武广高铁定位器坡度算法研究论文.pdf

第 1 1卷第 2期 2 0 1 4年 4月 铁 道科学与工程学报 j o u r n a l o f r ai lwa y sc i e n c e a n d en g i n e e r i n g vo l u me l 1 nu mb e r 2 ap r i l 2 0 1 4 武 一 言 同 铁定位器坡度算法研究 常丽 ， 李 丰良 ， 年晓红。 ( 1 中铁成阳干部 管理学院， 陕西 成阳 7 1 2 0 0 0 ； 2 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 3 中南大学 信息科学与工程 学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 从理论上弄清 d b公司关于定位器坡度的设计理念和算法， 对于弓网系统优化设计和接触网的日常维护都十分重 要。基于弓网系统的动力学特性， 利用静力学平衡方程推算 d b公司接触网设计软件中关于定位器坡度的计算方法。研究 结果表明： d b公司在设定定位器的坡度时， 有意使定位点的接触导线向上提升 了7 1 2 8 x 1 0 m m。算法结果与 d b公 司 的计算结果完全吻合， 说明计算方法与 d b公司的算法是一致的。 关键 词 ： 接触 网； 定位器 ； 坡 度 ； 接触压 力 中图分类号： u 2 2 5 3 文献标志码： a 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 3 1 0 5 re s e a r c h o n g r a d i e n t a l g o r i t h m o f r e g i s t r a t i o n a r m i n w u g u a n g h i g h s p e e d r a i l wa y chang li ，l i fe n g l i a n g ，ni an xi a o ho n g ( 1 x i a n y a n g ma n a g e m e n t i n s t i t u t e o f c r e c， x i a n y a n g 7 1 2 0 0 0，c h i n a ； 2 s c h o o l o f c i v i l en g i n e e r i n g，ce n t r a l s o u t h un i v e r s i t y，ch a n g s h a 4 1 0 0 7 5，ch i n a ； 3 s c h o o l o f i n f o r ma t i o n s c i e n c e a n d e n g i n e e ri n g ， c e n t r a l s o u t h u n i v e r s it y ，c h a n g s h a 4 1 0 0 7 5， c h i n a ) abs t r a c t：i t wo u l d b e o f v e r y s i g n i f i c a n c e f o r t he o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f p a n t o g r a p h a n d o v e r h e a d c o n t a c t wi r e s y s t e m( p o c s )a n d d a i l y m a i n t e n a n c e o f o v e r h e a d l i n e s y s t e m t o t h e o r e t i c a l l y t h r o w l i g h t u p o n t h e d e s i g n p h i l o s o p hy a nd a l g o rit h m o f s l o p e wi t h r e g i s t r a t i o n a r m p r o d u c e d b y db c o mp a n yba s e d o n t h e me c ha n i c a l b e h a v i o r o f p ocs，t h e s t a t i c e q u i l i b r i u m e q ua t i o n wa s u t i l i z e d t o a n aly z e t h e g r a di e n t a l g o rit hm o f r e g i s t r a t i o n a n t 1 wi t h t h e d e s i g n s o f t wa r e o f o v e r h e a d l i n e s y s t e mth e r e s u l t s s h o w t h a t d u rin g t he p r o c e s s o f d e s i g n i n g t h e s l o p e