电气化铁路接触网腕臂预配模拟计算技术应用研究

摘 要：【目的】在电气化铁路线路速度等级和接触网安装精度的要求下，接触网腕臂多采用现场安装后再进行人工调整的方式。为了提高接触网腕臂的施工效率，需要对接触网腕臂进行模拟计算。【方法】通过建立模拟计算几何和约束模型，搭建接触网腕臂模拟计算平台，利用平台对现场采集到的数据进行模拟计算。【结果】对模拟计算的结果进行核查无误后生成模拟计算图表。【结论】通过对接触网腕臂进行模拟计算，能够实现接触网在各种工况下腕臂管件的精细化、高效化加工和一次性预配安装，有效地降低了施工工期和成本，提高了安装精度。

关键词：接触网腕臂；模拟计算；预配安装

中图分类号：U225" " "文献标志码：A" " " 文章编号：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

接触网作为电力机车供电的重要固定设施，其工作状态关系到弓网受流质量，直接影响列车运行的安全性和稳定性。目前，在国外高速铁路建设项目中，接触网的设计及施工均采用了精确预配的方式。即根据现场实际测量的数据，对接触网腕臂及安装位置进行精确的计算，保证腕臂零件可以按照计算结果准确拼装，以便到现场后一次安装到位，减少后期的二次调整，并确保接触网安装状态满足接触网设计要求及列车运行要求［1］。国内传统的接触网腕臂预配技术，多为基于三角函数的几何关系推导。该方法仅在一种工况下所涉及的公式及参数就种类繁多，不能直观地显示计算流程，不利于扩展运用于其他项目［2-3］。在普速铁路及地铁等项目中，因线路速度等级和接触网安装精度的要求，多采用现场安装后再进行人工调整的方式［4-5］，而预配方式运用较少。

本研究对适用于不同线路等级的具有可视化、可扩展性的接触网模拟计算技术进行了研究。该技术可在高速铁路等各类电气化铁路中运用，不仅可以让施工单位大幅提高铁路接触网零件的加工及施工精度，实现“省工、省料、省时”的目的，而且可以实现接触网腕臂模拟的自动化设计，提升接触网整体设计水平。

1 接触网腕臂预配模拟计算原理

接触网腕臂系统是一种具有多随机变量的超静定桁架结构。由于不同的腕臂所承担的悬挂定位功能不同，且用于安装接触网支柱及腕臂的基础位置在施工时可能存在误差，因此为了确保接触线准确定位，每套接触网腕臂的零部件装配尺寸及相互位置关系都是特定的。模拟计算是以现场测量数据为基础，根据接触网技术标准、设计原则及平面布置等要求，通过计算求出满足定位要求的腕臂结构尺寸参数，从而生成腕臂零件装配图纸，用于指导腕臂的现场精确安装［6］。

接触网腕臂预配模拟计算模型由几何模型和约束模型共同构成。几何模型由基本的几何元素构成；约束模型则建立了各几何元素之间的相互关系。当输入数据发生变化时，根据几何模型和约束模型的共同作用来驱动接触网腕臂预配模拟计算模型得到相应的结果。

1.1 几何模型

接触网模拟计算的几何模型是根据接触网腕臂的几何尺寸建立的数学模型。几何模型建立的基本原则是根据腕臂的结构和部分尺寸要求以及构成腕臂的零件尺寸等相关参数来构建几何模型［7］。

在构建几何模型前，需要按线路的设计标准确定模拟计算的基本工况。一般情况下，腕臂几何模型可按以下的不同进行分类，并经组合后确定。按照接触网腕臂的种类，可分为绝缘旋转平腕臂结构和整体钢腕臂结构；按照接触网腕臂的用途，可分为中间柱腕臂、转换柱腕臂及道岔柱腕臂等；按照接触网腕臂在支柱上的安装方式，可分为预留孔安装方式和外抱安装方式；按照接触网腕臂所安装的支柱类型，可分为H型钢柱、横腹杆支柱、格等径圆杆等；按照线路条件分为直线区段、曲线区段等［8］。

除上述常见的分类外，根据线路存在的特殊工况，还应考虑隧道内及硬横跨吊柱、站台柱等特殊情况，以便对模拟计算工况进行更为细致的划分，满足模拟计算要求。在确定完模拟计算需要的各种工况后，便可在求解环境中建立坐标系和腕臂的几何模型。

1.2 约束模型

接触网腕臂预配模拟计算的约束模型是用来驱动几何模型根据不同输入数据进行数据计算的基础。约束模型建立的基本要求是在满足接触网腕臂对接触导线定位要求的前提下，对几何模型中各几何元素的长度、角度及节点的连接方式进行约束。

