CN115017746B - 一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，包括以下步骤：步骤1：根据接触轨的竖曲线数据和平面曲线数据，计算顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标；步骤2：根据设计信息数据和步骤1的计算结果，计算防爬器、端部弯头、鱼尾板、膨胀接头和悬挂点的顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标；步骤3：根据接触轨型号和步骤2的计算结果，计算出每个悬挂点的支座反力，两个相邻悬挂点挠曲线；挠曲线由集中外力挠度材料力学方程计算得到，支座反力由静力学力矩平衡计算得到。本发明针对平面曲线和竖曲线工况，额外考虑支座反力产生的接触轨挠度对动力学的影响，进一步提高了靴轨动态仿真的精度和实际的贴合度。

Description

一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法
技术领域
本发明属于轨道交通靴轨动态仿真领域，特别涉及一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法。
背景技术
基于在城市景观化、维修便捷以及雷电防护安全等方面的优势条件，城市轨道交通与市域轨道交通在接触轨授流方向仍具有重要的发展意义，精细化设计、状态化维修成为现在接触轨授流方式的重要发展方向，因此靴轨动态精确仿真成为了当前较为集中的研究对象。
现有国内外靴轨动态仿真集中在直线区段，反馈集电靴滑板部位的位移、加速度。车站与车站间的区间线路，大部分具有铅锤方向和水平方向的曲线要素，因为接触轨本体截面惯性矩较大，在曲线区间时接触轨与线路的跟随性变差，极易产生悬挂点支座反力和跨中挠曲线，尤其是在铅锤方向爬升率变化时，现有靴轨仿真模型搭建方法的结果与实际工况测量结果偏差越大，对“设计-施工-运维”过程的实施指导作用越差。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，利用接触轨在外力条件下，接触轨悬挂点高度的设计目标值与悬挂点支座反力大小的对应关系，显著提高仿真精度，降低施工、巡检维护、安全成本。
本发明采用的技术方案是：一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：根据接触轨的竖曲线数据和平面曲线数据，计算顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标；
步骤2：根据设计信息数据和步骤1的计算结果，计算防爬器、端部弯头、鱼尾板、膨胀接头和悬挂点的顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标；
步骤3：根据接触轨型号和步骤2的计算结果，计算出每个悬挂点的支座反力，两个相邻悬挂点的挠曲线；挠曲线由集中外力挠度材料力学方程计算得到，支座反力由静力学力矩平衡计算得到。
进一步的，步骤3中，集中外力挠度材料力学方程
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中挠度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为沿接触轨固定点的虚拟射线与接触轨计算点设计值的铅锤方向差值，E为接触轨弹性模量，I为接触轨截面惯性矩，l为单根接触轨长度，P为外力数值，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为计算悬挂点与固定点之间的距离,A为外力P距离固定点距离，B为外力P距离滑动支座距离，外力数值P由防爬器、端部弯头、鱼尾板和膨胀接头的重量组成，分别计算每个外力数值P引起的挠度，叠加形成整体的挠度
Figure 942227DEST_PATH_IMAGE003
；
计算第一根接触轨时，防爬器所在悬挂点定义为材料力学中的固定点，接触轨末端定义为材料力学中的滑动支座，固定点和滑动支座之间的悬挂点为计算悬挂点，形成简支梁结构，后续依次计算时，以上一根接触轨末端作为当前接触轨计算的固定点。
进一步的，竖曲线数据包括变坡点里程、切线段长度、前坡度、竖曲线半径；平面曲线数据包括曲线起始里程、曲线结束里程、前缓曲长、后缓曲长、平面曲线半径和外轨超高。
进一步的，步骤1的计算采用矩阵变化和曲线解析，
矩阵变化采用线性代数中的平移和旋转变换矩阵，
曲线解析包括平面曲线解析和竖曲线解析，
平面曲线解析采用缓圆曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和纯圆曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，其中，R为平面曲线半径，x为顺线路X坐标，y为垂直线路Y坐标，缓圆曲线和纯圆曲线的分界点作该点斜率的垂线，距离分界点距离为R的点坐标即为[a,b],得到a和b的数值，L为缓曲长度；
竖曲线解析采用直线