o f r e g i s - t r a t i o n a r m t h e c o nt a c t wi r e a t s e t p o i n t i s p u r po s e l y l i f t e d b y 71 2 8 x 1 0 mm th e r e s u l t s d e riv e d b y t h e me t h o d i n t h i s p a p e r c o mp l e t e l y ma t c h t h o s e o f db c o mp a n y，whi c h i n d i c a t e s t h e c o n s i s t e n c y o f t h e ut i l i z e d me t h o d ke y w o r d s ： c a t e n a r y ； r e gis t r a t i o n a r m； s l o p e gra d i e n t ； c o n t a c t f o r c e 定位器是电气化铁路接触 网定位装 置的关键 部件之一 ， 它对 电力机车能否安全提速和高速运行 起着至关重要 的作用- 2 3 。为 了保证 弓网运行安 全， 定位器的安装坡度非常重要。安装坡度过小， 则可能发生受电弓与定位器碰撞 ， 安装坡度过大 ， 则要减少拉出值或加大第一吊弦距定位点的距离。 减小拉出值会加速受电弓的不均匀磨耗 ， 增大第一 吊弦距定位点的距离会影响弓网受流质量， 所 以必 须合理确定定位器 的坡度 。以武广高铁接触 网 定位器倾角的确定过程为例说明其设计原理 ， 以便 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 2 5 基金项目： 国家 自 然科学基金资助项 目( u 1 3 3 4 0 1 8 ) 通讯 作者： 常丽 ( 1 9 6 0一)， 女 ， 天津人 ， 副教授 ， 从事力学教学和 弓网动力学研究 ； em a i l ： g s g w m a i l c s u e d u c a 1 3 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 4年 4月 为今后高速铁路接触网设计优化提供参考 。武广 高铁 的接触 网是 引进德 国 d b公 司的软件进行设 计的。d b公司不提供软件 的设计计算原理， 只要 求输入现场数据 ， 便可以输出接触网上每一个零部 件的安装参数 。由于接触 网各处的地形地貌和跨 距长短等诸多因素都不尽相同 ， 因此 ， d b公司的设 计软件计算出的每一组腕臂 、 每一根吊弦和每一个 定位器的安装参数都是不同的。 2 0 0 9年 l 2月， 武广高铁 开通以后 ， 相继 出现 了多起弓网故障。供电段在进行现场维修时， 由于 不知道接触网的设计计算方法 ， 各个零部件的安装 参数又是不 同的， 因此在故障恢复时曾遇到很多困 惑。2 0 1 0年 5月 2 5日， 武广高铁发生了一起定位 器打弓故障， 造成多架受电弓被打坏， 并影响到了 武广高铁的正常运行 。铁道部要求对武广全线 的 所有定位器进行逐一排查。结果发现 ： 定位器的坡 度各不相 同， 多数定位器 的坡度在 4 。 5 。 之 间， 但 有的定位器的坡度为 0 ， 有的定位器的坡度甚至还 是负的。是不是定 位器 的坡度设计有 问题?定位 器的坡度究竟应该多大才合理?d b公司的接触网 设计软件究竟是如何计算接触网的参数 的。只有 弄清这些 问题 ， 才 能减少接触 网 日常维护 的盲 目 性 ， 才能为进一步优化设计提供理论基础 。本文将 我们对 d b公 司推算方法整理发表 ， 以便给现场维 护人员和接触网设计人员提供参考。 1 定位器的力学模型 根据接触 网上使用的定位器 ， 可以画出如图 1 所示 的受力 图。其 中，o点的 2个力是支 撑杆 的 力 ； w是定位器( 含线夹 )的重力 ， 作用在质心上 ； a 点水平力 是接触导线 的水平力 ， 由接触导线的 张力决定； a点 的垂 向力 是接触导线的垂向力 ， 由接触导线的重力决定 。 在高铁上 ， 广泛使用 l一 1 1 5 0型定位器。 作者实测了该定位器 的参数 ， 用于 推算 d b公司的定位器倾角参数。 l一1 1 5 0定位器 的实测参数为 ： w =1 6 9 7 ( n ) l =1 1 5 0 ( ram) ， l =6 8 0 ( mm) ， l =6 0 ( mm) 。 测试过程 中， 定位 销上安装有线夹。 图 1 是定位器的受力图， 图2 是接 触网给定位器的水平力及其几何关系 。 定位器在上述力系的作用下平衡 ， 承受平面一 般力系， 可写出力矩平衡方程 如下： mo = 0 wl 。c o s o+ 耽 b s i n 0+ y l a c o s o一 l s i n 0=0 ( 1 ) 可解得 ： t a n = wl c + f a y l a ( 2 ) ( 3 ) 定位器的质心坐标和重力可以精确测定。 只要 定位器上 点的2 个力 f 和 f a 足够准确 ， 利用式 ( 2 ) ， 就可以计算出定位器的倾角。 