接触网线夹脱落故障的仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及接触网故障数字仿真技术领域，具体涉及一种接触网线夹脱落故障的仿真方法及系统。

背景技术

电气列车能够到达的地方就是受电弓需要到达的地方，接触线在充当配电线路的同时又是受电弓的滑道，弓网系统的动态性能以及零部件服役情况直接影响受流质量的好坏。近年来，电气化铁路发生接触网故障的频率逐渐增多，接触网故障主要是由外部环境和零部件松脱造成的。其中，线夹脱落问题尤为明显。

在工程实践中，接触网的线夹脱落时有发生，包括:中心锚结绳线夹脱落、吊弦线夹脱落、电连接线夹脱落等。该故障是电气化铁路系统中广泛存在的问题，线夹脱落会引起接触网的几何形态发生变化，从而影响弓网接触，使接触网硬点增加，增加了弓网电弧，加速受电弓滑板磨耗，线夹脱落严重时，线索悬吊在空中，受电弓通过时与之剐蹭，发生打弓事故，受电弓遭损毁会引起车辆无法取得电能，造成列车停车，影响严重。

目前，为保证电气列车的安全运营，对接触网线夹脱落故障的定位及诊断多依靠人工巡检的方式进行，在有效性、及时性和准确性上都以无法满足目前的运管需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种接触网线夹脱落故障的仿真方法及系统，以至少解决目前人工方式定位诊断接触网线夹脱落故障存在的有效性、及时性和准确性问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

接触网线夹脱落故障的仿真方法，所述方法包括：

建立接触网三维可视化模型；

利用接触网三维可视化模型的节点信息，建立接触网有限元模型，在接触网有限元模型中添加线夹脱落故障，进一步地，添加线夹脱落故障的等效方法：

将线夹脱落故障，等效为将线夹脱落处的有限元模型单元删除，并将线索的重量全部转移到未脱落的线夹一端；

完成有限元动态仿真求解。

进一步地，建立接触网三维可视化模型包括：

设定接触网几何参数，设定接触网材料参数，设定传感器的类型及安装位置；

对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型；

求解承力索上节点的三维坐标,生成接触网三维可视化模型。

进一步地，接触网几何参数包括接触网基本几何参数、锚段关节几何参数、电分相几何参数；

所述接触网基本几何参数包括跨距、拉出值、吊弦数量、中间跨数、接触线高度、结构高度、第一弹链吊弦距定位点距离、弹性吊索长度、第一简链吊弦距定位点距离、弹性吊索张力；

所述锚段关节几何参数包括五跨锚段关节几何参数和四跨锚段关节几何参数；所述五跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、屋脊点抬高、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；所述四跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、腕臂间距、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；

所述电分相几何参数包括腕臂间距、过渡点抬高及结构高度、右支拉出值、三支柱抬高、左支拉出值、小锚柱抬高及跨距、转换柱是否为弹链、隔离开关承力索高差、转化柱抬高及结构高度；

所述接触网材料参数包括接触网零部件的尺寸、重量、张力、弹性模量、泊松比，以及接触网上附加设备的重量；

所述传感器的类型包括张力传感器、加速度传感器；所述传感器的安装位置包括接触线、承力索。

进一步地，对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型包括：

S1021：根据接触线的高度信息，求解接触线对吊弦施加的荷载；

S1022：根据接触线对吊弦施加的荷载以及吊弦的长度，求解吊弦对承力索施加的荷载；

S1023：考虑承力索在不同位置所受的作用力，利用力矩平衡法或有限元法求解承力索的变形量；

S1024：根据承力索的变形量，修正吊弦的长度，当吊弦长度的修正量大于设定值时，重复步骤1022-1024；

S1025：当吊弦长度的修正量小于设定值时，提取出承力索的变形量，接触网的静力学求解完成。

进一步地，求解承力索上节点的三维坐标,生成接触网三维可视化模型包括：

根据承力索的变形量，求解出承力索的三维坐标；

根据接触线的三维坐标以及承力索的三维坐标，连接对应的节点，生成吊弦以及弹性吊索的三维坐标；

在同一坐标系下按照三维节点进行参数化绘图，生成接触网的三维可视化模型。

进一步地，完成有限元动态仿真求解包括：

根据受电弓的参数建立受电弓的力学模型；

建立弓网接触耦合模型；

令受电弓在接触线上运动；

利用有限元法对运动过程进行仿真计算；

提取仿真数据。

接触网线夹脱落故障的仿真系统，所述系统用于完成上述的方法，包括：

接触网模型建立模块，用于建立接触网三维可视化模型；

故障添加模块，用于利用接触网三维可视化模型的节点信息，建立接触网有限元模型，在接触网有限元模型中添加线夹脱落故障；

仿真计算模块，用于完成有限元动态仿真求解。

接触网线夹脱落故障的仿真系统存储介质，所述存储介质包括存储的程序，程序被处理器执行时实现上述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的仿真方法，将线夹脱落故障，等效为有限元模型中相关单元的删除，并将线索的重量全部转移到未脱落的线夹一端。在接触网三维模型中利用上述等效策略，对线夹脱落故障进行仿真，能以更加直观、便捷的方式反应线夹脱落故障发生时接触网各参数以及形态的变化，为接触网故障的定位诊断提供了有力支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是本发明一个实施例的接触悬挂中设置传感器的位置示意图。

图2是本发明一个实施例中4号加速度传感器的输出数据。

图3是本发明一个实施例中1号张力传感器的输出数据。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

应注意到，相似的名称、符号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个实施例中被定义，则在随后的实施例中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“包括”等以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1：

本实施例涉及了一种接触网线夹脱落故障的仿真方法，步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行。方法包括：

