2017年1月 第1期(总220)铁道工 程学报 Jan 2017 JOURNAL 0F RAILWAY ENGINEERING S0CIETY NO.1(Ser.220) 文章编号:1006—2106(2017)01—0102—04 接触网工程计算系统的适应性研究 刘 洋料 (中铁电气化(武汉)设计研究院有限公司, 武汉430074) 摘要:研究目的:接触网工程计算是电气化铁路接触网施工中的重要环节。从二十世纪八十年代开始,德国等 发达国家利用计算机技术研制了用于接触网施工计算的软件系统。近年来随着科学技术的不断发展,我国在 这方面的研究也有了长足的进步。但由于受接触网系统标准化的程度、计算机操作系统的换代等因素影响, 现有的接触网工程计算系统已不能适应多种不同技术条件下的应用需求,制约了施工作业效率的进一步提 升,亟需对接触网工程计算系统的适应性展开系统性研究。 研究结论:(1)研发的接触网工程结构计算的通用数学模型,可以解决目前国内主流装配结构、安装形式 (含引进技术)的计算问题;(2)利用GDI+技术,可以实现结果模拟校验及实时测绘功能;(3)软件能在目前 微软多种操作系统上安装运行;(4)可解决中心锚结、四跨、五跨以及分相锚段关节等特殊区段的精确计算问 题;(5)为计算系统数据接口提供了系统化的解决方案;(6)该成果主要应用于国内新建、改建电气化铁路接 触网安装作业施工计算。 关键词:电气化;接触网;工程计算;适应性;软件系统 中图分类号:U227.3 文献标识码:A Research on the Adaptability of Catenary Engineering Computing System LIU rang (Design&Research Co.Ltd of China Railway Electriifcation(Wuhan)Group,Wuhan,Hubei 430074,China) Abstract:Research purposes:Contact network engineering calculation is an important link in the construction of electrified railway contact network.From the beginning of the last century in the eighties,Germany and other developed countries have developed the software system for the constuctrion calculation of the contact network using computer technology.In recent years,with the continuous development of science and technology,our country has made great progress in this area of research.But as a result of the catenary system standardization degree,computer operating system upgrades and other factors,the catenary engineering of existing computing system has been unable to meet different application requirements under different technical conditions,constraints to further improve the operation eficiency of the constrfuction,it is urgent to contact network engineering computing system adaptability study. Research conclusions:(1)A general mathematical model for the calculation of the engineering stuctrure of the contact network is developed,which can solve the problem of the calculation of the main assembly structure and installation form (including the imported technology)in China.(2)Using GDI+technology,can be achieved simulation and real— time mapping function.(3)The software can be installed on the current operating system,such as Microsoft.(4)It can solve the problem of accurate calculation of center anchor span and five span,and phase anchor joint special section.(5)It can provide a systematic solution for the data interface of the computing system.