2 定位器 端水平力 的确定 定位器上的水平力 是 由接触导线 的张力 和定位点处的拉出值共同决定 的。 图 2是接触线与 定位器 的连接处在水平方 向的受力 图。 图中： 为 接触导线的张力 ； 为接触定位器a端的水平力 ； l 和 为跨长 ； 。 为拉出值。 图 1 定位 器受力图 fi g 1 fo r c e di a g r a m o f t h e r e g i s t r a t i o n a l n l 图 2定位 器 a端水平方向受力 图 f i g 2 f o r c e d i a g r a m o f t h e e n d a o f t h e e g i s t r a t i o n a r m i n ho fiz o n t di r e c t i o n 容易得到： f l 协 - z ( 4 ) f =t ( c o ! +c o 2 ) ( 5 ) 如果知道支柱前后的跨长 l 。 ， l 和 ， 就可以 用式( 4 ) 算 出 。 和卢 ， 再由式 ( 5 ) 计算出 。 武广 高铁上 ， 接触导线的标称张力为 3 0 k n， 在直线区 第 2期 常丽， 等： 武广高铁定位器坡度算法研究 1 3 3 段， 基本跨距 为5 0 in ， 拉出值 为0 3 in。 由式 ( 4 )一( 5 ) 可以算得： f a =7 2 0 n 。 3 定位器 4端垂向力 的确定 武广高铁接触网设计 的基本要求之一是无弛 度。 要做到这一点 ， 定位器 端所受的垂 向力必须 满足一定 的要求。 设轨道水平 ， 接触导线也水平 。 在 接触网上任取 1 小段接触导线 o a， 其 中 0点为接 触导线的 1 个悬挂点 ， 例如定位器一侧 的吊弦 ； a点 为另 1 个悬挂点 ， 例如定位器等。 其受力 图如 图3 所 不 图 3 一 小段接 触导线受力图 fi g 3 fo r c e d i a g r a m o f a pi e c e o f c o nt a i t wi r e 图中： 为接触导线的张力 ； f 。 和 分别是 0和 点 的垂向力 ； g为接触导线单位长度 的质量 ； y为 的弛度。 讨论接触导线无弛度 的条件 ， 相 当于求解 a点 y 值等于 0的条件。 由静力学平衡方程 m o = 0 f a o a 一 如 o a + = 0 得 1 g oa 一 fa y oa y = 令 y=0 ， 得 1一 f a =g o a ( 6 ) 厶 1一 同样可知0 点的提升力也是， 。 =g o a 。 这 厶 说明 ， 如果要求 0和a 2点无弛度 ， 则要求 0和a 2 点的提升力均为该段接触导线质量的一半 ， 即提升 一 半导线的质量 。 若 a点的垂向位移不等于 0， 则 a点的垂 向力 1 f a =q o a y t o a ( 7 ) 二 实际使用时应注意上式 中仅讨论定位器一侧 的导线 ， 因此 也只是定位器垂 向力的一半。 武 广高铁采用弹性链型悬挂 ， 定位器两侧的吊弦间距 是 8 in， 如果要求定位 器的悬挂点无 弛度 ， 则要求 定位器的提升力等于 4 in接触导线的质量。 武广高 铁接触导线的质量是 1 3 3 7 k g m。 由此可算得 4 in接触导线 的重力 =1 3 3 79 8 14= 5 2 4 6 3 8 8 n 当定位器 a端的垂向力等于5 2 4 6 3 8 8 ( n) 时 ， 就能保证接触导线在定位器附近是平直的。 小于这 个值 ， 则有可能造成定位器附近接触导线下垂 ， 使 一 跨 内的接触网形成正弛度。 大于这个值则有可能 造成定位器附近的接触导线抬高 ， 使一跨 内的接触 网形成负弛度。 一l i j 弋 一 _ 4 图4 d b公 司接 触网检测 车的 弓网接 触力检 测波形 fi g 4 w a v e f o r m o f c o nt a c t f o r c e i n pa n t o g r a p h o c s s y s t e m me a s u r e d b y d b ag 然 而， d b公 司的设计软件并没有严格使用这 个参数 ， 它采用的方法是将定位点的接触导线向上 提升 7 1 2 81 0 m m， 其垂 向提升力是 5 3 6 4 n 左右。7 1 2 81 0 mm， 这 么小 的位移 现场无 法 测量。但没有这一 参数就不能准确 地计算 出 d b 公司的给定结果。为什 么会这样做?可能是 d b 公司考虑了定位点的动态影响后作出的一点修正。 图 4是 我国沈 阳铁路局购买 的 d b公 司的接触网 检测车在 1 2 0 k m h检测的弓网接触力波形 。可以 看 出跨 中的接触力大 ， 支柱的接触力小 。进一步的 高速弓网动态仿真波形如图5所示， 是 3 5 0 k m h 的弓网接触力仿真波形。为了便于分析接触力的 变化规律 ， 图中曲线做 了滤波处理。 可 以看出 ： 支柱处的接触力除了具有比跨中处 小的特性外 ， 定位器还 与受 电弓有一个小小 的撞 击 。