简单链型悬挂at方式接触网设计

）CTMH4014.4013503.4.2腕臂的选取腕臂的长度与腕臂所跨越的线路数目、接触悬挂结构高度、支柱侧面限界、支柱所在位置(即直线还是曲线)等因素有关。腕臂的类型按跨越股道的数目可分为单线路腕臂、双线路腕臂和三线路腕臂。按电气性能可分为绝缘腕臂和非绝缘腕臂[5]。绝缘腕臂便于接触悬挂带电检修，对支柱容量要求低；混合牵引区段绝缘子不易污染，结构灵巧、简单，技术性能好，施工与维修方便。非绝缘腕臂笨重，结构不理想，安装维修不便，要求支柱容量大、高度高，应尽量避免采用。在我国电气化铁路中，广泛采用的是旋转绝缘腕臂，其型号见表3-5。表3-5绝缘腕臂类型和规格表型号，规格外径（mm）长度（mm）重量（kg）－2.7548275011.0－3.048300012.0－3.1548315012.62－3.060300015.22－3.1560315016.02－3.5560355018.0综合考虑，本设计采用单线路绝缘腕臂。选型号，长度为2750mm，质量为11kg。3.4.3定位装置的选用正定位：在直线区段或曲线半径R＝1200～4000m区段，就采用这种定位方式。该定位装置由直管定位器和定位管组成。定位器的一端利用定位线夹固定接触线，另一端通过定位环与定位管衔接，定位管又通过定位环固定在腕臂上[6]。反定位：反定位一般用于曲线内侧支柱或直线区段之字值方向与支柱位置相反的地方。定位器附挂在较长的主定位管上，呈水平工作状态。主定位管受压力较大，为了使定位管保持水平，一般用两条斜拉线将定位管吊住，固定在承力索上。定位器通过长支持器与主定位管连接。软定位：这种定位装置只能承受拉力，而不能承受压力，因而它用于曲线只用于曲线R≦1000m的区段，为避免在某些特殊情况下拉力过小，经过计算，在曲线力抵消反方向的风力之后，拉力需保持0.2kN以上方能使用这种方式。组合定位：用在锚段关节的转换支柱、中心支柱及站场线岔处的定位，这些地方均有两组悬挂在同一支柱处，分别固定在所要求的位置上。组合定位的方式较多，各种组合定位的作用也不相同，这主要是根据各种各样的地形条件及悬挂条件决定的。为了适应高速电气化铁路的要求，定位器的重量要轻，一般采用铝合金材料，在定位点处不产生硬点。定位管及定位器的规格如表3-6和表3-7所示。表3-6普通定位管型号规格表型号适用范围（mm）（mm）重量（kg）JL6（）—85-700正反定位21.257001.12JL6（）—85-960正反定位21.259601.52JL6（）—85-1350正反定位21.2513502.02JL6（）—85-960正反定位26.759601.81JL6（）—85-1150正反定位26.7511502.21表3-7定位器型号规格表定位器型号焊接套筒形式套管外径（mm）安装倾斜度总长（mm）单件重量（kg）使用范围-960有环21.251：109701.51直线或R＞1000m曲线定位A-960无环26.751：109701.88曲线内侧反定位R≤1000m定位B-1150无环26.751：611452.20软横跨定位定位管：查表3-6，选型号，长度为700mm，质量为1.12kg；定位器：查表3-7，选型号，长度为960mm，质量为1.51kg。3.4.4支柱及基础目前，几乎全部钢筋混凝土支柱都采用预应力钢筋混凝土支柱。这种支柱在安装使用之前，混凝土处于受压状态，而钢筋则处于受拉状态。当支柱承受负载以后，混凝土里将出现拉应力，它等于弯矩引起的拉应力与预压应力之差，这样，采用混凝土的负载能力就可使支柱的负载能力大大提高。受拉层里的钢筋的总张力等于预拉应力和弯矩作用引起的拉应力之和。但是这不会使支柱承受负载的能力受到什么限制，因为此时钢筋还远没有达到满载，钢筋混凝土支柱型号及规格见表3-8。正定位：在直线区段或曲线半径R＝1200～4000m区段，就采用这种定位方式。该定位装置由直管定位器和定位管组成。定位器的一端利用定位线夹固定接触线，另一端通过定位环与定位管衔接，定位管又通过定位环固定在腕臂上[6]。反定位：反定位一般用于曲线内侧支柱或直线区段之字值方向与支柱位置相反的地方。定位器附挂在较长的主定位管上，呈水平工作状态。主定位管受压力较大，为了使定位管保持水平，一般用两条斜拉线将定位管吊住，固定在承力索上。定位器通过长支持器与主定位管连接。表3-8钢筋混凝土支柱型号及规格型号L（m）a（mm）b（mm）支柱重量（kg）迎风面积S（）H11.326755013302.04H10.828055012602.04H11.741370517302.11H11.242570516202.11H12.240070518402.21H11.741370517302.11目前，在接触网工程中，特别是较大站场上，大量利用钢拄，它是由角钢焊接成的立体桁架结构支柱，具有重量轻、耐碰撞、运输及安装方便。钢柱型号参考表3-9。表3-9钢柱型号参考表型号L（m）a（mm）b（mm）质量（kN）G92876002.688G92876003.102G9.52706002.470G9.52706003.240G102506002.910G102506003.420钢柱主要用于跨越股道比较多、需要支柱高度较高、容量较大的软横跨柱，其次用作桥梁墩台上的安装。但存在用钢量大、造价高、耐腐蚀性能差，需定期进行除锈、涂漆防腐，且有维修不便等缺点。从节约钢材及方便运营维护的角度出发，要求尽量少采用。现在涂漆防腐已改为热镀锌防腐，提高了防腐性能，延长了维修周期。钢柱基础类型大致有混凝土实体基础，钻孔基础，管桩基础。该三种基础的结构示意图见图3-2。图3-2支柱基础结构示意图全补偿链形悬挂要比半补偿链形悬挂结构高度低，所以全补偿采用的支柱也比半补偿链形悬挂采用的支柱低(低0.5)，故有8.2及8.7两种。腕臂柱和软横跨支柱都可用作下锚柱，下锚柱要承担顺线路方向(设下锚拉线后)的下锚力，故其支柱容量表示为48—250、170—250，其中250是表示顺线路方向的支柱容量。3.5设计参数3.5.1接触线高度和结构高度的选取根据《高速铁路设计规范(试行)》11.5.3：接触线悬挂点高度不宜小于5300mm，最低点高度不宜小于5150mm。本设计中接触线高度选用5.4m。根据《高速铁路设计规范(试行)》11.5.3：结构高度宜选用1.6m。特殊情况下，速度在300~350km/h区段，最短吊弦长度不小于600mm，结构高度不得小于1.1m；速度250km/h区段，最短吊弦长度不小于400mm。本设计中结构高度选用1.6m。3.5.2跨距的选择根据《高速铁路设计规范（试行）》表11.5.3—1：时速250km/h，简单链形悬挂的标准跨距为50m，最大跨距为55m，相邻跨距之差不宜大于10m。相邻两跨距之比，不宜大于1.5:1，桥梁、隧道口、站场咽喉等困难地段，不宜大于2.0:1。绝缘锚段关节的转换跨距和分相装置所在跨距应较正常跨距值缩小5～10m。详见表3-10。表3-10跨距选用设计速度250km/h300km/h350km/h简单链型悬挂标准跨距（m）505050简单链型悬挂最大跨距（m）555555弹性链型悬挂标准跨距（m）606055弹性链型悬挂最大跨距（m）6565603.5.3拉出值选用在进行接触网平面设计时，在定位点处，应标明接触线拉出值的大小和方向。