常用的几何约束类型有平行、垂直、水平、铅直、共线、相切等。在求解环境中应用上述约束类型时，应以两轨面连线中心为坐标原点，由定位点开始往支柱侧依次施加约束，保证在输入数据变化时，被约束部分始终满足定位要求［9］。

2 接触网腕臂预配模拟计算平台组成及功能

接触网腕臂预配模拟计算平台是一套分布式计算软件。根据测量的原始线路参数和接触网基础资料，依据参数化计算模型计算出腕臂结构中各点的坐标，并通过加载相应零件的尺寸参数及工况相关数据进而推算出腕臂管状零件的尺寸及其安装角度。接触网腕臂预配模拟计算平台如图1所示。由图1可知，客户端分为参数化计算模型、软件界面、输入数据及输出图形；服务端数据库包括腕臂计算工况库、零件参数库、计算数据库等。

2.1 参数化计算模型

参数化计算模型是一套几何关系相互约束的腕臂几何模型，模型中部分几何尺寸固化，即定型零件的尺寸和部分工况数据，但部分尺寸开放且可在规定的数值范围内自由调整。开放尺寸中有一部分的数据通过施工测量获得，另外一部分的数据通过将开放数据输入到参数化几何模型中，驱动模型进行几何关系运算而得出所需要的尺寸和坐标位置。软件运行时，将根据输入数据确定计算工况并调用相应的参数化计算模型进行计算。

2.2 软件界面

模拟计算前需要先输入线路名称、区间名称、区间代号等信息，随后加载预配输入数据进行约束计算绘图并将腕臂预配模拟计算的图表结果输出到指定路径。软件可批量加载输入数据文件进行计算。

2.3 计算工况库

计算工况库包含了所有使用到的腕臂安装工况。每种工况包括工况代号、参数化约束模型名称、零件代号及相关数据。

计算工况库的建立：首先需要建立模拟计算工况索引编码；其次建立几何约束模型与模拟计算工况索引编码之间的对应关系；再次根据模拟计算工况引用对应的零件尺寸索引编码；接着建立每种工况下的接触网零件安装位置数据，用于确定腕臂上各种零件的相对位置关系；最后建立每种工况下的接触网系统数据，用于描述接触网设计的相关参数。

2.4 零件参数库

零件参数库包含了各种腕臂零件的代号、名称、等级、尺寸、规范代码等信息。

零件参数库的建立：首先需要在接触网安装图中查找零件；其次在零件图中查找零件尺寸数据；最后创建零件数据库并在其中建立零件尺寸数据的记录。库中的每条记录由零件尺寸及索引编码、零件名称、零件类别及备注等信息组成。零件尺寸数据与零件尺寸索引编码一一对应。

2.5 计算数据库

计算数据库包含了每一个支柱腕臂的输入输出参数信息及图形存储信息等所有的历史计算数据，方便后续的查找和使用。

3 模拟计算方法及流程

腕臂预配模拟计算包括输入工况数据、腕臂模型数据、接触网零件数据及安装工况数据。根据线路等级和接触网技术标准要求，分别对上述数据进行配置，以便适用于各类项目。

3.1 输入工况数据

输入工况数据由腕臂模型数据类型库中的接触网测量数据及部分接触网系统数据构成。其中所有数据均由施工单位根据现场实测数据填写，包含支柱编号、支柱里程、曲线半径、轨面宽度、外轨超高、侧面限界、支柱倾斜率、底座高度、跨距等信息。输入工况数据见表1。

3.2 腕臂模型数据

腕臂模型数据是腕臂几何模型中各类数据容器的集合。在几何约束求解环境中建立通用的腕臂几何模型，工况数据模块根据实际选用的工况和所使用的零件类型，将相关数据库中的各类数据载入腕臂几何模型的各数据容器中，检查数据无误后驱动腕臂几何模型完成模拟计算。腕臂模型数据主要分为：外部测量数据、零件数据、零件安装位置数据及接触网系统数据等。

3.3 接触网零件数据

目前电气化铁路接触网零件按照《电气化铁路接触网零部件》（TB/T 2075—2020）标准生产。各厂家生产的零件在主要尺寸上一致，但个别工艺尺寸存在差异。在腕臂预配模拟计算过程中，会调用大量不同类型、不同规格型号的接触网零件，为了尽可能保证腕臂预配模拟计算结果准确，必须将厂家零件图纸中的各类尺寸整理形成接触网零件数据库，并采用统一的索引编制原则，保证零件数据库的可扩展性和复用性。为满足上述要求，接触网零件数据库的索引原则需按照［接触网系统］—［零件种类］—［零件规格］—［参数编号］的格式统一编号。