(6)The results are mainly used in the construction of new and rebuilt electric railway contact network installation work. Key words:electrification;catenary;engineering calculation;adaptability;software system 收稿日期:2016—06—22 作者简介:刘洋,1968年出生,男,高级工程师。 第1期 刘洋:接触网工程计算系统的适应性研究 103 1接触网工程计算系统概述 接触网工程计算是接触网施工中必不可少的环 节,关系到项目的成本、工期以及运营等多个方面,意 第五,其他方面。研究软件的绘图技术及实时测绘 技术、零件矢量图库建立、数据输入输出方式改进等。 4接触网系统结构计算建模 4.1接触网系统结构分析 义重大。接触网工程计算系统(以下简称“计算系 统”)是一套用于电气化铁路接触网工程施工计算的 软件系统。计算系统主要用于支柱装配、整体吊弦及 软横跨等三个方面的计算。计算系统主要解决接触网 目前,我国电气化铁路接触网系统大致可分为国 内与国外两大技术体系。通过对国内已建和在建的电 气化铁路接触网各种类型支持及悬挂结构的特征情况 施工中计算过程复杂、工作量大、精度要求高等多方面 的技术难题。 2计算系统的国内外研究状况 在引进技术¨I2 中,以德国为主,由于其建立了较 为完善的标准化体系,计算软件作为标准化体系的组 成部分,已经成熟并固化。但缺点是软件只适用于该 套标准,若结构和参数发生变化,则其无法直接使用, 很难适合我国国情。 近年来,在国内,针对该项技术难题,很多企业和 机构都在不断地研究探索中,期间不乏有先进的技术 与成功的经验 ]。但总体来说,软件普遍缺乏适应 性,很多问题亟待解决:一是现有软件往往只能解决本 项目或者一种类型设计结构的计算,如遇新的项目则 需要重新设计或修改软件;二是不少软件将部分或全 部参数固化在程序中,虽然减少了数据输入工作量,但 如遇这些参数变化,软件将无法使用;三是软件计算功 能单一,不能同时解决接触网施工中的多项计算问题, 不能同时适应高速、普速以及改造项目等各种计算需 求等。 3计算系统的研究内容 通过调研,确定计算系统的适应性研究具体内容 如下: 第一,安装装配形式变化的适应性(包括特殊区 段)。主要研究目前国内主流装配结构及其发展趋 势,按特征合并装配结构类型,建立较为通用的数学模 型,主要解决通用性问题。 第二,零件参数变化的适应性。主要研究零件参 数变化内在规律,对计算相关的零件参数进行模块化 设计,以便更加方便、灵活地设置软件参数,主要解决 灵活性问题。 第三,操作系统的适应性。主要研究计算系统在 目前主流个人操作系统上的适应性问题,包括其配套 软件的适应性,主要解决可移置性问题。 第四,施工环境因素变化的适应性。主要研究包 括施工条件、操作人员等因素引起的项目技术条件变 化的软件适应性,主要解决软件的易用性问题。 进行分析,接触网系统结构形式主要表现如下: 在接触悬挂形式方面:大体上分为两类,即简单链 形悬挂和弹性链形悬挂。简单链形悬挂的代表线路有 京津城际、京广线、京沪线等,弹性链形悬挂的代表线 路有京沪高铁、武广高铁等。我国普速线路中一般均 采用简单链形悬挂形式。 在接触网支柱装配方面:基本上分为三类,即平斜 腕臂套管双耳连接的国内技术、平斜腕臂套管座连接 的德国技术和整体腕臂的日本技术。在普速线路中一 般以国内技术为主。另外,还有少部分线路采用法国 技术的支柱装配形式。 在接触网定位装配方面:有正定位、反定位及正、 反软定位,还有特型及非支定位,定位管有直管、弯管 等。 在支柱装配支撑方面:有单支撑,有双支撑,有管 型支撑,也有斜拉线,还有V型拉线;定位支撑位置有 固定在平腕臂的,有固定在斜腕臂的;支撑有定长度 的,有计算长度加工的等。 在软横跨方面:支柱形式上有钢柱和钢筋混凝土 柱;悬挂节点上可分为带定位立柱和不带定位立柱的, 还可按定位形式分为工作支定位、道岔定位、非支过 渡、锚段关节定位等。 4.2通用计算模型设计原理 根据以上分析,可将接触网结构计算分为支柱装 配、整体吊弦及软横跨3个大类来建模。为了让计算 系统更具适应性,将支柱装配分为14个子类,整体吊 弦分为21个子类,软横跨支柱节点分为12个子类,悬 挂节点13个子类,绝缘子节点8个子类。每个子类建 立独立的数学模型,若遇新的装配结构形式出现时,只 须添加相应的类即可完成计算系统的功能升级。下面 以设计图、项目实例进行计算建模简要介绍。 4.2.1支柱装配计算 支柱装配按结构形式分为双耳腕臂、套筒腕臂及 整体腕臂三类。每种类型又分为正、反、软及非支定 位;其对应的支撑形式也有所不同。在计算模型设计 中,腕臂、支撑及日式的定位装置采用纯几何建模,一 般定位装置采用力学与空间几何学建模相结合。以成 绵乐客运专线为例,支柱装配类型设计有167种,平斜 腕臂之间是套管双耳连接,是双耳腕臂类型。按照支 104 铁道工程学报 2017年1月 柱装配计算数学建模分类,其类型设计如表l所示。 表1支柱装配数学模型类型表 序号 数模代码 适用范围 1 SE1 直线正、曲内、外正定位等 2 SE2 直线反、曲内、外反定位等 3 SE3 曲外软定位等 4 SE4 直线非支、曲内、外非支等 5 SE5 曲内软定位等 4.2.2整体吊弦计算 以成绵乐客运专线为例,其正线一般采用带“V” 型拉线的弹性链形悬挂形式,曲线半径小于1 200 m 的区段及车站侧线一般采用带“V”型拉线简单链形悬 挂形式,锚段关节区域内一般不带有“V”型拉线。