设置拉出值的目的是使受电弓滑板磨损均匀在直线区段，接触线应按之字形布置，支柱处的拉出值宜采用200～300mm。在曲线区段，接触线应由受电弓中心向外侧拉出，并宜使接触线与受电弓中心点的轨迹相割，详见表3-11。表3-11接触线拉出值选用曲线半径R（m）300<R<12001200≤R≤18001800<R直线拉出值（mm）400250150±200隧道内拉出（mm）300150100±2003.5.4侧面限界选用接触网支柱的侧面限界是指轨平面处，支柱内缘至线路中心的距离。为了确保行车的安全，正线支柱侧面限界任何时候不得小于2440mm(在机车走行线可降为2000mm)；曲线区段应适当加宽。但是随着铁路的发展，采用大型养路机械进行线路修理是铁路现代化的重要标志，接触网的侧面限界就要考虑这个因素。根据《高速铁路设计规范(试行)》11.5.7：接触网支柱距正线的侧面限界在无砟轨道地段不应小于3.0m；有砟地段不应小于3.1m；车站内困难条件下直线地段不应小于2.5m。3.5.5支柱类型在支柱类型栏内要标明每一个支柱的材质、型号、容量、高度及数量。设计选的支柱型号为：中间柱：转换柱：锚柱：3.6参数校验在区间的平面设计中，为了为最后对区间接触网的平面布置做准备，要进行一些必要的设计计算(校验)。3.6.1最大允许跨距的确定根据受电弓滑板的最大工作宽度，铁路工程技术规范规定，在最大计算风速条件下，接触线对受电弓中心的最大水平偏移值不应超过500mm，在曲线区段不应超过450mm。在接触网设计中，仍按此规定处理。在本设计中，可以根据以往经验取直线段最大跨距为55m，即，可带入下式中进行验算。其中：m为当量系数，可取m=0.85，为接触线之字值，在直线区段上取±200mm；γ=20mm；则受风偏移为：则＜500mm，所以，所选最大跨距满足条件。3.6.2锚段长度的校验计算在区间的平面设计中，由实际线路条件出发，共划分了四个锚段，长度各为1385m,1225m,1165m和1325m。由于在此区间中直线区段相对比较长，且在每一个锚段中直线长度都超过50%，所以根据下式验证所确定的锚段(选取1385m的锚段)。 (3-18)式中，—接触线单位长度自重负载(kN/m)，为13.24×10－3kN/m；—由中心锚结至补偿器间的距离(m)，此时=1385/2=692.5m；—吊弦长度，取平均值，，为最短吊弦，可取为0.25m，取为=0.4573m(=55m)；α—承力索或接触线的线胀系数()取为/℃；—平均温度与计算之差。所以只考虑温度变化时，接触线的张力增量为：kN=kN%15=kN所以由上面的计算结果可以知道该锚段的选取均符合接触网设计中的技术要求。3.6.3支柱容量校验支柱的负载是支柱在工作状态下所承受的垂直负载和水平负载的统称。我们通常所说的支柱容量，就是指支柱本身所能承受的最大许可弯矩值，一个支柱容量的大小，是指承载能力的大小，它取决于支柱的自身结构[7]。(1)中间柱校验①已知条件线路的中间柱选横腹杆钢筋混泥土支柱，以5号支柱为例，其左右跨距为55m。接触悬挂重量：腕臂、绝缘子等重量：悬挂中心与支柱中心间的距离：承力索受风力：接触线受风力:接触线“之”字力:承力索“之”字力:查表3-8得支柱受风力面：F=2.04m2风负载体型系数:支柱受风力负载:接触线距基础面高度:承力索距基础面高度:支柱一半高度:②计算过程在实际应用中需要考虑一定的预量：。所以所选中间柱符合要求。(2)转换柱校验转换柱选用，以9号支柱为例，左右跨距为55m。下锚支接触线产生的下锚力：下锚支承力索产生的下锚力：支柱总的力矩为：在实际应用中需要考虑一定的预量：，所以所选中间柱符合要求。(3)下锚柱校验下锚柱选用，以73号支柱为例，左右跨距为55m。支柱总的力矩为：在实际应用中需要考虑一定的预量：，所以所选支柱符合要求。第4章吊弦计算吊弦是链形悬挂的重要组成部件之一，接触线通过吊弦挂在承力索上，调节吊弦的长度可以保证接触悬挂的结构高度和接触线距轨面的工作高度，增加了接触线的悬挂点，提高电力机车受电弓的取流质量[8]。4.1基本条件分析简单链型悬挂的基本图如图4-1所示，从图的几何关系中可以看出，当等于零时，即为等高悬挂，否则不管是正还是负，都为不等高悬挂。在本文的计算推导中，我们作了以下的假设条件：图4-1简单链型悬挂的基本图承力索及接触线为理想的柔软索，只能承受沿其轴线方向的拉力，忽略其刚度的影响(接触线及承力索细长比很大，可忽略其刚度)；承力索及接触线自身质量沿X方向均匀分布，在受力分析时考虑其数值，但不再画出其分布图；每根吊弦的质量由两部分组成：固定质量(吊弦的上下线夹、紧固螺栓、基本接头质量总和)及长度质量(随吊弦长度变化而改变的质量，若每根吊弦质量为确定数值，则长度质量为零)；不考虑预留弛度(基本不使用预留弛度)。4.2参数说明——跨距 ——结构高度——左右定位点高度差 ——接触线张力——承力索张力 ——接触线线密度——承力索线密度 ——吊弦线密度——吊弦固定质量 跨距结构高度H=1.7m 承力索张力接触线张力 承力索线密度接触线线密度 吊弦的固定质量吊弦线密度 定位点高度均匀布置7根吊弦4.3计算内容(1)由设计参数确定每根吊弦的x坐标值，即(=0)按设计规范要求及吊弦均匀条件求得0、4、11、18、25、32、39、46(2)第根吊弦相对接触线左定位点的高度值 (4-1)0、0、0、0、0、0、0、0(3)计算每根接触线上吊弦处的悬挂力 (4-2)7.425、9.45、9.45、9.45、9.45、9.45、7.425(4)承力索在第根吊弦上产生的拉力 (4-3)式中首次计算，7.455、9.48、9.48、9.48、9.48、9.48、7.455(5)计算承力索左支点的支反应力为 (4-4)计算得(6)承力索Y坐标指的是承力索上各点相当于承力索左侧悬挂点A的位移值(如图4-2)，计算承力索每根吊弦处 (4-5)-0.1113、-0.2594、-0.3482、-0.3777、-0.3480、-0.2590、-0.1108图4-2第i根吊弦左侧承力索受力图(7)计算接触网线上每根吊弦的长度 （4-6）1.5887、1.4406、1.3518、1.3223、1.352、1.441、1.5892当跨距为55m时，均匀布置7根吊弦，同理可得每根吊弦的长度为：1.5899、1.4504、1.3621、1.3309、1.362、1.451、1.5941。根据《高速铁路设计规范（试行）》11.5.3（5）：结构高度宜选用1.6m，速度在250km/h区段，最短吊弦长度不小于500mm。本设计中吊弦完全满足要求。第5章锚段及锚段关节接触悬挂中的承力索和接触线在延续到一定的长度后，为了满足机械受力方面的要求及方便施工，必须分成为一个个相互独立的线段，这些相互独立的线段即为接触网的机械分段。接触网进行机械分段的线段称为锚段，相邻两个锚段的衔接区段(重叠部分)称为锚段关节。锚段关节的设置，使接触网不间断地贯通于全线[9]。5.1锚段的划分根据《高速铁路设计规范(试行)》11.5.6：正线接触网锚段长度不宜大于2×700m，隧道内不应大于2×700m。