CN117610383B - 基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法 - Google Patents

基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法属于轨道交通刚性接触网关键参数遴选领域，包括以下步骤：通过对低速既有线路开展模拟仿真，校准参数，并划分为非研究参数和待研究参数；待研究参数的数值增加一挡；开展高速线路的模拟仿真，获得模拟仿真结果；待研究参数进行重要性排序；选择三个待研究参数为一组，第一作为评比参数，其余二个作为陪比参数，对模拟仿真结果进行评比，判定评比参数的最优数值，重复分组和评比，直至判定出所有待研究参数的最优数值；本发明利用接触网有限元仿真技术对既有线路运行结果，利用各参数优先级，以两种自变量+一种应变量为坐标轴，确定速度250km/h刚性接触网参数。

Description

基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法
技术领域
本发明属于轨道交通刚性接触网关键参数遴选领域，具体涉及一种基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法。
背景技术
随着国家全面加强新型基础设施建设，连接中心城区和卫星城的市域轨道交通发展迅猛，最高运行速度达250km/h和城区线路采用地下隧道是其典型特征。隧道内采用刚性接触网与柔性接触网相比，在隧道净空、实施难度和运营维护等方面具有更大的技术优势。在国外，德国至丹麦跨越费马恩海峡的沉管隧道项目经过十余年规划设计，隧道内供电主体方案为刚性悬挂接触网，适配速度也是200km/h。综上，高速刚性悬挂接触网具有适配净空低，土建造价适宜等特点，是近期国内外主要研究和推广方向。
刚性悬挂弹性平均值很低，锚段关节分布、跨距分布、锚段关节安装高度等引起的弹性突变在运营速度提高时，弹性不均匀度显著提升，易造成离线和脱弓的事故，这也是200km/h级及以上速度接触网刚性悬挂方案下的技术瓶颈。弹性不均匀程度与第一悬挂点抬高、锚段关节长度、跨距等因素相关，各因素之间的相关关系为非独立，直接采用单变量的控制变量法无法获得最优方案。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，利用接触网有限元仿真技术基于速度160km/h的既有线路运行结果，利用各参数优先级，以“两种自变量+一种应变量”为坐标轴，确定速度200km/h级及以上刚性接触网参数。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，按照以下步骤进行：
步骤1）通过对低速既有线路开展模拟仿真，校准模拟参数、实体参数和平面布置参数；其中，实体参数包括弹性模量、密度、泊松比和受电弓型号，平面布置参数包括跨距、导高、拉出值、线夹刚度、关节形式、支持结构和关节悬挂点抬高；
步骤2）将实体参数和平面布置参数划分为非研究参数和待研究参数；非研究参数的数值与既有线路相同，待研究参数的数值根据既有线路采用的极大值和极小值，向更大和更小方向各增加一挡；
步骤3）根据待研究参数的数值的数量，确定工作动态拟合数量，并开展高速线路的模拟仿真，获得模拟仿真结果；
步骤4）将待研究参数从大到小进行重要性排序；
步骤5）选择首要的三个重要性排序的待研究参数为一组；
步骤6）从该组的三个待研究参数中选择第一重要性的待研究参数作为评比参数，另二个待研究参数作为陪比参数，利用评价参数对模拟仿真结果进行评比，判定出第一重要性的待研究参数的最优数值，并提取仅包含上述最优数值的模拟仿真结果；所述评价参数包括接触力标准差、接触力最小值/>、判定式/>，/>为平均接触力；
步骤7）从未判定出最优数值的待研究参数中，再次选择首要的三个重要性排序的待研究参数为一组，重复步骤六，直至判定出所有待研究参数的最优数值；
步骤8）判断所有待研究参数的最优数值对应的模拟仿真结果是否能用于高速线路，如果能，输出模拟仿真结果；如果不能，返回步骤二，并使待研究参数的数量增加一个。
进一步的，所述步骤2）中待研究参数的数量为三个以上。
进一步的，所述步骤4）中的重要性排序的原则为：按照参数影响覆盖面、行业参数设计顺序进行排序。
进一步的，所述评价参数的优先级为接触力标准差＞接触力最小值/>＞判定式/>。
进一步的，所述步骤7）根据模拟仿真结果的上一次评比结果，若能判断两个陪比参数的离散性强弱，则将离散性较强的陪比参数作为本次的评比参数；若不能判断两个陪比参数的离散性强弱，则本次的评比参数仍根据重要性排序的顺序确定。
进一步的，所述步骤1）中低速既有线路的速度为160km/h，步骤3）中，高速线路的速度可为200km/h及以上。