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和纯圆曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为竖曲线半径，k为前坡度，x为顺线路X坐标，z为铅锤线路Z坐标，直线和纯圆曲线的分界点作该点斜率的垂线，距离分界点距离为
Figure 369666DEST_PATH_IMAGE009
的点坐标即为[
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure DEST_PATH_IMAGE011
],得到
Figure 962715DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 314062DEST_PATH_IMAGE011
的数值，同时叠加平面曲线中超高的牛顿-拉格朗日非等距差值结果。
进一步的，设计信息数据包括防爬器位置、端部弯头型号、鱼尾板位置、跨距分布、膨胀接头位置和各部件重量，各部件为防爬器、端部弯头、鱼尾板和膨胀接头。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1.本发明针对平面曲线和竖曲线工况，额外考虑支座反力产生的接触轨挠度对动力学的影响，进一步提高了靴轨动态仿真的精度和实际的贴合度；
2.本发明采用适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，在准确反馈现场实际工况功能上，可扩展缺陷预测、系统参数修正，维护方案确认等功能；
3.本发明采用适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，具有提高设计、施工、运维技术水平和实施效率的有益效果，为靴轨授流向精细化设计、状态化维修提供了一种数字化辅助手段。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
本发明的实施例提供了一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，如图1所示，其包括以下步骤：
步骤1：根据接触轨的竖曲线数据和平面曲线数据，采用矩阵变化和曲线解析计算顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标。
竖曲线数据包括变坡点里程、切线段长度、前坡度、竖曲线半径；平面曲线数据包括曲线起始里程、曲线结束里程、前缓曲长、后缓曲长、平面曲线半径和外轨超高。
矩阵变化采用线性代数中的平移和旋转变换矩阵。
曲线解析包括平面曲线解析和竖曲线解析，
平面曲线解析采用缓圆曲线
Figure 135387DEST_PATH_IMAGE005
和纯圆曲线
Figure 281198DEST_PATH_IMAGE006
，其中，R为平面曲线半径，x为顺线路X坐标，y为垂直线路Y坐标，缓圆曲线和纯圆曲线的分界点作该点斜率的垂线，距离分界点距离为R的点坐标即为[a,b],得到a和b的数值，L为缓曲长度；
竖曲线解析采用直线
Figure 187974DEST_PATH_IMAGE007
和纯圆曲线
Figure 77432DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 251800DEST_PATH_IMAGE009
为竖曲线半径，k为前坡度，x为顺线路X坐标，z为铅锤线路Z坐标，直线和纯圆曲线的分界点作该点斜率的垂线，距离分界点距离为
Figure 302932DEST_PATH_IMAGE009
的点坐标即为[
Figure 697004DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 390154DEST_PATH_IMAGE011
],得到
Figure 920492DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 408105DEST_PATH_IMAGE011
的数值，同时叠加平面曲线中超高的牛顿-拉格朗日非等距差值结果。
步骤2：根据设计信息数据和步骤1的计算结果，计算防爬器、端部弯头、鱼尾板、膨胀接头和悬挂点的顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标。
设计信息数据包括防爬器位置、端部弯头型号、鱼尾板位置、跨距分布、膨胀接头位置和各部件重量，各部件为防爬器、端部弯头、鱼尾板和膨胀接头,
步骤3：根据接触轨型号和步骤2的计算结果，计算出每个悬挂点的支座反力，两个相邻悬挂点挠曲线。
支座反力由静力学力矩平衡计算得到。
挠曲线由集中外力挠度材料力学方程计算得到：集中外力挠度材料力学方程
Figure 790939DEST_PATH_IMAGE001
Figure 22200DEST_PATH_IMAGE002
，其中挠度
Figure 672624DEST_PATH_IMAGE003