接触网锚段长度应根据补偿的接触线和承力索的张力差、补偿器形式以及补偿导线的高度等综合因素确定。接触线、承力索的张力差均不得大于其额定张力的±10%，并应符合下列要求：(1)正线双边补偿时的最大锚段长度，一般情况不宜大于2×800m。困难情况下不宜大于2×900m。单边补偿的锚段长度应为上述值的50%。(2)站线最大锚段长度一般不宜大于2×850m，困难时不宜大于2×950m。自动张力补偿装置可采用滑轮组或棘轮方式，补偿装置的补偿效率不应小于97%。(3)对于时速为200~250公里客运专线，正线区段接触网锚段长度不宜大于2×700m。(4)单线电气化区段，宜在车站的一端(以电源侧为最好)设绝缘锚段关节；并应装设隔离开关。(5)双线电气化区段，应能满足上下行分别停电、检修安全、实现V形天窗、方向行车的要求，按V形天窗的停电范围设绝缘锚段关节。并装设负荷开关或消弧电动隔离开关，纳入远动控制为宜。(6)绝缘锚段关节的设置可不受站场信号机位置的限制，但其转换柱的位置应设在最外道岔岔尖50m以外。(7)在有几个电气化车场的车站上，宜将每个车场单独电分段。(8)装卸线、旅客列车整备线及机车整备线，均应单独电分段，并在该处装设带接地刀闸的隔离开关。(9)路外专用电化线路应单独电分段。(10)封闭的水鹤、到发线、安全线、牵出线、机车走行线等，不宜设接触网电分段。5.2锚段关节锚段关节分为三种：仅起机械分段作用的称为非绝缘锚段关节，该处相邻的两个锚段在电气上是连通的；不仅起机械分段作用，同时又起同相电分段作用的锚段关节，称为绝缘锚段关节；带有中性嵌入段，既起机械分段的作用，又具有电分相功能的，称为电分相锚段关节。根据锚段关节所起的作用，可分为非绝缘锚段关节、绝缘锚段关节及电分相锚段关节。根据所含跨距数可分为二跨、三跨、四跨、五跨、七跨及九跨式锚段关节。所谓三跨式锚段关节，就是锚段关节内含有三个跨距，其余类推。根据《高速铁路设计规范》11.5.6：锚段关节宜采用四跨或五跨形式。五跨绝缘锚段关节是锚段关节中含有五个跨距，主要在时速为160km以上电气化线路中应用。在站场与区间的衔接处，采用五跨绝缘锚段关节。5.2.1五跨绝缘锚段关节对于时速为200～250公里客运专线，锚段关节宜采用四跨或五跨形式。在高速接触网中，一般以四跨非绝缘锚段关节和五跨绝缘锚段关节为主。设置五跨绝缘锚段关节的主要目的是为了改善受电弓通过绝缘锚段关节的受流条件，将四跨绝缘锚段关节中性点过渡(在中心柱定位点处)改为五跨绝缘锚段关节的线过渡，锚段关节转换跨内的两支接触线为抛物线线型，从而避免了采用“整个转换跨内两支接触线等高”时，在两根转换柱的定位点处，受电弓同时接触两支接触线，形成硬点，也避免了由于动态接触压力的作用，受电弓不得不划过转换柱处的接触线折线处。五跨绝缘锚段关节的技术条件为：在锚段关节内，两组悬挂间的有效绝缘距离须大于450mm，在靠近下锚侧的两转换柱内，两悬挂在水平面内投影平行，且距离应保持450mm，在靠近下锚侧的转换柱处，两组悬挂的垂直距离应在550mm以上，在中心跨的两转换柱处，两组悬挂的垂直距离应保持150mm；两工作支的等高点应位于中心跨中间，等高处的接触线高度应高出标准导高40mm。如图5-1所示。图5-1五跨绝缘锚段关节5.2.2七跨电分相锚段关节对于高速电气化线路，其电分相已不能用常规带有绝缘滑条式的电分相装置，因为常规式电分相装置动态特性差，在实际应用中会在电分相处形成一连串的硬点，不仅会造成接触线磨耗加剧，而且严重时，会形成火花甚至拉弧，烧损接触线。当然，对高速运行的受电弓也会造成危害或烧伤。因而，对于160km/h以上的很高速及高速电气化铁路，电分相都采用锚段关节的过渡形式。以锚段关节的形式实现过电分相，使在高速运行时，受电弓平稳，保证设备良好运行及受流质量。七跨电分相锚段关节的结构如图5-2所示。从图中可以看出，七跨锚段关节加入一个七跨长的中性嵌入线，中性嵌入线保证在中间5个跨距内是绝缘的。该中性嵌入线从左侧的3处变为工作支，到右侧6处开始拾升，变为非工作支，有三个跨距长度处于工作状态，可保证约有100-150m长度的中性区。图5-2七跨电分相锚段关节第6章补偿装置的选取6.1补偿装置方案的选择补偿装置，它是装在锚段的两端，并且串接在接触线和承力索内，它的作用是补偿线索内的张力变化，使张力保持恒定[8]。接触网补偿装置按结构分类为滑轮组补偿装置、棘轮补偿装置、恒张力弹簧补偿装置、液压补偿装置等四种，在我国铁路以上四种结构的补偿器均有采用。从以上几种补偿装置比较，各有优缺点。滑轮组补偿张力恒定，且传动效率高，特别是无油润滑免维护滑轮被广泛采用；棘轮补偿装置补偿张力不恒定，且传动效率低于滑轮，但断线制动功能优越；弹簧补偿体积小，补偿精度略低，适宜于小锚段及隧道等处所；液压张力补偿器替代传统的坠砣方式，补偿精度能满足规范要求，尤其适用于隧道内及其它低矮狭窄净空条件下安装使用，亦可用于一般条件下接触网自动张力补偿，但存在漏油造成补偿性能下降，失去补偿作用后较难恢复。综合考虑本设计采用滑轮组补偿装置。补偿器由补偿滑轮、补偿绳、杵环杆、坠砣杆、坠砣块及连接零件组成。补偿滑轮分为定滑轮和动滑轮(构造相同)，定滑轮改变受力方向，动滑轮除改变受力方向外还可省力和移动位置。滑轮一般都装有轴承。半补偿时，滑轮组的传动比为1:2，即坠砣块的重力为接触线标称张力的一半；全补偿时，接触线与承力索两端均带补偿器，接触线补偿器的安设与半补偿相同，承力索补偿器则采用三滑轮组式，传动比为1:3。补偿形式如图6-1所示。图6-1全补偿链型悬挂滑轮组补偿装置6.2补偿装置的计算对于全补偿链形悬挂，不仅在接触线下锚处设有补偿装置，在承力索两端也设有补偿装置，因此，可以近似地认为接触线张力和承力索张力均近似为常数(不考虑因温度变化形成的张力增量)。在温度变化时，接触线、承力索虽然也伸长(或缩短)，由于设有补偿器，它们的张力不受温度变化的影响，其弛度也可认为与温度变化无关(实际受张力增量的影响，弛度也会有相应变化)。全补偿链形悬挂，在无附加负载(覆冰)时，认为接触线呈无弛度状态，此时承力索弛度可由式(6-1)决定 （6-1）式中，——锚段内的实际跨距值(m)；——承力索换算张力(kN)；——承力索最大许用张力(kN)；——链形悬挂合成自重负载(kN/m)；——链形悬挂换算负载。全补偿链形悬挂承力索弛度，在跨距一定时，由悬挂的负载和承力索张力决定。在常温下，若不考虑冰、风等附加负载的影响，和均近似地被认为是常数，而承力索弛度是不变的，但它的大小由补偿器给定的承力索张力决定。链形悬挂的自重力负载：本设计中锚段内跨距的标准取值有=50m，55m。由此可得0.3778m，0.4573m。随着大气温度的变化，承力索和接触线会发生线性伸长(或缩短)。为了不使承力索和接触线在最高温度时，因补偿器坠砣着地而失去补偿作用及在最低温度时补偿装置因卡住滑轮而发生事故，一般根据锚段长度的不同，计算出在极限范围内坠砣串的安装高度，称为全补偿链形悬挂坠砣安装高度曲线。