本发明保护的另外一个技术方案为：基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法计算出的参数结果，速度为250km/h的线路，250km时速下获得的最优数值为：时速250公里级别受电弓，6.5 m跨距，6.0m锚段关节，锚段第一悬挂点抬高6mm，6.0m锚段关节包含两个悬挂点，悬挂点间距均为2.0m，锚段关节下一个跨距为6.5m；后续跨距=跨距，/>=6.5m。
与现有技术相比，本发明的有益效果为。
1、本发明利用有限元进行全参数仿真，根据参数重要性形成三个参数评价组，一个参数评价组获取一个参数最优值的循环判定方法，通过多次循环操作，判定出所有待研究参数的最优数值。
2、本发明利用有限元仿真循环求取最优值的方法，能够提高最优刚性接触网参数的获取效率，为确定速度200km/h级及以上刚性接触网重要参数提供了分析支持。
3、本发明还确定了一套适配速度250km/h级刚性接触网重要参数，为推进我国市域轨道交通隧道内牵引网技术发展提供了一种新思路。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
图2为本发明实施例的标准差分布DSA250CED与DSA380CED对比图。
图3为本发明实施例的接触力最小值DSA250CED与DSA380CED对比图。
图4为本发明实施例的标准差分布速度250km-DSA250CED对比图。
图5为本发明实施例的接触力最小值速度250km-DSA250CED对比图。
图6为本发明实施例的标准差分布速度250km-DSA250CED-对比图。
图7为本发明实施例的接触力最小值速度250km-DSA250CED-对比图。
图8为本发明实施例的标准差分布速度250km-DSA250CED--S6.5对比图。
图9为本发明实施例的接触力最小值速度250km-DSA250CED--S6.5对比图。
图10为本发明实施例的250km-DSA250CED--S6.5-OL9.0接触力分布图。
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，下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，按照以下步骤进行：
步骤1）通过对速度160km/h既有线路开展模拟仿真，校准模拟参数、实体参数和平面布置参数；其中，模拟参数包括模拟步长、采样频率和求解器选择，实体参数包括弹性模量、密度、泊松比和受电弓型号，平面布置参数包括跨距、导高、拉出值、线夹刚度、关节形式、支持结构和关节悬挂点抬高。
步骤2）将实体参数和平面布置参数划分为非研究参数和待研究参数。例如，可将受电弓型号，跨距/>、关节形式/>和关节悬挂点抬高/>划分为待研究参数；弹性模量、密度、泊松比、导高、拉出值、线夹刚度和支持结构划分为非研究参数。非研究参数的数值与既有线路相同，待研究参数的数值根据既有线路采用的极大值和极小值，向更大和更小方向各增加一挡。
步骤3）模拟仿真对象为带锚段关节的整个刚性锚段。根据待研究参数的数值的数量，确定工作动态拟合数量，并开展速度200km/h及以上线路的模拟仿真，获得模拟仿真结果。
步骤4）根据待研究参数的影响范围，从大到小进行重要性排序，受电弓型号>跨距/>>关节形式/>>关节悬挂点抬高/>。重要性排序按照参数影响覆盖面、行业参数设计顺序进行排序。
步骤5）选择首要的三个重要性排序的待研究参数为一组，即受电弓型号、跨距和关节形式/>。
步骤6）从受电弓型号作为评比参数，跨距/>和关节形式/>作为陪比参数，利用评价参数对模拟仿真结果进行评比，判定出受电弓型号/>的最优数值，并提取仅包含上述最优数值的模拟仿真结果。
根据BS EN 50318：2018和TB/T 3271-2011，评价参数包括接触力标准差、接触力最小值/>、判定式/>。评价参数的优先级为接触力标准差/>>接触力最小值/>>判定式/>。
步骤7）选择跨距、关节形式/>和关节悬挂点抬高/>为一组。根据跨距/>和关节形式/>在上一次评比结果中的离散表现，若跨距/>离散性强，则表明影响权重大，将跨距/>作为本次的评比参数，关节形式/>和关节悬挂点抬高/>作为陪比参数；若关节形式/>离散性强，则表明影响权重大，将关节形式/>作为本次的评比参数，跨距/>和关节悬挂点抬高/>作为陪比参数；若跨距/>和关节形式/>的离散性强弱无法比较，则仍根据重要性排序的顺序确定评比参数，跨距/>作为本次的评比参数，关节形式/>和关节悬挂点抬高/>作为陪比参数。重复步骤六，直至判定出所有待研究参数的最优数值。
未判定出最优数值的待研究参数的数量为两个时，则一个作为评比参数，另一个作为陪比参数；数量为一个时，则仅有一个评比参数，没有陪比参数。