3.4 安装工况数据

安装工况数据在模型计算时起到整合各类型数据的作用。接触网腕臂根据在锚段中的不同分布位置，其功能和结构形式是不相同的，并且腕臂采用的零件及尺寸形式也各不相同。不同类型的腕臂结构需要进行编号，该编号是腕臂数据模型计算过程中数据查询的索引。每一个编号所对应的一组数据便是一种工况。为了将不同工况下各种腕臂结构形式和零件尺寸数据与接触网系统数据对应起来，需要建立统一的工况数据库。先梳理所有需要使用的腕臂结构类型并进行编号，再配置每种工况的腕臂模型数据。此外，工况数据中还包括零件直接安装的配合尺寸、接触网系统数据等。

3.5 计算流程

腕臂预配模拟计算时，首先，需读取输入工况数据表，根据其中的“腕臂安装类型”调用对应的几何约束模型，并在安装工况数据库中调用对应的工况记录。随后根据工况记录中的零件尺寸索引编码在零件参数库中查找对应的零件尺寸数据；其次，将现场测量数据及零件尺寸数据加载到几何约束模型中，驱动几何约束模型生成模拟计算结果；最后，对模拟计算结果进行核查并生成模拟计算图表，如果结果模型有误，则重新检查并计算。

腕臂预配模拟软件的工作流程如图2所示。

4 案例计算

以某线路支柱的腕臂预配模拟计算为例，具体说明腕臂预配模拟计算方法的运行过程。

①收集某线路中的接触网安装图，对图中的腕臂安装类型进行分类，判断该线路支柱的腕臂安装类型，即为支柱工况。

②建立关于该支柱腕臂安装类型的几何约束模型，根据几何约束模型中的尺寸约束关系建立腕臂模型数据库。

③在接触网安装图中查找所有类型的零件，根据查找到的零件尺寸数据建立模拟计算零件数据库并记录零件尺寸数据。

④根据支柱的工况及腕臂模型数据库建立工况数据库及工况记录。

⑤建立输入工况数据表，现场测量输入工况所需的数据并导入输入工况数据表。读取输入工况数据表中的数据，根据其中的腕臂安装类型调用对应的几何约束模型，并在安装工况数据库中调出相应工况的数据，根据工况数据在零件数据库中查找对应的零件尺寸数据。

⑥将读取到的现场测量数据和查找到的零件尺寸数据加载到几何约束模型中，驱动几何约束模型生成模拟计算结果。对计算结果进行核查无误后生成模拟计算图表样例如图3所示。

5 结论

本研究首先对接触网腕臂预配模拟原理进行研究，建立模拟计算几何模型及约束模型；其次搭建接触网腕臂预配模拟计算平台；最后对现场采集的数据进行模拟计算，生成腕臂预配模拟的结果模型。

本研究通过对接触网腕臂预配进行模拟计算，能够实现车站、区间内接触网各种工况腕臂的精细化和高效化预配安装，指导施工单位批量化完成腕臂各零件的加工并一次安装到位，有效地节约了施工安装的工期，提高了腕臂的安装精度。

参考文献：

［1］ 蒋先国，罗健，刘永红，等.简统化接触网技术研究［J］.中国铁路，2022（5）：7-11.

［2］ 冯燕，陈林，陈道琳. 铁路电气化接触网腕臂预配计算［J］.电工技术，2013（10）：51-53.

［3］ 杨强. 武广铁路客运专线接触网中间柱预配计算的分析与应用［J］.铁道标准设计，2010（1）：187-189.

［4］ 樊桃，刘海斌，张飞. 基于智能化接触网铝腕臂预配平台技术开发研究 ［J］.中国设备工程，2020（11）：28-31.

［5］ 何利江. 智能化接触网腕臂预配技术研究及应用［J］. 交通世界，2021（18）：6-7.

［6］ 陈见.浅谈接触网悬挂安装工艺模拟计算系统的数据结构设计［J］.通讯世界，2014（9）：7-9.

［7］ 黄仲，王江文，梅桂明，等.弓网运行条件下腕臂定位系统动态特性研究［J］.噪声与振动控制，2020，40（5）：46-52.

［8］中铁第一勘察设计院集团有限公司.基于参数化几何约束模型的腕臂预配方法：CN201610062534.6［P］.2016-01-29.

［9］陕西心像信息科技有限公司. 基于Revit实现接触网腕臂预配的施工方法：CN202211436217.8［P］.2022-11-16.