安装曲线通常是受上端和下端两端控制，由于我国疆域辽阔，南北方的极限温度的温差较大，一般在北方由上端控制，计算出的安装距离(坠砣顶部至滑轮组)；在南方由下端距地面的安装高度控制，其安装曲线是表示坠砣串底部至基础面(钢筋混凝土支柱为至地面)的高度，计算公式为 （6-2） （6-3）式中，——坠砣串底部至基础面(或地面)的最小允许距离(m)；——坠砣串顶部至滑轮组的最小允许距离(m)；——半个锚段的长度(m)；θ——新线延伸率，承力索取,接触线取；α——承力索或接触线的线胀系数()；——补偿滑轮传动比。式6-2和6-3参数说明：规定、的最小值、一般为0.3m；补偿滑轮传动比接触线取为2，承力索的取为3；线索的线胀系数取为α=/℃；在本次设计中，区间四个锚段，长度分别为1385m,1225m,1165m和1325m，所以取为它们的一半；由原始资料中可以知道安装温度=-10℃。所以由式6-2和6-3可得：(1)接触线的a、b值：①当锚段长度为1385m时：②同理当锚段长度分别为为1225m,1165m和1325m时：。(2)承力索的a、b值：①当锚段长度为1385m时：②同理当锚段长度分别为为1225m,1165m和1325m时：第7章结论与展望7.1结论本次毕业设计严格按照电气化铁道设计规范，完成了区间接触网的设计。通过对接触网基本结构的了解，依据接触网设计的一般技术原则，按照区间接触网设计的步骤，结合国内外接触网运行的新技术和新设备，设计出适合高速列车运行的接触网。尽管接触网设计的技术参数和设备选型都符合高速列车运行的要求，但还有许多有待改进的地方：(1)此次设计只是停留在理论上，不能像国外那样用计算机进行接触网的仿真模拟。(2)由于国内高速电气化铁路正处在发展阶段，高速接触网的资料还不是很全，因此此次设计有关设备及参数的选取是按照普速设计的。(3)本次设计由于缺乏相关经验和资料掌握的不是很完整，对现场的一些情况做了理想的假设，对某些部位只做了简单的介绍甚至有的没有涉及到。7.2展望接触网是一个复杂的系统，要想设计好还需要大量理论的学习和实践经验的积累。本次设计中有某些需要改进的地方，如张力补偿装置可以改为棘轮补偿，这样的话断线制动功能更优越，但会增加成本。支柱可以改选为钢柱，虽然建造成本会提高，维修工作量大，但是有强度高、安装运输方便等优点。参考文献[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].西南交通大学出版社.2003.[2]中华人民共和国行业标准.高速铁路设计规范[M].中国铁道出版社社.2010.[3]铁道部电气化工程局电气化勘测设计处．电气化铁道设计手册—接触网[M].北京:中国铁道出版社,1983.[4]李伟.接触网[M].中国铁道出版社.2011.[5]董昭德.接触网.中国铁道出版社.2010.[6]接触网运营检修与管理[M]．北京:中国铁道出版社,2002.[7]接触网零部件手册[M].北京:中国铁道出版社.[8]昌月朝.简单链形悬挂吊弦长度计算方法.铁道机车车辆[M].1998.[9] 刘丽.接触网补偿装置的种类与应用[J].电气化铁道,2004(5):35-36.[10] 于涤.高速接触网受流的理论分析[J].北京:铁道学报,1998.[11]F.Kiessling,R.Puschmann,A.Schmieder,E.Schneider,ContactLinesforElectricRailways[M],SecondEdition,PublicisPublishingHouse,2009,Germany.[12]AlbertoGarcia,

CarlosGomez,

RubenSaa,

FelixGarcia-Carballeria,

JesusCarreteroTransportation[M],ResearchPartC:EmergingTechnologiesVolume28,March2013,Pages1–14附录A外文资料翻译A.1英文Optimizingtheprocessofdesigningandcalculatingrailwaycatenarysupportinfrastructureusingahigh-productivitycomputationaltoolabstractTheprocessofdesigningandcalculatingrailwaycatenaryinfrastructure,asthewayitiscarriedoutcurrently,isverycomplexandtimeconsuming.Itisnecessaryexpertknowledgeofdifferentfields,likedesignandstructuralcalculus,technicalsecurity,legalnormative,topography,etc.Thisprocessconsistsofseveralstagesaimedatchoosingadesign,checkingrequirements,andcalculatingstructuralfeasibility,sothecommunicationamongtheexpertsmaybequiteslow.Inordertoreducetimeandeffortinvestedinthisprocess,weproposeasystemthatallowstoautomateitsstagesandtasks.Oursystemprovidesavalidsolutionperstructure,thatcomplieswithdesignandstructuralconstraints,andwithexistingrailwayregulations.Theproposedsystemhasbeenintegratedinahigh-productivitysoftwaretool,thatavoidshumanmistakesduetohand-calculation,allowsusersafastdesignandcalculation,andexploitstheabilityofcurrentcomputerstoruntasksconcurrentlysoastospeeduptheprocess.Besides,thetoolisevaluatedthroughastudycasebasedonarealrailwayroute,obtaininganoverallimprovementof82.33%intimeinvestedovertheexistingprocess.Keywords:Railwaycatenaryinfrastructure,Designandstructuralcalculus,OptimizationHigh-productivitytool1.IntroductionSincethemid-20thcentury,railwaycompaniestendtodeployoverheadlinesasamechanismtosupplyenergytoelectriclocomotives(Ross,1971;Grieve,1956).Clemow