因 此,接触网悬挂点形式可以分为:简链、V简链、弹链、 V弹链四种。按数学模型设计分为10个子类型,这 10子类型同样也是上述整体吊弦21个子类型中的一 部分,其类型设计如表2所示。整体吊弦计算采用力 学计算法。 表2整体吊弦数学模型类型表 序号 左悬挂点形式 右悬挂点形式 数模代码 1 简链 简链 J1J1 2 简链 V简链 J1J2 3 简链 弹链 J1T1 4 简链 V弹链 J1 5 V简链 V简链 J2J2 6 V简链 弹链 _I2T1 7 V简链 V弹链 J2T2 8 弹链 弹链 T1T1 9 弹链 V弹链 T1 10 V弹链 V弹链 112 4.2.3软横跨计算 软横跨计算模块参照现有图纸设计,原则上软件 中节点类型尽量与图纸中的类型相吻合。但为了区分 图纸中的同一节点类型而结构形式、零配件组成等不 同的情况,增加了一些特殊节点形式(如直吊弦节点, 节点7中左、右及全立柱情况)类别,为区分瓷绝缘子 还是复合绝缘子,分别设置了多种类型的绝缘子节点 类别等,以满足现场灵活应用。软横跨采用负载计算 法,参照相关资料 。 4.3特殊结构模型设计原理 4.3.1 中心锚结处悬挂计算 接触线中心锚结线夹处张力的垂直分力是一个范 围值,最小值为0,最大值为该处两端接触线及中心锚 结线夹的归算重量之和,张力越大越利于中心锚结稳 定,在施工中取最大值较为合理。中心锚结处悬挂计 算包括吊弦长度、位置计算,接触线中心锚结绳长度、 位置计算等多项计算内容。 4.3.2锚段关节处悬挂计算 对各节点进行准确的受力分析,采用真实状态的 力学计算方法进行计算。根据文献[6],接触网悬挂 中承力索和导线的真实状态可认定为以吊弦点(或悬 挂点)划分的数量不等的分段“悬链段”,各悬链段之 间是集中载,并以此来建模计算。 5计算系统的适应性设计 为了保证软件计算速度及数据传输的可靠性,计算 系统设计为单机版,数据库采用MS ACCESS作为数据 库管理工具。开发工具选用Borland C十+Builder6.0, 用其开发的应用程序是32位,既可满足目前32位操 作系统,也可适用64位操作系统。为保证系统的可靠 性,程序设计时不采用第三方插件。 为了增强应用程序操作系统的适应性,开发工具 的安装及应用程序的架构均在目前主流的PC机操作 系统Windows7系统上进行。同时,应用程序分别移置 到WindowsXP、Windows Server2003、Windows Serv— er2008、Windows8、Windowsl0等目前比较普及的操作 系统上进行功能测试。 利用GDI+技术 7 3绘制接触网结构图形。GDI+ 是Windows操作系统的一个子系统,用该技术开发出 的应用程序与目前Windows操作系统之间不存在兼容 性问题。基于矢量的GDI+绘图技术,使得生成的接 触网结构图更加清晰直观,且不依赖于CAD软件,系 统部署更加简单,用户使用更加方便。 6计算系统的功能模块设计 根据系统分析,将新的计算系统分为支柱装配计 算、整体吊弦计算、软横跨计算、数据管理、系统帮助 等五大子系统,每个子系统又划分成若干个功能模块, 分别完成计算系统的各项功能,系统功能模块设计如 图1所示。 7计算系统应用的工艺流程 图2表明了接触网上部施工作业流程的基本顺 序,这是接触网施工应该遵循的一般规律。在实际施 工中,要注意各T序之间的数据接口关系,主要包括尺 寸数据和相关的技术工艺交底两个方面。其数据接口 关系如图3所示。计算工序与其他工序之间接口描述 如下: 第一,与钡4量工序之间。计算人员可以通过技术交 底形式与测量人员进行信息传递,测量人员需要明确测 量的范围、数据与现场对应关系及接口数据的内容及格 第1期 刘洋:接触网工程计算系统的适应性研究 lO5 式等方面的要求。同时测量人员应按计算人员的交底, 流程和注意事项,并能灵活应用,效率较以往有明显提 进行数据测量数据填报,完成后及时交计算人员。 图1计算系统功能模块 圈2接触网上部作业施工工艺流程图 图3接触网施工数据流程图 第二,与预配及安装工序之问。主要是指预配及 安装的相关尺寸数据及工艺要求,同时还包括预配安 装情况的及时反馈信息。 第三,检测结果反馈信息很重要,也就是要将预配 及安装检测的结果与设计及验收标准相比较,分析错 误和误差产生的原因,必要时要对计算系统的相关参 数进行修正设置。 8 结论 计算系统先后在厦深、成绵乐、兰新二线、兰渝线、 宁西线、海南西环线、娄邵线等多个项目投入应用。期 间针对计算系统的应用,在各项目部组织培训一次。 实践证明,技术人员能很快掌握新版计算系统的操作 升,成果应用实践还表明: (1)随着铁路建设的不断发展,接触网系统的结 构形式及现场技术条件变化层出不穷。通过对支柱装 配、整体吊弦及软横跨数学建模的通用化设计,可以增 强计算系统在装配结构变化方面的适应性。 (2)计算系统的应用是一项系统性的工程,必须 融人到施工作业的整体工艺流程中,通过应用实施配 套方案的建立,可以增强计算系统应用环境的适应性。 (3)锚段关节、中心锚结等均属接触网施工的关 键环节,应通过科学建模计算而非现场临时调整,方能 保证安装质量,提高作业效率。 参考文献: [1] Kie[31ing,Puschmann,Schmieder,等.中铁电气化局团有 限公司译.电气化铁道接触网[M].北京:中国电力出 版社,2004. 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