步骤8）判断所有待研究参数的最优数值对应的模拟仿真结果是否能用于高速线路，如果能，输出模拟仿真结果；如果不能，返回步骤二，并使待研究参数的数量增加一个。
上面结合图1对本发明基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法的具体过程进行了详细描述，并对其中涉及的相关参数进行了解释。为了更好的理解本发明的过程，下面对时速250km/h的线路的刚性接触网参数选择过程进行描述，并给出时速250km/h的线路的刚性接触参数的最优值。
实施例1
本实施例提供了一种基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法计算时速250km/h的线路得出刚性接触网参数结果的过程，其包括以下步骤：
步骤1）通过对速度160km/h既有线路开展模拟仿真，校准模拟参数、实体参数和平面布置参数。
步骤2）选取待研究参数并确定对应数值：受电弓型号取值为DSA250CED，DSA380CED；线夹刚度E i 取值为0kN/m（刚性线夹），50kN/m，60kN/m，70kN/m，80kN/m；跨距取值为/>为S6.0m，S6.5m，S7.0m，S7.5m，关节形式/>取值为O6.0m，O6.5m，O9.0m，关节第一悬挂点/>抬高取值为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm，第二悬挂点抬高为0.75/>。
步骤3）模拟仿真对象为350m锚段，其中锚段关节长度为2倍关节形式的取值。根据待研究参数的数值的数量，确定工作动态拟合次数2*5*4+1*5*4*（3-1）+4*（3-1）*（5-1）=112，并开展速度为250km/h的线路的模拟仿真，获得模拟仿真结果。从上述的计算公式能看出，本发明的这个参数选择方法，与现有方法（各个待研究参数的数量的乘积，以本实施例为例2*5*4*3*5=600次）相比，能够大幅降低拟合次数，减少工作量。
步骤4）受电弓实时与弓网接触力相关，每个悬挂点均设置线夹，跨距在锚段中占据95%以上，锚段关节占比小于5%，关节悬挂点抬高仅占锚段关节一部分。因此，重要性排序为受电弓型号>线夹刚度E i >跨距/>>关节形式/> >关节悬挂点抬高/>。
步骤5）选择受电弓型号、线夹刚度E i 和跨距/>为一组。
步骤6）和步骤7）将受电弓型号作为评比参数，将线夹刚度E i 和跨距/>作为陪比参数β、γ。接触力标准差/>和接触力最小值/>作为评价参数；/>越小越优；/>越大越优，最小值不得小于0。关节形式选择O9.0m，关节悬挂点抬高/>取中值6mm。模拟仿真结果的评比结果如图2和图3所示。
从图2和图3中可以得出，受电弓型号与受电弓型号相比，/>在接触力标准差中差异较小，接触力最小值中/>较大，因此/>为最优评比参数。陪比参数/>无法确定影响权重，因此仍然按照重要性排序。
选定后，将线夹刚度E i 作为评比参数，将跨距/>和关节形式/>作为陪比参数/>，接触力标准差/>和接触力最小值/>作为评价参数，评比结果如图4和图5所示。
从图4和图5中可以得出，线夹刚度，线夹刚度/>、线夹刚度、线夹刚度/>和线夹刚度/>相比，/>在接触力标准差中具有明显优势，在接触力最小值中几乎处于上层，因此/>为最优评比参数，陪比参数无法确定影响权重，因此仍然按照重要性排序。
选定和/>，将跨距/>作为评比参数，将关节形式/>和关节悬挂点抬高/>作为陪比参数，接触力标准差/>和接触力最小值/>作为评价参数，评比结果如图6和图7所示。
跨距，跨距/>，跨距/>和跨距/>相比，/>接触力标准差中具有明显优势，在接触力最小值中几乎处于上层，因此/>为最优评比参数，陪比参数中关节形式/>的离散性强，则表明影响权重大，与重要性排序相同。
选定，/>和/>，将关节形式/>作为评比参数，将关节悬挂点抬高/>作为陪比参数，接触力标准差/>和接触力最小值/>作为评价参数，评比结果如图8和图9所示。
从图8和图9中可以看出，关节形式，关节形式/>和关节形式相比，/>在接触力标准差和接触力最小值中优势明显，因此/>为最优评比参数。
选定，/>，/>和/>，将关节第一悬挂点抬高/>作为评比参数，扩充取值范围从00mm至15mm，评价参数有接触力标准差/>、接触力最小值/>、平均接触力/>、接触力最大值/>、统计最大接触力/>、统计最小接触力/>，评比结果如图10所示。
关节第一悬挂点抬高，关节第一悬挂点抬高/>……/>相比，/>具有明显优势，取中值/>具有明显优势。
步骤八：因此形成选定，/>，/>和/>和，形成的速度250km/h刚性接触网平面布置方案。