为沿接触轨固定点的虚拟射线与接触轨计算点设计值的铅锤方向差值，E为接触轨弹性模量，I为接触轨截面惯性矩，l为单根接触轨长度，P为外力数值，
Figure 3242DEST_PATH_IMAGE004
为计算悬挂点与固定点之间的距离,A为外力P距离固定点距离，B为外力P距离滑动支座距离，外力数值P由防爬器、端部弯头、鱼尾板和膨胀接头的重量组成，分别计算每个外力数值P引起的挠度，叠加形成整体的挠度
Figure 371907DEST_PATH_IMAGE003
。E为接触轨弹性模量，I为接触轨截面惯性矩，l为单根接触轨长度由接触轨的具体型号决定。
计算第一根接触轨时，防爬器所在悬挂点定义为材料力学中的固定点，接触轨末端定义为材料力学中的滑动支座，固定点和滑动支座之间的悬挂点为计算悬挂点，形成简支梁结构，后续依次计算时，以上一根接触轨末端作为当前接触轨计算的固定点。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据接触轨的竖曲线数据和平面曲线数据，计算顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标；
步骤2：根据设计信息数据和步骤1的计算结果，计算防爬器、端部弯头、鱼尾板、膨胀接头和悬挂点的顺线路X、垂直线路Y和铅锤Z三方向坐标；
步骤3：根据接触轨型号和步骤2的计算结果，计算出每个悬挂点的支座反力，两个相邻悬挂点的挠曲线；挠曲线由集中外力挠度材料力学方程计算得到，支座反力由静力学力矩平衡计算得到；
步骤3中，集中外力挠度材料力学方程
Figure 35575DEST_PATH_IMAGE001
Figure 123617DEST_PATH_IMAGE002
，其中挠度
Figure 921809DEST_PATH_IMAGE003
为沿接触轨固定点的虚拟射线与接触轨计算点设计值的铅锤方向差值，E为接触轨弹性模量，I为接触轨截面惯性矩，l为单根接触轨长度，P为外力数值，
Figure 448605DEST_PATH_IMAGE004
为计算悬挂点与固定点之间的距离,A为外力P距离固定点距离，B为外力P距离滑动支座距离，
外力数值P由防爬器、端部弯头、鱼尾板和膨胀接头的重量组成，分别计算每个外力数值P引起的挠度，叠加形成整体的挠度
Figure 383063DEST_PATH_IMAGE003
；
计算第一根接触轨时，防爬器所在悬挂点定义为材料力学中的固定点，接触轨末端定义为材料力学中的滑动支座，固定点和滑动支座之间的悬挂点为计算悬挂点，形成简支梁结构，后续依次计算时，以上一根接触轨末端作为当前接触轨计算的固定点。
2.如权利要求1所述的适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，其特征在于：竖曲线数据包括变坡点里程、切线段长度、前坡度、竖曲线半径；平面曲线数据包括曲线起始里程、曲线结束里程、前缓曲长、后缓曲长、平面曲线半径和外轨超高。
3.如权利要求1所述的适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，其特征在于：步骤1的计算采用矩阵变化和曲线解析，
矩阵变化采用线性代数中的平移和旋转变换矩阵，
曲线解析包括平面曲线解析和竖曲线解析，
平面曲线解析采用缓圆曲线
Figure 907585DEST_PATH_IMAGE005
和纯圆曲线
Figure 193073DEST_PATH_IMAGE006
，其中，R为平面曲线半径，x为顺线路X坐标，y为垂直线路Y坐标，缓圆曲线和纯圆曲线的分界点作该点斜率的垂线，距离分界点距离为R的点坐标即为[a,b],得到a和b的数值，L为缓曲长度；
竖曲线解析采用直线
Figure 257981DEST_PATH_IMAGE007
和纯圆曲线
Figure 312525DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 7948DEST_PATH_IMAGE009
为竖曲线半径，k为前坡度，x为顺线路X坐标，z为铅锤线路Z坐标，直线和纯圆曲线的分界点作该点斜率的垂线，距离分界点距离为
Figure 780732DEST_PATH_IMAGE009
的点坐标即为[
Figure 587014DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 558381DEST_PATH_IMAGE011
],得到
Figure 424706DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 419207DEST_PATH_IMAGE011
的数值，同时叠加平面曲线中超高的牛顿-拉格朗日非等距差值结果。
4.如权利要求1所述的适配曲线工况的靴轨仿真模型构建方法，其特征在于：设计信息数据包括防爬器位置、端部弯头型号、鱼尾板位置、跨距分布、膨胀接头位置和各部件重量，各部件为防爬器、端部弯头、鱼尾板和膨胀接头。
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