地鐵車輛跨接電纜長度計算軟件的開發

李雁北 王子煜 王 平 張鑫鑫

(北京地鐵車輛裝備有限公司,100079，北京 ∥助理工程師)

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地鐵車輛跨接電纜長度計算軟件的開發

李雁北 王子煜 王 平 張鑫鑫

(北京地鐵車輛裝備有限公司,100079，北京 ∥助理工程師)

基于懸鏈線方程建立地鐵車輛跨接電纜數學模型,確立電纜長度計算方法;為簡化計算過程,利用MATLAB/GUI(人機交互界面)開發設計可視化計算軟件。并以北京地鐵7號線車端108芯跨接電纜及直流DC 110 V母線跨接電纜為例,進行實例驗證。計算過程簡單直觀，得到的計算值和實際值誤差很小，從而驗證了計算軟件的可靠性。

地鐵車輛；跨接電纜；長度計算

Author′s address Beijing Subway Rolling Stock Equipment Co.,Ltd.,100079,Beijing,China

地鐵車輛的跨接電纜(見圖1)是地鐵車輛之間電氣連接的重要組成部件，為車輛提供高低壓電路的跨接,并為列車間控制、網絡等信號的傳輸提供介質。

圖1 地鐵車輛跨接電纜

目前,文獻[1]提出了一種基于懸鏈線方程的跨接電纜長度計算方法,并成功應用于CRH3型動車組。本文在此方法的基礎上提出了地鐵車輛跨接電纜長度的計算方法,并開發出一款基于MATLAB/GUI(人機交互界面)的可視化計算軟件。

1 建模分析

根據參考文獻[2],車輛跨接電纜自身受到的重力、張力對其使用壽命的影響較小;而在列車運動時,車鉤對電纜懸掛點的的拉伸及壓縮等作用是影響跨接電纜使用壽命的重要因素之一。因此,如果跨接電纜自由懸掛時能滿足懸掛點處電纜的斜率垂直于安裝板,則可保證車鉤運動對電纜使用壽命的影響最小。

綜上所述,為不影響車輛跨接電纜的使用壽命,在建立數學模型時,將安裝后跨接電纜在懸掛點處的斜率與安裝板垂直作為建模約束條件之一。

結合車輛實際運行狀態歸納出的其他約束準則包括:①懸掛點之間的直線距離最小時，電纜最低點不得超過車輛限界;②懸掛點之間的直線距離最小時，電纜的曲率半徑在規定的電纜最小曲率半徑之內; ③懸掛點之間的直線距離最大時，電纜不得因拉伸而受到過大的拉應力。

根據上述約束條件，建立基于懸鏈線方程的地鐵跨接電纜計算模型[1](見圖2)。設m(o,m)點為電纜最低點，以運行軌的軌面為x軸,過m點垂直于軌面為y軸建立坐標系。其中,C1為懸掛電纜,P(x,y)為懸掛點,且電纜在P點與安裝板垂直,安裝板與Y軸夾角為γ。

2 理論計算

在實際情況中,由于懸掛點P隨地鐵車輛通過軌道最小曲線半徑的曲線時作空間運動,因此為提高計算公式的精度,對P點的橫坐標x進行修正。

圖2 地鐵車輛跨接電纜計算模型

修正后的橫坐標為:

(1)

式中：

rmin——軌道最小曲線半徑；

θ——最大偏倚角;

t——電纜固定點到車體縱向中心線的距離；

g——緩沖器伸縮量。

6.河道疏浚機械。我國江河湖泊眾多，由于地理環境及水情不同，淤積程度也不盡相同，應該研制開發各種類型的清淤機械，以適應不同條件下的疏浚工作，如水下清淤機和不同噸位的挖泥船，這些機械都應具有高效率、能夠中遠距離輸送和自動監測等功能以及環保、節能特點。

基于懸鏈線方程的跨接電纜方程為:

(2)

式中：

a——列車過曲線半徑最小的曲線時的電纜最小彎曲半徑[1]；

由于電纜通過P點，且電纜在P點處的斜率k=tanγ,由此可求得m值。進而可得跨接電纜長度s為[1]:

(3)

