吊弦非均布下400 km_h接触网动态性能提升研究.pdf
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1、NO.7(Ser.298)JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY第7 期(总2 9 8)Jul2023程道铁报学2023年7 月文章编号:10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 7-0 0 7 3-0 7吊弦非均布下40 0 km/h接触网动态性能提升研究张家玮1*杨佳苏凯新2陈俊卿?鲁小兵关金发?(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都6 10 0 31;2.西南交通大学,成都6 117 56)摘要:研究目的:本文聚焦接触网吊弦的间距及其分布,研究其对40 0 km/h接触网动态性能的提升效果,为400km/h高速接触网吊弦的非均布设计提供指导。
2、首先,采用线路实测的定位点抬升位移曲线验证弓网耦合动力学仿真模型建模方法的合理性,分别建立3种不同跨距(45m、50 m 和55m)的弓网耦合动力学仿真模型。然后,以吊弦距定位点的距离即吊弦的非均布方案为输入变量设计实验,再进行弓网耦合动力学仿真,提取接触力标准差作为输出变量。采用BP神经网络建立输人吊弦布置方案和输出一接触力标准差之间的关系模型,当模型的拟合优度和预测精度满足要求时,再采用遗传算法搜寻该神经网络模型中使输出接触力标准差最小时的输人变量,即最优的吊弦非均布设计方案。研究结论:(1)BP神经网络和遗传算法相结合可以有效地进行吊弦的非均布设计;(2)提出了跨距为45m、50 m 和
3、55m的接触网中吊弦的最优非均布设计方案;(3)吊弦非均布对40 0 km/h接触网动态性能有较大的提升效果,接触力标准差分别降低了34.8%、39.3%和18.0%;(4)本研究成果可为40 0 km/h高速铁路接触网的参数设计提供指导。关键词:接触网;弓网受流质量;吊弦;非均布中图分类号:U225文献标识码:AResearch on the Dynamic Performance Improvement of 400 km/h Catenaryunder Non-uniform Distribution of DroppersZHANG Jiawei,YANG Jia,SU Kaixin,
4、CHEN Junqing,LU Xiaobing,GUAN Jinfa?(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China;2.Southwest JiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan 611756,China)Abstract:Research purposes:This paper focuses on the spacing and distribution of catenary droppers,and studies itsimprovement
5、fect on the dynamic performance of 400 km/h catenary,providing guidance for the non-uniform designof catenary droppers at 400 km/h high speed.Firstly,the rationality of the modeling method of the pantograph-catenary coupling dynamics simulating model is verified by the line-tested uplift displacemen
6、t curve of the positioningpoint,and three simulating models with different spans of 45 m,50 m and 55 m are established,respectively.Then,the experiments are designed with the distance from the dropper to the positioning point,that is,the non-uniformly-distributed scheme of droppers as the input vari
7、able.The pantograph-catenary coupling dynamics simulations arecarried out according to the designed experiment,and the standard deviation of contact force is extracted as the outputvariable.BP neural network(BPNN)is used to establish the relationship model between the input and output.When收稿日期:2 0 2