(1972)showsthatelectrictraction,andinparticulartheuseofthecatenary,hasseveraladvantagesoverdieselandotherkindsoftraction,asitperformsahigherpower-to-weightratio,resultinginafasteraccelerationandahigherpracticallimitofpower.Electriclocomotivesdonotdependoncrudeoillikefuel,sorailwayelectrificationsystemshavelessimpactontheenvironment.AsÅkerman(2011)states,specificgreenhouseemissionsconcerningpropulsionandfuelproductioninelectrictrains,willbelowerthanemissionsfromotherkindsoftraction.Overheadlineshaveanadditionaladvantageoverotherground-levellocatedsystemsthatsupplyenergy:theformermechanismisbothsaferintermsofaccidentalcontactsofpeopleoranimals,andhavefewervoltagerestrictionsthanthelatterone,owingtotheelevationovertheground.Thisfactallowsrailwaycompaniestousepowerfullocomotivesandmoretrafficoverthetracks(seeHartland,2008;MontesinosandCarmona,2007).Inspiteoftheadvantagesofusingoverheadlines,theirdeploymentalongtherailwaytracksisaverycomplexdesignprocess.Thiscomplexitycanbeanalysedfromfourdifferentperspectives.Firstofall,manyelementshavetobeconsideredsoastoelectrifyatrackstretchofseveralkilometresinlength.Theoverheadcontactline,hereinafteralsocalledcatenary,isassembledconsideringarangeofspansofabout60minlength,normallybetween15and20(MontesinosandCarmona,2007).Ifeachofthemissupportedbyapairofpoles,morethan30polesperkmintwo-waystandardtracksareneeded.Atrailwaystations,thenumberoftracksisincreasedandthespaceislimited,sopolesarereplacedwithportalframes,thusallowingsimultaneoussupportformultipleclose-locatedcatenariesthroughasinglestructure.Asanexample,Fig.1illustratesthehighnumberofportalframesinarailwaystation.Secondly,thedeploymentprocessinvolvesseveralcomplexandcriticaltasks:1.Placingstructuresalongthetrackstretches.Thismayincludeagroundprojectionoftheelementsandananalysisofgeographical,climatic,andterrainconditions.2.Designingsupportelements,likepolesandportalframes,inordertowithstandthemaincatenaryinfrastructurecomponents(wiresandcantilevers).Moreover,thesesupportingelementsmustdealwithextremeconditions,likestrongwindsandiceoverload.Thirdly,therearemanyexpertsthattakepartinthedesignprocess(DeBruijnandVeeneman,2009).Everypreviouslymentionedtaskrequiresknowledgefromdifferentfields,suchastopography,architecture,structuralcalculusanddrawing.Moreover,technicalsecurityandlegalnormativehavetobeconsideredthroughouttheprocess.Therefore,everytaskisassignedtoadifferentexpertofeachfield.Fromthispointofview,thecomplexityofthedesignprocessliesinthevarietyofknowledgesources,anditbecomesworseduetothedifficultyandslownessofcommunicationamongalltheexperts.Fourthly,astheexpertstakingpartintheprocessbelongtodifferentcompanies,therailwaycompanymustdealwithseveraloutsourcedenterpriseswithinarailworkproject.Thisfactresultsinahardcommunicationamongthem,becauseeverycompanyhasitsownorganization,interoperabilityprotocols,andinterfaces(PanettoandMolina,2008).Moreover,whenconcerningacrosscountryproject,severalrailwaycompaniesgetinvolvedinit,socompatibilityissuesmustbetakeintoaccount(MidyaandThottappillil,2008).Thepaperisorganizedasfollows.Section2describesthestagesinvolvedinthedesignprocessofdeployingoverheadlineswithinaproject.InSection3,thealgorithmtodesignandcalculateasinglecatenarysupportstructureispresented.Section4presentsthehighproductivitysoftwaretooldevelopedtoperformthewholedesignprocessefficiently.Section5analyzesthetoolperformanceofresolvingmultiplecatenarysupportstructures.Section6includessomeresults,validations,anddiscussionsaboutthetool.And,finally,Section7showsthemainconclusionsofthepaper.2.TheprocessofdesigningandcalculatingtherailwaycatenaryinfrastructureThedesignandcalculationoftherailwaycatenaryinfrastructureisaverycomplexprocess,asitisdescribedinKiesslingetal.(2009).Itinvolvesseveralstagesthatneedtobeaccomplishedinordertoobtainavalidsolution.Everystageoftheprocessrequiresspecificknowledgefromdifferentfields,sothatdifferentexpertshavetotakepartinit.Theseexpertsusuallybelongtodifferentoutsourcedcompanies,thatmustdealwiththerailwaycompanysoastoagreeontherequirements,costs,quality,securityandtechnicalaspects,andlegalissues.Inthissection,wepresentthestagesofthisdesignprocesswithfurtherdetail,basedonthreesources:railwaycompanyexperts,thedesignplanningprocessdescribedinKiesslingetal.(2009),andpreviousworks(Carreteroetal.,2003;Saaetal.,2012).Fig.2showsallthestepsastheyarecarriedoutcurently,andtheexpertsinvolvedineachone.Asmaybeseen,severalrapportshavetobeestablishedbetweenthedifferentexperts.–Themanagerofarailworkprojectasksforthedesignoftherailwaycatenaryinfrastructure.Hemustdefineseveralrequirementslikethegroundfeatures,theheightofthecatenarypoints,andhowandwherethecatenariesareheld.Thisdefinitionissenttothedesignengineer.–Thedesignengineerprovidesapossibledesignsolutionforeverystructurewithintheproject.Eachonemustbevalidfromageometricalpointofview.Atthisstage,manyelementsbelongingtotherailwayinventory(foundations,poles,lintels,cantilevers,wires,etc.),havetobeconsideredsoastogeneratepossiblecombinationsthatfittherequirementsspecifiedbytheprojectmanager.Whenconsultingtheinventorythroughtherailwaycompany,theaimistoprovideminimumcostdesignsolutions.Costsaredefinedbyweight,typeofmaterial,andmanufacturingefforts.Allthecombinationsthatcanbeproposedmaketheprocessmorecomplexandmoreexpensive,becausespecificknowledgeforthedesignexpertspartisneeded.–Atthispoint,arapportbetweentherailwaycompanyandthedesignoutsourcedcompanyisestablished.Thesolutionsprovidedbythedesignengineermustbecheckedsothatexistingrailwayregulationsareensured,andsecurityandtechnicalaspectsarefulfilled.Therefore,ifadesignsolutionforastructureisnotvalid,itisdiscardedandanotheronemustbeadoptedfollowingthepremiseofminimumcostdesign.