3 軟件實現

在跨接電纜長度計算式中出現的雙曲余弦函數(cosh)和雙曲正弦函數(sinh),其人工求解方法相對復雜繁瑣。為減少計算工作量,縮短計算時間,提高計算精度,利用MATLAB/GUI人機交互界面模塊作為開發地鐵車輛跨接電纜長度計算軟件的平臺。MATLAB軟件因其強大的數學計算功能和GUI模塊被廣泛應用于工程計算等多個研究領域。

根據跨接電纜長度計算式,該計算軟件應主要包括設計人員初始輸入參數、程序計算和計算結果輸出3個模塊。

3.1 交互界面設計

由軟件流程可知,基于MATLAB/GUI模塊設計的人機交互界面包括標題、基本參數組、“計算”與“清零”按鈕及計算結果組4部分(如圖3所示)。其中，基本參數組包括表1中的設計參數;計算結果包括跨接電纜長度s,跨接電纜最低點到車輛限界的距離m1和跨接電纜最小曲率半徑a。

圖3 計算軟件界面

3.2 軟件程序設計

結合GUI編寫MATLAB的程序流程見圖4。

圖4 主程序流程圖

當運行GUI程序時,MATLAB文件生成1個handles結構數組。這個結構數組的域名為圖3中各對象的Tag屬性值。每個域所存儲的值為窗口中各對象的句柄值。handles作為結構數組,還可增加域,并給相應的域賦值。handles作為各子函數的輸入參數,可被各子函數使用；其作用類似于一般編程語言中的全局變量,起數據傳遞的作用。當handles結構被改變后,要用guidata函數更新保存其數據[5]。

在程序設計中,利用各個對象的Callback函數即回調函數編寫邏輯主程序。其中，在各編輯框(Edit Text)的回調函數中寫入其初始顯示函數;在“計算”按鈕的Callback函數中嵌入計算公式。

4 實例驗證

現以北京地鐵7號線車端108芯跨接電纜和直流DC 110 V母線跨接電纜為例,驗證該設計軟件的可行性和準確性。

北京地鐵7號線車輛及車端連接器參數詳見表1。

表1 軟件計算參數表

根據表1計算北京地鐵7號線車端跨接電纜的理論長度值。計算結果見圖4,誤差分析見表2。

表2 地鐵車輛跨接電纜長度計算軟件計算結果與實際值的誤差分析

由計算結果可知,m1>0說明跨接電纜最低點沒有超過車輛限界;由表2可知,理論計算值和實際值的誤差很小。

通過實例驗證結果說明,本文設計的計算軟件可應用于地鐵車輛車端跨接電纜的長度計算并且有較高的準確性。

圖5 地鐵車輛跨接電纜長度計算軟件計算結果

5 結語

本文在基于懸鏈線方程的地鐵車輛跨接電纜長度計算方法之上,完成基于MATLAB/GUI的人機交互計算軟件開發,并以北京地鐵7號線108芯跨接電纜及DC 110 V母線跨接電纜為例,成功驗證了該軟件的準確性。

[1] 王長昌.基于懸鏈線方程的跨接電纜長度計算[J].鐵道車輛,2013,51(6):4.

[2] 張宏應,李洪德.跨接電纜安裝設計研究[J].技術與市場,2014,21(6):49.

[3] 姜廣智.懸鏈線方程在高壓架空輸電線路中的應用[J].科學技術與工程,2008,8(8):1960.

[4] 郭致星.懸鏈線方程數值解法及在ADSS光纜設計中的應用[J].電力系統通信,2002(11):14.

[5] 徐海涵,孫后環,楊謀存,等.基于Matlab/GUI的塔式起重機計算應用軟件的開發[J].起重運輸機械,2010(2):26.

[6] 王玲玲.基于Matlab/GUI的擠壓機擠壓筒計算軟件開發[J].鍛壓技術,2013,38(6):89.

Software Development for Subway Jumper Cable Length Calculation

LI Yanbei, WANG Ziyu, WANG Ping, ZHANG Xinxin

According to the catenary equation, a mathematical model is established for subway jumper cable length calculation. In order to simplify the process of calculation, a visual computing software based on MATLAB/GUI is developed. Then, the 108 core jumper cable and DC 110 V jumper cable used for Beijing metro Line 7 are taken as the example to verify the feasibility of the calculation software, a very small error amount between the calculated value and the actual one is observed.

metro vehicle; jumper cable; length calculation

U 270.38

10.16037/j.1007-869x.2016.06.019

2016-01-06)