電氣化鐵路接觸網腕臂預配模擬計算技術應用研究

摘 要：【目的】在電氣化鐵路線路速度等級和接觸網安裝精度的要求下，接觸網腕臂多采用現場安裝后再進行人工調整的方式。為了提高接觸網腕臂的施工效率，需要對接觸網腕臂進行模擬計算。【方法】通過建立模擬計算幾何和約束模型，搭建接觸網腕臂模擬計算平臺，利用平臺對現場采集到的數據進行模擬計算。【結果】對模擬計算的結果進行核查無誤后生成模擬計算圖表。【結論】通過對接觸網腕臂進行模擬計算，能夠實現接觸網在各種工況下腕臂管件的精細化、高效化加工和一次性預配安裝，有效地降低了施工工期和成本，提高了安裝精度。

關鍵詞：接觸網腕臂；模擬計算；預配安裝

中圖分類號：U225" " "文獻標志碼：A" " " 文章編號：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

接觸網作為電力機車供電的重要固定設施，其工作狀態關系到弓網受流質量，直接影響列車運行的安全性和穩定性。目前，在國外高速鐵路建設項目中，接觸網的設計及施工均采用了精確預配的方式。即根據現場實際測量的數據，對接觸網腕臂及安裝位置進行精確的計算，保證腕臂零件可以按照計算結果準確拼裝，以便到現場后一次安裝到位，減少后期的二次調整，并確保接觸網安裝狀態滿足接觸網設計要求及列車運行要求［1］。國內傳統的接觸網腕臂預配技術，多為基于三角函數的幾何關系推導。該方法僅在一種工況下所涉及的公式及參數就種類繁多，不能直觀地顯示計算流程，不利于擴展運用于其他項目［2-3］。在普速鐵路及地鐵等項目中，因線路速度等級和接觸網安裝精度的要求，多采用現場安裝后再進行人工調整的方式［4-5］，而預配方式運用較少。

本研究對適用于不同線路等級的具有可視化、可擴展性的接觸網模擬計算技術進行了研究。該技術可在高速鐵路等各類電氣化鐵路中運用，不僅可以讓施工單位大幅提高鐵路接觸網零件的加工及施工精度，實現“省工、省料、省時”的目的，而且可以實現接觸網腕臂模擬的自動化設計，提升接觸網整體設計水平。

1 接觸網腕臂預配模擬計算原理

接觸網腕臂系統是一種具有多隨機變量的超靜定桁架結構。由于不同的腕臂所承擔的懸掛定位功能不同，且用于安裝接觸網支柱及腕臂的基礎位置在施工時可能存在誤差，因此為了確保接觸線準確定位，每套接觸網腕臂的零部件裝配尺寸及相互位置關系都是特定的。模擬計算是以現場測量數據為基礎，根據接觸網技術標準、設計原則及平面布置等要求，通過計算求出滿足定位要求的腕臂結構尺寸參數，從而生成腕臂零件裝配圖紙，用于指導腕臂的現場精確安裝［6］。

接觸網腕臂預配模擬計算模型由幾何模型和約束模型共同構成。幾何模型由基本的幾何元素構成；約束模型則建立了各幾何元素之間的相互關系。當輸入數據發生變化時，根據幾何模型和約束模型的共同作用來驅動接觸網腕臂預配模擬計算模型得到相應的結果。

1.1 幾何模型

接觸網模擬計算的幾何模型是根據接觸網腕臂的幾何尺寸建立的數學模型。幾何模型建立的基本原則是根據腕臂的結構和部分尺寸要求以及構成腕臂的零件尺寸等相關參數來構建幾何模型［7］。

在構建幾何模型前，需要按線路的設計標準確定模擬計算的基本工況。一般情況下，腕臂幾何模型可按以下的不同進行分類，并經組合后確定。按照接觸網腕臂的種類，可分為絕緣旋轉平腕臂結構和整體鋼腕臂結構；按照接觸網腕臂的用途，可分為中間柱腕臂、轉換柱腕臂及道岔柱腕臂等；按照接觸網腕臂在支柱上的安裝方式，可分為預留孔安裝方式和外抱安裝方式；按照接觸網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段、曲線區段等［8］。

除上述常見的分類外，根據線路存在的特殊工況，還應考慮隧道內及硬橫跨吊柱、站臺柱等特殊情況，以便對模擬計算工況進行更為細致的劃分，滿足模擬計算要求。在確定完模擬計算需要的各種工況后，便可在求解環境中建立坐標系和腕臂的幾何模型。

1.2 約束模型

接觸網腕臂預配模擬計算的約束模型是用來驅動幾何模型根據不同輸入數據進行數據計算的基礎。約束模型建立的基本要求是在滿足接觸網腕臂對接觸導線定位要求的前提下，對幾何模型中各幾何元素的長度、角度及節點的連接方式進行約束。