8、 3-0 4-2 3基金项目:四川省自然科学基金项目(2 0 2 2 NSFSC1883,2022NSFSC1895);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划系统性重大项目(P2 0 2 1G 0 53);中国博生后科学基金项目(2 0 2 2 M713653)*作者简介:张家玮,19 8 8 年出生,男,工程师。2023年7 月程报道学铁74the fiting goodness and the predicting accuracy of the BPNN model all meet the requirements,genetic algorithm(GA)is subsequent
9、ly used to search for the input variable(the optimal non-uniformly-distributed scheme of droppers)ofthe BPNN model which minimizes the standard deviation of contact force.Research conclusions:(1)The method of BPNN combined with GA can efectively conduct the non-uniformly-distributed design of the dr
10、oppers.(2)The optimal non-uniform distribution design of droppers in catenary with spansof 45 m,50 m and 55 m is proposed.(3)The uniform distribution of droppers has a greater effect on the dynamicperformance of the 400 km/h catenary,and the standard deviation of the contact force is reduced by 34.8
11、%,39.3%and 18.0%,respectively.(4)This research achievement can provide guidance for the parameter design of 400 km/hhigh-speed railway catenary.Key words:catenary;pantograph-catenary current collection quality;dropper;non-uniform distribution受电弓一接触网系统的受流质量是影响和制约高速列车的供电质量和运行速度的关键因素之一。目前,随着京沪、京津、成渝、郑徐
12、和武广等350 km/h高速铁路的开通运营,我国已经形成了较为完备的350km/h速度等级下高速铁路受电弓接触网系统设计、施工和运营维护的成套技术体系 12 。随着技术的发展与需求的升级,更高速度的高铁技术研究被提上日程,40 0 km/h高铁技术是当前研究的热点。然而,当列车运行速度达到40 0 km/h,弓网受流质量的恶化会造成一系列的问题,例如受电弓滑板的严重磨耗以及受电弓焊接部位疲劳寿命的降低,严重时受电弓甚至会完全“离线”。然而,由于现行接触网设计和施工标准中规定吊弦应均匀布置,因此在已报道的文献 3.4 中,忽视了吊弦非均匀布置对弓网受流质量的影响。Cregori 等 5】研究表明
13、吊弦非均匀布置对弓网受流质量的影响十分显著。因此,在40 0 km/h接触网的设计中,可以尝试将吊弦非均布以改善受流质量。在工程应用中,输人变量和输出性能指标之间(例如:输入吊弦布置方案和输出弓网受流质量)的关系可能是复杂且具有强非线性的。反向传播神经网络(BPNN)是神经网络中应用最广泛和经典的训练算法,它为工程应用中输人和输出之间关系的建模提供了有效的解决方案。而遗传算法(GA)是一种随机优化人工智能算法,它易与BPNN等其他人工智能算法相结合。已报道的文献 6 表明,采用BPNN和GA相结合(BPNN+GA)的方法是获得优化设计问题最优解的有效途径。因此,本文尝试采用BPNN+GA方法进
14、行40 0 km/h接触网吊弦的非均布设计。本文采用有限元法建立了弓网耦合动力学仿真模型。以吊弦距定位点的距离作为输入变量设计实验,以能反映弓网受流质量的接触力标准差为输出变量。然后,采用BPNN算法建立输入和输出之间的关系模型,再利用GA算法搜寻已建立的BPNN模型中的最优解,即为最优的吊弦非均布方案1弓网耦合动力学仿真模型的建模方法及验证文献 7 通过对比各种弓网耦合动力学模型的仿真结果表明:二维和三维弓网耦合动力学仿真模型仿真得出的弓网接触力曲线差异很小,可以忽略不计。因此,为了保证仿真模型的计算效率,本文建立了二维的弓网耦合动力学仿真模型。受电弓采用三质量模型进行模拟,接触线、承力索和