定位点的这一特性使得受 电弓在通过定位点 时不但容易产生离线 ， 而且容易产生弓网撞击。高 速试验时可以看到受 电弓在通过定位点时会产生 有规律电火花 ， 应当就是这个原因。为了减少定位 点的硬点效应 ， 将定位点 向上提升一点将是有利 的。 图5 弓网动态接触力计算机仿真波形 f i g 5 s i mu l a t e d wa v e f o r m o f c o n t a c t f o r c e i n p a n t o g r a p h ccs s ys t e m 第 2期 常丽， 等： 武广高铁定位器坡度算法研究 1 3 5 力等于 7 0 8 n。 这个力就是 图6中 7 1号支柱“ 接触 线 径向力”所对应 的数值。 第4步： 令定位点的垂向位移为 7 1 2 81 0 m m， 代人式( 7 ) ， 注意到武广高铁接触线的质量是 1 3 3 7 k g m， o a长 4 it i ， t =3 0 0 0 0 n， 可以得到 f = 5 3 531 9 n。 第 5步 ： 将 和 以及定位器的参 数代入 ( 2 )式 ， 即可得到定位器的倾角为 8 9 9 。 这就是 图 6中“ 定 位器倾 斜度 ”栏 中 7 1号 定位器 的数 值 。 重复上述 5 个步骤， 即可准确地计算出每一个 定位器 的坡度。 在这个 过程 中， 计算出的每个定位 器的倾斜度以及其径向力， 都与图6中相应栏中的 数据完全一致 。 这说明本文的计算方法是完全可靠 的 。 4 结论 ( 1 ) 将定位点提升 7 1 2 8 1 0 mm， 有着多方 面的考虑。一方面， 高铁设计理念是不带预留弛度 计算， 即接触导线的每一个悬挂点， 如吊弦， 定位器 等， 到轨道平面的距离都应当相等， 因此 ， 定位点的 提升量不能过大。另一方面， 定位点的提升量关 系 到受电弓的包络线。因此 ， 提升量不能过小 。 ( 2 ) 计算结果表 明： 如果没有定位器 的提升 ， 接触导线 定 位点 相对 于 2侧 吊弦 的弛度 是 3 5 mm。d b公司确定向上提升 7 1 2 81 0 m m既可 以保证高铁接触线各点平顺度不超过 5 m m的限 制， 又可以保证定位器在受电弓的包络线之外， 还 可以减轻弓网之间的冲击 ， 是一个经过多方面考虑 之后 的优化参数 。 ( 3 ) 虽然武广高铁接触 网采用德 国 d b公 司的 软件进行设计 ， 但武广高铁接触网的许多基本参数 与德 国的 r e系列接触 网的参数并不相 同。例如 ， 我 国高铁的接触 网基本跨距是 5 0 i n ， 德 国接触 网 的基本跨距是 6 5 m； 我国接触 网定位器与第一 吊 弦之间的距离是 4 m， 德国接触 网是 5 m等。我 国 的高铁接触网是在综合了许 多国家 的高铁接触网 参数 ， 经过一系列的试验之后确定 的。这说明接触 网的优化设计是一个永恒的课题 。本文只推导了 平直线路上的定位器坡度计算方法。在 曲线轨道 上 ， 定位器的坡度有可 能为 0， 也有可能为负 。但 它们相对轨道平面的倾角都是 4 。 5 。 。 参考文献 ： 1 段汝娇， 赵伟 ， 黄松岭， 等 基于计算机视觉的接触网定 位器倾斜度 自动测量方法 j 中国铁道科学， 2 0 1 1 ( 7) ： 8 28 6 d u a n r u j i a o ，z ha o we i ，h u a n g s o n g l i n g ，e t a1 au t o ma t i c me a s u r e me n t me t h o d o f t h e c a t e n a r y l o c a l i z e r s l o p e b a s e d o n c o m p u t e r v i s i o n j c h i n a r a i l w a y s c i e n c e ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 8 28 6 2 隋延民， 接触网定位器坡度计算机定位安全措施 j 铁道工程学报， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 7 5 7 8 s ui ya n mi n c a l c u l a t i o n of s t e a d y a r m g r a d e a n d r e g i s t r a t i o n s a f e t y m e a s u r e j j o u r n a l of r a i l w a y e n g i n e e r - i n g s o c i e t y ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 7 5 7 8 3 罗健 ， 白裔峰， 魏博高速铁路接触网定位器坡度问题 的深化研究 j 铁道工程学报 ， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 7 6 8 0 l u o j i a n，b ai yi f e n g ，wei b o de e p