shù)據(jù)，但部分尺寸開(kāi)放且可在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)自由調(diào)整。開(kāi)放尺寸中有一部分的數(shù)據(jù)通過(guò)施工測(cè)量獲得，另外一部分的數(shù)據(jù)通過(guò)將開(kāi)放數(shù)據(jù)輸入到參數(shù)化幾何模型中，驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行幾何關(guān)系運(yùn)算而得出所需要的尺寸和坐標(biāo)位置。軟件運(yùn)行時(shí)，將根據(jù)輸入數(shù)據(jù)確定計(jì)算工況并調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)化計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。

2.2 軟件界面

模擬計(jì)算前需要先輸入線路名稱、區(qū)間名稱、區(qū)間代號(hào)等信息，隨后加載預(yù)配輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行約束計(jì)算繪圖并將腕臂預(yù)配模擬計(jì)算的圖表結(jié)果輸出到指定路徑。軟件可批量加載輸入數(shù)據(jù)文件進(jìn)行計(jì)算。

2.3 計(jì)算工況庫(kù)

計(jì)算工況庫(kù)包含了所有使用到的腕臂安裝工況。每種工況包括工況代號(hào)、參數(shù)化約束模型名稱、零件代號(hào)及相關(guān)數(shù)據(jù)。

計(jì)算工況庫(kù)的建立：首先需要建立模擬計(jì)算工況索引編碼；其次建立幾何約束模型與模擬計(jì)算工況索引編碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；再次根據(jù)模擬計(jì)算工況引用對(duì)應(yīng)的零件尺寸索引編碼；接著建立每種工況下的接觸網(wǎng)零件安裝位置數(shù)據(jù)，用于確定腕臂上各種零件的相對(duì)位置關(guān)系；最后建立每種工況下的接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用于描述接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)。

2.4 零件參數(shù)庫(kù)

零件參數(shù)庫(kù)包含了各種腕臂零件的代號(hào)、名稱、等級(jí)、尺寸、規(guī)范代碼等信息。

零件參數(shù)庫(kù)的建立：首先需要在接觸網(wǎng)安裝圖中查找零件；其次在零件圖中查找零件尺寸數(shù)據(jù)；最后創(chuàng)建零件數(shù)據(jù)庫(kù)并在其中建立零件尺寸數(shù)據(jù)的記錄。庫(kù)中的每條記錄由零件尺寸及索引編碼、零件名稱、零件類別及備注等信息組成。零件尺寸數(shù)據(jù)與零件尺寸索引編碼一一對(duì)應(yīng)。

2.5 計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)

計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)包含了每一個(gè)支柱腕臂的輸入輸出參數(shù)信息及圖形存儲(chǔ)信息等所有的歷史計(jì)算數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的查找和使用。

3 模擬計(jì)算方法及流程

腕臂預(yù)配模擬計(jì)算包括輸入工況數(shù)據(jù)、腕臂模型數(shù)據(jù)、接觸網(wǎng)零件數(shù)據(jù)及安裝工況數(shù)據(jù)。根據(jù)線路等級(jí)和接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，分別對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，以便適用于各類項(xiàng)目。

3.1 輸入工況數(shù)據(jù)

輸入工況數(shù)據(jù)由腕臂模型數(shù)據(jù)類型庫(kù)中的接觸網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)及部分接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)構(gòu)成。其中所有數(shù)據(jù)均由施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)填寫(xiě)，包含支柱編號(hào)、支柱里程、曲線半徑、軌面寬度、外軌超高、側(cè)面限界、支柱傾斜率、底座高度、跨距等信息。輸入工況數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3.2 腕臂模型數(shù)據(jù)

腕臂模型數(shù)據(jù)是腕臂幾何模型中各類數(shù)據(jù)容器的集合。在幾何約束求解環(huán)境中建立通用的腕臂幾何模型，工況數(shù)據(jù)模塊根據(jù)實(shí)際選用的工況和所使用的零件類型，將相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類數(shù)據(jù)載入腕臂幾何模型的各數(shù)據(jù)容器中，檢查數(shù)據(jù)無(wú)誤后驅(qū)動(dòng)腕臂幾何模型完成模擬計(jì)算。腕臂模型數(shù)據(jù)主要分為：外部測(cè)量數(shù)據(jù)、零件數(shù)據(jù)、零件安裝位置數(shù)據(jù)及接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

3.3 接觸網(wǎng)零件數(shù)據(jù)