常用的幾何約束類型有平行、垂直、水平、鉛直、共線、相切等。在求解環境中應用上述約束類型時，應以兩軌面連線中心為坐標原點，由定位點開始往支柱側依次施加約束，保證在輸入數據變化時，被約束部分始終滿足定位要求［9］。

2 接觸網腕臂預配模擬計算平臺組成及功能

接觸網腕臂預配模擬計算平臺是一套分布式計算軟件。根據測量的原始線路參數和接觸網基礎資料，依據參數化計算模型計算出腕臂結構中各點的坐標，并通過加載相應零件的尺寸參數及工況相關數據進而推算出腕臂管狀零件的尺寸及其安裝角度。接觸網腕臂預配模擬計算平臺如圖1所示。由圖1可知，客戶端分為參數化計算模型、軟件界面、輸入數據及輸出圖形；服務端數據庫包括腕臂計算工況庫、零件參數庫、計算數據庫等。

2.1 參數化計算模型

參數化計算模型是一套幾何關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據，但部分尺寸開放且可在規定的數值范圍內自由調整。開放尺寸中有一部分的數據通過施工測量獲得，另外一部分的數據通過將開放數據輸入到參數化幾何模型中，驅動模型進行幾何關系運算而得出所需要的尺寸和坐標位置。軟件運行時，將根據輸入數據確定計算工況并調用相應的參數化計算模型進行計算。

2.2 軟件界面

模擬計算前需要先輸入線路名稱、區間名稱、區間代號等信息，隨后加載預配輸入數據進行約束計算繪圖并將腕臂預配模擬計算的圖表結果輸出到指定路徑。軟件可批量加載輸入數據文件進行計算。

2.3 計算工況庫

計算工況庫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、參數化約束模型名稱、零件代號及相關數據。

計算工況庫的建立：首先需要建立模擬計算工況索引編碼；其次建立幾何約束模型與模擬計算工況索引編碼之間的對應關系；再次根據模擬計算工況引用對應的零件尺寸索引編碼；接著建立每種工況下的接觸網零件安裝位置數據，用于確定腕臂上各種零件的相對位置關系；最后建立每種工況下的接觸網系統數據，用于描述接觸網設計的相關參數。

2.4 零件參數庫

零件參數庫包含了各種腕臂零件的代號、名稱、等級、尺寸、規范代碼等信息。

零件參數庫的建立：首先需要在接觸網安裝圖中查找零件；其次在零件圖中查找零件尺寸數據；最后創建零件數據庫并在其中建立零件尺寸數據的記錄。庫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。零件尺寸數據與零件尺寸索引編碼一一對應。

2.5 計算數據庫

計算數據庫包含了每一個支柱腕臂的輸入輸出參數信息及圖形存儲信息等所有的歷史計算數據，方便后續的查找和使用。

3 模擬計算方法及流程

腕臂預配模擬計算包括輸入工況數據、腕臂模型數據、接觸網零件數據及安裝工況數據。根據線路等級和接觸網技術標準要求，分別對上述數據進行配置，以便適用于各類項目。

3.1 輸入工況數據

輸入工況數據由腕臂模型數據類型庫中的接觸網測量數據及部分接觸網系統數據構成。其中所有數據均由施工單位根據現場實測數據填寫，包含支柱編號、支柱里程、曲線半徑、軌面寬度、外軌超高、側面限界、支柱傾斜率、底座高度、跨距等信息。輸入工況數據見表1。

3.2 腕臂模型數據

腕臂模型數據是腕臂幾何模型中各類數據容器的集合。在幾何約束求解環境中建立通用的腕臂幾何模型，工況數據模塊根據實際選用的工況和所使用的零件類型，將相關數據庫中的各類數據載入腕臂幾何模型的各數據容器中，檢查數據無誤后驅動腕臂幾何模型完成模擬計算。腕臂模型數據主要分為：外部測量數據、零件數據、零件安裝位置數據及接觸網系統數據等。

3.3 接觸網零件數據

目前電氣化鐵路接觸網零件按照《電氣化鐵路接觸網零部件》（TB/T 2075—2020）標準生產。各廠家生產的零件在主要尺寸上一致，但個別工藝尺寸存在差異。在腕臂預配模擬計算過程中，會調用大量不同類型、不同規格型號的接觸網零件，為了盡可能保證腕臂預配模擬計算結果準確，必須將廠家零件圖紙中的各類尺寸整理形成接觸網零件數據庫，并采用統一的索引編制原則，保證零件數據庫的可擴展性和復用性。為滿足上述要求，接觸網零件數據庫的索引原則需按照［接觸網系統］—［零件種類］—［零件規格］—［參數編號］的格式統一編號。