15、弹性吊索采用预应力梁单元模拟,吊弦和定位器分别采用仅具有单向拉伸和双向刚度的弹簧单元模拟,线夹采用质量点模拟。采用负弛度法进行接触网初始平衡态的找形;采用罚函数来模拟受电弓和接触线之间的相互作用。在进行40 0 km/h高速接触网吊弦非均布设计的研究前,应先验证仿真模型建模方法的合理性。因此,基于上述建模方法,建立了某实际线路的弓网耦合动力学仿真模型。受电弓型号为DSA380,接触网悬挂类型为弹性链形悬挂,跨距为50 m,运行速度350 km/h,单弓运行。仿真和实测定位点抬升位移曲线如图1所示。由图1可以看出,仿真和实测最大定位点抬升量及定位点升曲线的振动波形相差较小,说明该建模方法合理,可
16、用于后续研究。80注:一实测;仿真6040200-20023456时间/s图1实测和仿真定位点抬升位移曲线杨张家玮苏凯新等:吊弦非均布下40 0 km/h接触网动态性能提升研究佳第7 期752400km/h接触网吊弦非均布设计2.1弓网耦合动力学仿真模型建立采用前文所述的建模方法,建立40 0 km/h弓网耦合动力学仿真模型。受电弓型号为DSA380,双弓运行,弓距2 0 0 m。同时保证受电弓和接触线之间的平均动态接触力为0.0 0 0 9 7+70225N。由于接触网跨距的设计受导线最大受风偏斜值和基础设施条件等因素的综合影响,实际工程中隧道、桥梁和路基等区段接触网的设计跨距不尽相同。因此
17、,本文共建立了3种不同跨距(45m、50 m 和55m)的2 4跨接触网模型。针对40 0 km/h接触网线索张力的设计 8 ,将接触线、承力索和弹性吊索张力分别设置为36.0 kN、28.0kN和3.5kN。2.2吊弦非均布设计方案本文采用弓网接触力标准差来衡量受流质量的好坏,接触力标准差越小,受流质量越好;反之,则受流质量更差。如图2 所示,接触网沿跨中对称布置,因此仅需确定1号、2 号和3号吊弦的位置即可确定整个接触网的形状。考虑1号吊弦与弹性吊索相连的特殊性,其位置选取因素复杂,在优化设计时保持其与左端定位点的距离为5m不变;将2 号和3号吊弦距离左端定位点的距离分别设置为D,和D3,
18、并将其作为优化设计的输入变量。第9 至17 跨为弓网动态作用稳定区段,以该区段内的接触力标准差(2 0 Hz低通滤波)为输出变量,作为优化设计有效性的衡量指标。承力索对称布置务弹性吊索吊弦1号2号3号!15m115m接触线D21111D211DD,图2非均布吊弦对于跨距45m、50 m 和55m接触网吊弦的非均布设计,设置D,和D,的优化边界条件如表1所示。表1优化边界条件D2/mD,/m跨距/m下限上限下限上限459.116.016.122.4509.117.017.124.9559.118.018.127.42.3BP神经网络(BPNN)和遗传算法(GA)本研究采用3层BP神经网络(BPN
19、N)建立输人变量D,和D,与接触力标准差之间的关系模型。输人层和输出层节点数分别为2 和1,隐含层节点数为5。采用trainlm函数训练网络。对于跨距45m、50 m 和55m接触网吊弦的非均布设计,分别设计训练集实验2 3、32 和2 4组用于建立输人和输出之间的关系模型,预测集实验6 组用于验证训练所得网络模型的准确性和判断网络模型是否可用于后续GA算法的寻优。BPNN与GA相结合的优化示意如图3所示。GA算法根据所选的适应度函数,对由优化参数形成的编码串联群体中的个体进行筛选。然后保留适应度较好的个体,再通过选择、交叉和变异的方式消除适应度较差的个体。重复上述过程,直到达到预期的条件,则
20、寻优结束。交叉和变异概率分别为0.4和0.2。BPNN建模GA寻优误差反向传播初始化种群1隐含层计算个体适应度hW1W2输人层选择1h2输出层1D21交叉11h31变异1D3h411Purelin11判断是否满足1Tansig1hs11111终止条件1信息正向传播是-11最优吊弦布置11图3BPNN+GA优化设计示意图3优化设计结果3.1跨距对受流质量的影响当跨距分别为45m、50 m 和55m,且吊弦按照现有标准均布时,前后弓的接触力曲线如图4所示,接触力统计结果如表2 所示,可以看出跨距对前后弓的接触力标准差有显著影响。因此,有必要分别进行不同跨距接触网的吊弦非均布设计,以满足工程设计的需
21、要。2023年7 月程报学道铁76400注:一前书;一后引35030025020015010050045 90135180225270 315360405运行距离/m(a)跨距45m400注:一一前书;后引35030025020015010050050100150200250300350400450运行距离/m(b)跨距50 m400注:一前书;后引350300250200150100500551101652200275330385440495运行距离/m(c)跨距55m图4接触力曲线(吊弦均布)表2接触力统计结果最大接触力/N最小接触力/N接触力标准差/N跨距/m前弓后前弓后弓前后弓4529
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