目前電氣化鐵路接觸網(wǎng)零件按照《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》（TB/T 2075—2020）標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。各廠家生產(chǎn)的零件在主要尺寸上一致，但個(gè)別工藝尺寸存在差異。在腕臂預(yù)配模擬計(jì)算過(guò)程中，會(huì)調(diào)用大量不同類型、不同規(guī)格型號(hào)的接觸網(wǎng)零件，為了盡可能保證腕臂預(yù)配模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，必須將廠家零件圖紙中的各類尺寸整理形成接觸網(wǎng)零件數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用統(tǒng)一的索引編制原則，保證零件數(shù)據(jù)庫(kù)的可擴(kuò)展性和復(fù)用性。為滿足上述要求，接觸網(wǎng)零件數(shù)據(jù)庫(kù)的索引原則需按照［接觸網(wǎng)系統(tǒng)］—［零件種類］—［零件規(guī)格］—［參數(shù)編號(hào)］的格式統(tǒng)一編號(hào)。

3.4 安裝工況數(shù)據(jù)

安裝工況數(shù)據(jù)在模型計(jì)算時(shí)起到整合各類型數(shù)據(jù)的作用。接觸網(wǎng)腕臂根據(jù)在錨段中的不同分布位置，其功能和結(jié)構(gòu)形式是不相同的，并且腕臂采用的零件及尺寸形式也各不相同。不同類型的腕臂結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行編號(hào)，該編號(hào)是腕臂數(shù)據(jù)模型計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)查詢的索引。每一個(gè)編號(hào)所對(duì)應(yīng)的一組數(shù)據(jù)便是一種工況。為了將不同工況下各種腕臂結(jié)構(gòu)形式和零件尺寸數(shù)據(jù)與接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，需要建立統(tǒng)一的工況數(shù)據(jù)庫(kù)。先梳理所有需要使用的腕臂結(jié)構(gòu)類型并進(jìn)行編號(hào)，再配置每種工況的腕臂模型數(shù)據(jù)。此外，工況數(shù)據(jù)中還包括零件直接安裝的配合尺寸、接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

3.5 計(jì)算流程

腕臂預(yù)配模擬計(jì)算時(shí)，首先，需讀取輸入工況數(shù)據(jù)表，根據(jù)其中的“腕臂安裝類型”調(diào)用對(duì)應(yīng)的幾何約束模型，并在安裝工況數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用對(duì)應(yīng)的工況記錄。隨后根據(jù)工況記錄中的零件尺寸索引編碼在零件參數(shù)庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)的零件尺寸數(shù)據(jù)；其次，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)及零件尺寸數(shù)據(jù)加載到幾何約束模型中，驅(qū)動(dòng)幾何約束模型生成模擬計(jì)算結(jié)果；最后，對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行核查并生成模擬計(jì)算圖表，如果結(jié)果模型有誤，則重新檢查并計(jì)算。

腕臂預(yù)配模擬軟件的工作流程如圖2所示。

4 案例計(jì)算

以某線路支柱的腕臂預(yù)配模擬計(jì)算為例，具體說(shuō)明腕臂預(yù)配模擬計(jì)算方法的運(yùn)行過(guò)程。

①收集某線路中的接觸網(wǎng)安裝圖，對(duì)圖中的腕臂安裝類型進(jìn)行分類，判斷該線路支柱的腕臂安裝類型，即為支柱工況。

②建立關(guān)于該支柱腕臂安裝類型的幾何約束模型，根據(jù)幾何約束模型中的尺寸約束關(guān)系建立腕臂模型數(shù)據(jù)庫(kù)。

③在接觸網(wǎng)安裝圖中查找所有類型的零件，根據(jù)查找到的零件尺寸數(shù)據(jù)建立模擬計(jì)算零件數(shù)據(jù)庫(kù)并記錄零件尺寸數(shù)據(jù)。

④根據(jù)支柱的工況及腕臂模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立工況數(shù)據(jù)庫(kù)及工況記錄。

⑤建立輸入工況數(shù)據(jù)表，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量輸入工況所需的數(shù)據(jù)并導(dǎo)入輸入工況數(shù)據(jù)表。讀取輸入工況數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，根據(jù)其中的腕臂安裝類型調(diào)用對(duì)應(yīng)的幾何約束模型，并在安裝工況數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)工況的數(shù)據(jù)，根據(jù)工況數(shù)據(jù)在零件數(shù)據(jù)庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)的零件尺寸數(shù)據(jù)。

⑥將讀取到的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和查找到的零件尺寸數(shù)據(jù)加載到幾何約束模型中，驅(qū)動(dòng)幾何約束模型生成模擬計(jì)算結(jié)果。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行核查無(wú)誤后生成模擬計(jì)算圖表樣例如圖3所示。

5 結(jié)論

本研究首先對(duì)接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬原理進(jìn)行研究，建立模擬計(jì)算幾何模型及約束模型；其次搭建接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配模擬計(jì)算平臺(tái)；最后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，生成腕臂預(yù)配模擬的結(jié)果模型。

本研究通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配進(jìn)行模擬計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)車站、區(qū)間內(nèi)接觸網(wǎng)各種工況腕臂的精細(xì)化和高效化預(yù)配安裝，指導(dǎo)施工單位批量化完成腕臂各零件的加工并一次安裝到位，有效地節(jié)約了施工安裝的工期，提高了腕臂的安裝精度。

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