S1：建立接触网三维可视化模型，包括：

S101：设定接触网几何参数，设定接触网材料参数，设定传感器的类型及安装位置。

所述接触网几何参数包括接触网基本几何参数、锚段关节几何参数、电分相几何参数；

所述接触网基本几何参数包括跨距、拉出值、吊弦数量、中间跨数、接触线高度、结构高度、第一弹链吊弦距定位点距离、弹性吊索长度、第一简链吊弦距定位点距离、弹性吊索张力；

所述锚段关节几何参数包括五跨锚段关节几何参数和四跨锚段关节几何参数；所述五跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、屋脊点抬高、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；所述四跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、腕臂间距、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；

所述电分相几何参数包括腕臂间距、过渡点抬高及结构高度、右支拉出值、三支柱抬高、左支拉出值、小锚柱抬高及跨距、转换柱是否为弹链、隔离开关承力索高差、转化柱抬高及结构高度。

所述接触网材料参数包括所有接触网零部件的尺寸、重量、张力、弹性模量、泊松比，以及接触网上所有附加设备的重量。

所述传感器的类型包括张力传感器、加速度传感器；所述传感器的安装位置包括接触线、承力索。

S102：对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型，包括：

S1021：根据接触线的高度信息，求解接触线对吊弦施加的荷载。

S1022：根据接触线对吊弦施加的荷载以及吊弦的长度，求解吊弦对承力索施加的荷载。

S1023：考虑承力索在不同位置所受的作用力(如拉力等)，利用力矩平衡法、有限元法等方法求解承力索的变形量。

S1024：根据承力索的变形量，修正吊弦的长度，当吊弦长度的修正量大于设定值时，设定值可限定为0.1mm，重复步骤1022-1024。

S1025：当吊弦长度的修正量小于设定值时，证明接触网达到了静力学平衡，提取出承力索的变形量，接触网的静力学求解完成。

S104：求解承力索上所有节点的三维坐标,生成接触网三维可视化模型，包括：

S1031：根据承力索的变形量，求解出承力索的三维坐标。

S1032：根据接触线的三维坐标以及承力索的三维坐标，连接对应的节点，生成吊弦以及弹性吊索的三维坐标。

S1033：利用三维绘图软件，在同一坐标系下按照所有的三维节点进行参数化绘图，生成接触网的三维可视化模型。

上述构建的接触网三维可视化模型，可用于接触网故障的仿真，根据故障类型与相关参数的关联性，通过调整参数数值就可以等效模拟故障，并通过三维可视的方式直观的观察到全线路接触网形态相应变化，并获得传感器的数据，为故障定位诊断提供基础。

S2：利用接触网三维可视化模型的节点信息，建立接触网有限元模型，在接触网有限元模型中添加线夹脱落故障。

线夹脱落故障一般包括:中心锚结绳线夹脱落、吊弦线夹脱落、电连接线夹脱落等，线夹脱落故障的等效方法为：

将线夹脱落故障，等效为将线夹脱落处的有限元模型单元删除，并将线索的重量全部转移到未脱落的线夹一端。

添加线夹脱落故障，即选择故障的位置，生成故障信息，将故障信息加载到接触网有限元模型当中。故障信息包括故障类型、故障位置以及故障特征，故障特征为上述等效。

当需要评估故障下的弓网动态性能时，将故障加载到接触网有限元模型当中，并在接触网有限元模型基础上加入受电弓模型，完成弓网动态仿真，提取弓网仿真过程中传感器输出数据；

当需要评估故障下的接触网响应时，直接将故障加载到接触网有限元模型当中，接触网由于故障发生形变将产生新的平衡状态，提取接触网形变过程中的传感器输出数据。

S3：完成有限元动态仿真求解，包括：

S301：根据受电弓的参数建立受电弓的力学模型，如三质量块模型；

S302：建立弓网接触耦合模型；

S303：受电弓按照一定的速度在接触线上运动；

S304：利用有限元法对运动过程进行仿真计算；

S305：提取相关的仿真数据。

如图1，本实施例在接触悬挂中设置了四个加速度传感器，分别为1号加速度传感器J1、2号加速度传感器J2、3号加速度传感器J3、4号加速度传感器J4，并设置了五个张力传感器分别为1号张力传感器Z1、2号张力传感器Z2、3号张力传感器Z3、4号张力传感器Z4、5号张力传感器Z5，加载吊弦线夹脱落的故障后，4号加速度传感器J4的输出数据如图2所示，1号张力传感器Z1的输出数据如图3所示，根据输出数据可以，故障发生在第6秒左右，两类传感器的输出数据均发生了剧烈的变化。

本实施例的方法构建了接触网三维可视化模型，生成了接触网有限元模型，可直接将线夹脱落故障的力学效用加载在接触网有限元模型上,利用传感器输出的数据分析故障的特征,相比于现有技术,力学效用直接加载相对于电信号模拟更直接、更贴近实际故障产生的来源；用传感器的输出数据表征故障的特征，实际中采集到的也是传感器的数据，因此在进行故障识别时，同类数据比对，确定故障的类别及程度更准确。

实施例2：

本实施例涉及一种接触网线夹脱落故障的仿真系统，能以硬件或软件方式实现，用于完成实施例1所述的方法。所述系统包括：

接触网模型建立模块，用于建立接触网三维可视化模型，对应实施例1中步骤S1的内容。

故障添加模块，用于利用接触网三维可视化模型的节点信息，建立接触网有限元模型，在接触网有限元模型中添加线夹脱落故障，对应实施例1中步骤S2的内容。

仿真计算模块，用于完成有限元动态仿真求解，对应实施例1中步骤S3的内容。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。