通过上述仿真过程形成了本发明保护的另外一个技术方案为：基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法计算出的参数结果，即速度为250km/h的线路，250km时速下获得的最优数值为：时速250公里级别受电弓，6.5 m跨距，6.0m锚段关节，锚段第一悬挂点抬高6mm，6.0m，锚段关节包含两个悬挂点，悬挂点间距均为2.0m，锚段关节下一个跨距为6.5m；后续跨距=跨距，/>=6.5m。
通过上述两个实施例的描述，可以知道，本发明利用接触网有限元仿真技术通过对既有线路运行结果，利用各参数优先级，以“两种自变量+一种应变量”为坐标轴，能够出确定速度250km/h级刚性接触网的最优参数。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，其特征在于：按照以下步骤进行：
步骤1）通过对低速既有线路开展模拟仿真，校准模拟参数、实体参数和平面布置参数；其中，实体参数包括弹性模量、密度、泊松比和受电弓型号，平面布置参数包括跨距、导高、拉出值、线夹刚度、关节形式、支持结构和关节悬挂点抬高；
步骤2）将实体参数和平面布置参数划分为非研究参数和待研究参数；非研究参数的数值与既有线路相同，待研究参数的数值根据既有线路采用的极大值和极小值，向更大和更小方向各增加一挡；
步骤3）根据多个待研究参数的数值的数量，确定工作动态拟合数量，并开展高速线路的模拟仿真，获得模拟仿真结果；
步骤4）将待研究参数从大到小进行重要性排序；
步骤5）选择首要的三个重要性排序的待研究参数为一组；
步骤6）从该组的三个待研究参数中选择第一重要性的待研究参数作为评比参数，另二个待研究参数作为陪比参数，利用评价参数对模拟仿真结果进行评比，判定出第一重要性的待研究参数的最优数值，并提取仅包含上述最优数值的模拟仿真结果；所述评价参数包括接触力标准差、接触力最小值/>、判定式/>，/>为平均接触力；
步骤7）从未判定出最优数值的待研究参数中，再次选择首要的三个重要性排序的待研究参数作为一组，重复步骤六，直至判定出所有待研究参数的最优数值；
步骤8）判断所有待研究参数的最优数值对应的模拟仿真结果是否能用于高速线路，如果能，输出模拟仿真结果；如果不能，返回步骤二，并使待研究参数的数量增加一个。
2.根据权利要求1所述的基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，其特征在于：所述步骤2）中待研究参数的数量为三个以上。
3.根据权利要求1所述的基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，其特征在于：所述步骤4）中的重要性排序的原则为：按照参数影响覆盖面、行业参数设计顺序进行排序。
4.根据权利要求1所述的基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，其特征在于：所述评价参数的优先级为接触力标准差＞接触力最小值/>＞判定式/>。
5.根据权利要求1所述的基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，其特征在于：所述步骤7）根据模拟仿真结果的上一次评比结果，若能判断两个陪比参数的离散性强弱，则将离散性较强的陪比参数作为本次的评比参数；若不能判断两个陪比参数的离散性强弱，则本次的评比参数仍根据重要性排序的顺序确定。
6.根据权利要求1所述的基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，其特征在于：所述步骤1）中低速既有线路的速度为160km/h，步骤3）中高速线路的速度为200km/h及以上。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于弓网耦合仿真的刚性接触网参数选择方法，其特征在于：速度为250km/h的线路，250km时速下获得的最优数值为：时速250公里级别受电弓，6.5 m跨距，6.0m锚段关节，锚段第一悬挂点抬高6mm，6.0m锚段关节包含两个悬挂点，悬挂点间距均为2.0m，锚段关节下一个跨距为6.5m；后续跨距=跨距，/>=6.5m。
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Dynamic Characteristics Analysis of Double Pantograph Catenary of AC Rigid Catenary System;YING WANG等;《IEEE》;20230717;全文 *
高原铁路钻爆法隧道断面优化研究;黎旭等;《现代隧道技术》;20230831;第60卷(第4期);全文 *
高速刚性悬挂接触网弓网动态仿真模型优化研究;李逢源;《电气化铁道》;20231231(第2期);全文 *

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