3.4 安裝工況數據

安裝工況數據在模型計算時起到整合各類型數據的作用。接觸網腕臂根據在錨段中的不同分布位置，其功能和結構形式是不相同的，并且腕臂采用的零件及尺寸形式也各不相同。不同類型的腕臂結構需要進行編號，該編號是腕臂數據模型計算過程中數據查詢的索引。每一個編號所對應的一組數據便是一種工況。為了將不同工況下各種腕臂結構形式和零件尺寸數據與接觸網系統數據對應起來，需要建立統一的工況數據庫。先梳理所有需要使用的腕臂結構類型并進行編號，再配置每種工況的腕臂模型數據。此外，工況數據中還包括零件直接安裝的配合尺寸、接觸網系統數據等。

3.5 計算流程

腕臂預配模擬計算時，首先，需讀取輸入工況數據表，根據其中的“腕臂安裝類型”調用對應的幾何約束模型，并在安裝工況數據庫中調用對應的工況記錄。隨后根據工況記錄中的零件尺寸索引編碼在零件參數庫中查找對應的零件尺寸數據；其次，將現場測量數據及零件尺寸數據加載到幾何約束模型中，驅動幾何約束模型生成模擬計算結果；最后，對模擬計算結果進行核查并生成模擬計算圖表，如果結果模型有誤，則重新檢查并計算。

腕臂預配模擬軟件的工作流程如圖2所示。

4 案例計算

以某線路支柱的腕臂預配模擬計算為例，具體說明腕臂預配模擬計算方法的運行過程。

①收集某線路中的接觸網安裝圖，對圖中的腕臂安裝類型進行分類，判斷該線路支柱的腕臂安裝類型，即為支柱工況。

②建立關于該支柱腕臂安裝類型的幾何約束模型，根據幾何約束模型中的尺寸約束關系建立腕臂模型數據庫。

③在接觸網安裝圖中查找所有類型的零件，根據查找到的零件尺寸數據建立模擬計算零件數據庫并記錄零件尺寸數據。

④根據支柱的工況及腕臂模型數據庫建立工況數據庫及工況記錄。

⑤建立輸入工況數據表，現場測量輸入工況所需的數據并導入輸入工況數據表。讀取輸入工況數據表中的數據，根據其中的腕臂安裝類型調用對應的幾何約束模型，并在安裝工況數據庫中調出相應工況的數據，根據工況數據在零件數據庫中查找對應的零件尺寸數據。

⑥將讀取到的現場測量數據和查找到的零件尺寸數據加載到幾何約束模型中，驅動幾何約束模型生成模擬計算結果。對計算結果進行核查無誤后生成模擬計算圖表樣例如圖3所示。

5 結論

本研究首先對接觸網腕臂預配模擬原理進行研究，建立模擬計算幾何模型及約束模型；其次搭建接觸網腕臂預配模擬計算平臺；最后對現場采集的數據進行模擬計算，生成腕臂預配模擬的結果模型。

本研究通過對接觸網腕臂預配進行模擬計算，能夠實現車站、區間內接觸網各種工況腕臂的精細化和高效化預配安裝，指導施工單位批量化完成腕臂各零件的加工并一次安裝到位，有效地節約了施工安裝的工期，提高了腕臂的安裝精度。

參考文獻：

［1］ 蔣先國，羅健，劉永紅，等.簡統化接觸網技術研究［J］.中國鐵路，2022（5）：7-11.

［2］ 馮燕，陳林，陳道琳. 鐵路電氣化接觸網腕臂預配計算［J］.電工技術，2013（10）：51-53.

［3］ 楊強. 武廣鐵路客運專線接觸網中間柱預配計算的分析與應用［J］.鐵道標準設計，2010（1）：187-189.

［4］ 樊桃，劉海斌，張飛. 基于智能化接觸網鋁腕臂預配平臺技術開發研究 ［J］.中國設備工程，2020（11）：28-31.

［5］ 何利江. 智能化接觸網腕臂預配技術研究及應用［J］. 交通世界，2021（18）：6-7.

［6］ 陳見.淺談接觸網懸掛安裝工藝模擬計算系統的數據結構設計［J］.通訊世界，2014（9）：7-9.

［7］ 黃仲，王江文，梅桂明，等.弓網運行條件下腕臂定位系統動態特性研究［J］.噪聲與振動控制，2020，40（5）：46-52.

［8］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.基于參數化幾何約束模型的腕臂預配方法：CN201610062534.6［P］.2016-01-29.

［9］陜西心像信息科技有限公司. 基于Revit實現接觸網腕臂預配的施工方法：CN202211436217.8［P］.2022-11-16.