–Onceeveryvaliddesignsolution,compoundedofspecificcomponentsfromtherailwayinventory,hasbeenprovided,therailwaycatenaryinfrastructureisanalysedfromastructuralperspectivebythestructuralengineer.Effortsanddisplacementsarecalculatedinordertochecktheresistanceofthematerials,i.e.,thestructuralfeasibilityofthewholestructure.ThetaskofcalculatingarailwaycatenarysupportstructureusuallyreliesonDSMtoknowitsstructuralbehavior.Therefore,amodelconsistingofasetofbarsinterconnectedatnodesisnecessary,wherealltheloadsaffectingthestructureareincluded.Weovercometheformerproblemsbydevelopinganalgorithmthatallowstoautomatetheprocessofdesigningandcalculatingarailwaycatenaryinfrastructure.Thealgorithmincludesallthestepsdescribedsoastoprovideasolutionthatisgeometricallyandstructurallyfeasible,cost-effective,andcompliantwiththeexistingrailwayregulations.Thealgorithmisimplementedinasoftwaretool,whichislinkedtotherailwayinventory.3.DesigningandcalculatingasinglecatenarysupportstructureIntheprevioussection,wehavepresentedtheprocesscurrentlyusedtodesignandcalculaterailwaycatenaryinfrastructure.Anautomationofthisprocesswouldreducethetimeinvestedinachievingavalidsolution.Regardingtheelementsoftherailwayinventorythatareusedintheprocess,theaimistofind:–Avaliddesignforallthecantilevers,polesandlintels,cateringforthegeometricconfigurationofthecatenariesheldbythestructure.–AfeasiblebarassemblyofpolesandlintelsaftercalculatingtheirstructuralbehaviorthroughDSM.–Avalidchoiceforeveryfoundation,consideringitsoverturningandsubsidenceresistance.Threemainproblemsarisefromthisdesignandcalculationprocess.Firstly,thedesignedstructuresareveryheterogeneous,i.e.,theyhavetheirowncharacteristicsandconstraints,withregardtothetrackroute,thecatenariestobeheld,thehypothesisofloadcasesthatareused,ortheconstructionregulations.Thisproblempreventsdesignandstructuralengineersfromdevelopingasinglecommonsolution.Secondly,applyingDSMisatime-consumingtask,becauseitrequiresalargenumberofoperations.Ontheonehand,thecatenarysupportstructuremustbemodeledasasetofbarsinterconnectedatnodes.Thewaytoobtaineffortsanddisplacementsatanypointofthestructureconsistsofresolvingasetofequations,generatedfromthestiffnessmatricesofthebars,andtheloadsaffectingthestructure.Ontheotherhand,feasibilityverificationformulaswithsafetycoefficientsspecifiedbytherailwaycompanymustbealsoconsideredinordertoresolvethewholestructure.Finally,themorecomplexisthestructure,themoreoperationsmustbeperformed.Thirdly,dependingontheinventorysizewhichthesystemislinkedto,thesetofcombinationswhereafeasiblesolutioncanbefound,maybeverylarge.LetItheinventorythatcontainstheconstructiveelementsusedtoassembleastructure.I={LjPjFjC},whereL=isthesetoflintelsincludedintheinventory,P=isthesetofpolesincludedintheinventory,F=isthesetoffoundationsincludedintheinventory,andC=isthesetofcantileversincludedintheinventory.LetWtheplannedproject.Wcontainsanumberofstructures,W=.Asinglestructureisdefinedby,whereisthenumberoflintelsinthestructure,isthenumberofpolesinthestructure,andalsothenumberoffoundations,andisthenumberofcantileversthatsupporttheoverheadlinesattachedtothestructure.Thenumberofpossibleassembliesforallthecantilevers,poles,andlintelsin.4.HighproductivitycomputationalsoftwaretoolAsoftwaretoolhasbeenimplemented,soastoautomatetheprocessofdesigningandcalculatingrailwaycatenarysupportstructures.Thetoolisorientedtothecomputer-aideddesignofrailwayinfrastructures.Throughauser-friendlyinterface,usersareabletodesignrealrailworkprojectsindetail,definingandmodifyingtheelementsthatareplanned(lengthanddirectionoftrackstretches,typeandmechanicaltensionofoverheadwires,catenaryheight,cantilevers,polesandportalframesandtheirlocationalongthetracks,etc.).Then,ourtoolgathersalltheinformationrelatedtoeachcatenarysupportstructureintheproject,anditisabletoperformitsdesignandcalculation,allowingforstructuralconstraintsandnormativeregulations.StructuralcalculusiscarriedoutthroughDSM,thatisimplementedwithinourtool.Moreover,itworkswiththerailwayinventory,sothecomponentsandmaterialsofitsstocklistareincludedandconsidered.Sincethetoolisdesiredtobeinteractive,usersarealwaysinformedabouttheresultsobtained,whetherafeasiblesolutionisachievedornot.Ontheonehand,ifafeasiblesolutionisachieved,theassembledstructureispresentedshowingthefollowinginformation:–ACADdrawing,includingtheelementsthatcompoundthestructure.Fig.4showsanexampleofatrussportalframethatleansontwobeampoles.Theuserisabletoidentifythespecificcomponentsperelementthatwereusedinthesolutionobtained.Besides,sincerealcomponentsareusedandawell-designedstructurewithrealmeasurementsisprovided,theCADdrawingcanbedeliveredtothecompanyinchargeofthebuildingstage.–Numericalresultsofthecalculationprocessarealsopresented.Userscanaccessdetailedinformationatanypointofthemodeledbars:axialandshearstresses,bendingmoments,anddisplacements.Theirmaximumandminimumvaluesarealsoobtainedandlocatedatspecificpointsintheassembledstructure,sothatuserscananalyzeitsstructuralbehavior.Besides,differentdiagramsarealsousedtorepresentgraphicallythesenumericalvalues,asmaybeseeninFigs.5and6.–Overturningmomentsandcompressionforcesoffoundationswherepolesareembeddedin.–Tensionofthewiresusedtoholdthelintelsunderafeasibledeflection.Theirlocationsalongthelintelarealsoprovided.5.ResolvingmultiplecatenarysupportstructuresTheremaybeseveralhundredsofrailwaycatenarystructuresperprojectwithheterogeneousdesignfeatures.AnewextensionoftheResolveStructurealgorithmallowsengineerstodesignandcalculateasmanysinglestructuresastherearewithinaproject.Algorithm2showsthepseudocode.Dependingonhowcomplexasinglestructureis,thealgorithmdevelopedtoaccomplishthedesignprocessmayrangefromsecondstoafewminutes.So,concerningthecomputationalcomplexity,thehigherthenumberofcatenarysupportstructureswithinaproject,thegreaterthecomputationaleffortforacomputer.Inordertocopewiththisissue,weproposeanewapproachthatexploitstheabilityofcurrentcomputerstoruntasksconcurrently.Recently,thenumberofcoresincomputershasbeenincreasing,sodifferentdesignprocessesmightbefulfilledindifferentthreadsatthesametime,thusoptimizingtheoverallperformance.6.ResultsanddiscussionThegeographicallocationofthestudycaseisdescribedinCarreteroetal.(2003).Itincludesonerailwaystationwith2kminlength,followedby25kmofatwo-waytrack.Inordertocarryoutthestudy,allthetrackstretchesmustbeelectrified.Therefore,followingdifferentnormative(AENOR,2009;MontesinosandCarmona,2007;UIC,1981),acatenarysupportelementisdeployedevery50m.Polesareusedoneachsidealongthe25kmofthetwo-waytrack.