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(jì)算軟件的開發(fā)

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(shù)學(xué)模型,確立電纜長度計(jì)算方法;為簡化計(jì)算過程,利用MATLAB/GUI(人機(jī)交互界面)開發(fā)設(shè)計(jì)可視化計(jì)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(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。計(jì)算過程簡單直觀，得到的計(jì)算值和實(shí)際值誤差很小，從而驗(yàn)證了計(jì)算軟件的可靠性。

地鐵車輛；跨接電纜；長度計(jì)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(wǎng)絡(luò)等信號的傳輸提供介質(zhì)。

圖1 地鐵車輛跨接電纜

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

1 建模分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(yùn)動(dòng)時(shí),車鉤對電纜懸掛點(diǎn)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(shí)能滿足懸掛點(diǎn)處電纜的斜率垂直于安裝板,則可保證車鉤運(yùn)動(dòng)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(shù)學(xué)模型時(shí),將安裝后跨接電纜在懸掛點(diǎn)處的斜率與安裝板垂直作為建模約束條件之一。

結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)歸納出的其他約束準(zhǔn)則包括:①懸掛點(diǎn)之間的直線距離最小時(shí)，電纜最低點(diǎn)不得超過車輛限界;②懸掛點(diǎn)之間的直線距離最小時(shí)，電纜的曲率半徑在規(guī)定的電纜最小曲率半徑之內(nèi); ③懸掛點(diǎn)之間的直線距離最大時(shí)，電纜不得因拉伸而受到過大的拉應(yīng)力。

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

2 理論計(jì)算

在實(shí)際情況中,由于懸掛點(diǎn)P隨地鐵車輛通過軌道最小曲線半徑的曲線時(shí)作空間運(yùn)動(dòng),因此為提高計(jì)算公式的精度,對P點(diǎn)的橫坐標(biāo)x進(jìn)行修正。

圖2 地鐵車輛跨接電纜計(jì)算模型

修正后的橫坐標(biāo)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(diǎn)到車體縱向中心線的距離；

g——緩沖器伸縮量。

6.河道疏浚機(jī)械。我國江河湖泊眾多，由于地理環(huán)境及水情不同，淤積程度也不盡相同，應(yīng)該研制開發(fā)各種類型的清淤機(jī)械，以適應(yīng)不同條件下的疏浚工作，如水下清淤機(jī)和不同噸位的挖泥船，這些機(jī)械都應(yīng)具有高效率、能夠中遠(yuǎn)距離輸送和自動(dòng)監(jiān)測等功能以及環(huán)保、節(jié)能特點(diǎn)。

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(shí)的電纜最小彎曲半徑[1]；

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

(3)

3 軟件實(shí)現(xiàn)

在跨接電纜長度計(jì)算式中出現(xiàn)的雙曲余弦函數(shù)(cosh)和雙曲正弦函數(shù)(sinh),其人工求解方法相對復(fù)雜繁瑣。為減少計(jì)算工作量,縮短計(jì)算時(shí)間,提高計(jì)算精度,利用MATLAB/GUI人機(jī)交互界面模塊作為開發(fā)地鐵車輛跨接電纜長度計(jì)算軟件的平臺。MATLAB軟件因其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能和GUI模塊被廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算等多個(gè)研究領(lǐng)域。

根據(jù)跨接電纜長度計(jì)算式,該計(jì)算軟件應(yīng)主要包括設(shè)計(jì)人員初始輸入?yún)?shù)、程序計(jì)算和計(jì)算結(jié)果輸出3個(gè)模塊。

3.1 交互界面設(shè)計(jì)

由軟件流程可知,基于MATLAB/GUI模塊設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面包括標(biāo)題、基本參數(shù)組、“計(jì)算”與“清零”按鈕及計(jì)算結(jié)果組4部分(如圖3所示)。其中，基本參數(shù)組包括表1中的設(shè)計(jì)參數(shù);計(jì)算結(jié)果包括跨接電纜長度s,跨接電纜最低點(diǎn)到車輛限界的距離m1和跨接電纜最小曲率半徑a。

圖3 計(jì)算軟件界面

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

結(jié)合GUI編寫MATLAB的程序流程見圖4。

圖4 主程序流程圖

當(dāng)運(yùn)行GUI程序時(shí),MATLAB文件生成1個(gè)handles結(jié)構(gòu)數(shù)組。這個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組的域名為圖3中各對象的Tag屬性值。每個(gè)域所存儲的值為窗口中各對象的句柄值。handles作為結(jié)構(gòu)數(shù)組,還可增加域,并給相應(yīng)的域賦值。handles作為各子函數(shù)的輸入?yún)?shù),可被各子函數(shù)使用；其作用類似于一般編程語言中的全局變量,起數(shù)據(jù)傳遞的作用。當(dāng)handles結(jié)構(gòu)被改變后,要用guidata函數(shù)更新保存其數(shù)據(jù)[5]。

在程序設(shè)計(jì)中,利用各個(gè)對象的Callback函數(shù)即回調(diào)函數(shù)編寫邏輯主程序。其中，在各編輯框(Edit Text)的回調(diào)函數(shù)中寫入其初始顯示函數(shù);在“計(jì)算”按鈕的Callback函數(shù)中嵌入計(jì)算公式。

4 實(shí)例驗(yàn)證

現(xiàn)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(yàn)證該設(shè)計(jì)軟件的可行性和準(zhǔn)確性。

北京地鐵7號線車輛及車端連接器參數(shù)詳見表1。

表1 軟件計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)表1計(jì)算北京地鐵7號線車端跨接電纜的理論長度值。計(jì)算結(jié)果見圖4,誤差分析見表2。

表2 地鐵車輛跨接電纜長度計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的誤差分析

由計(jì)算結(jié)果可知,m1>0說明跨接電纜最低點(diǎn)沒有超過車輛限界;由表2可知,理論計(jì)算值和實(shí)際值的誤差很小。

通過實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果說明,本文設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件可應(yīng)用于地鐵車輛車端跨接電纜的長度計(jì)算并且有較高的準(zhǔn)確性。

圖5 地鐵車輛跨接電纜長度計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

本文在基于懸鏈線方程的地鐵車輛跨接電纜長度計(jì)算方法之上,完成基于MATLAB/GUI的人機(jī)交互計(jì)算軟件開發(fā),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(yàn)證了該軟件的準(zhǔn)確性。

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

[2] 張宏應(yīng),李洪德.跨接電纜安裝設(shè)計(jì)研究[J].技術(shù)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(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(8):1960.

[4] 郭致星.懸鏈線方程數(shù)值解法及在ADSS光纜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信,2002(11):14.

[5] 徐海涵,孫后環(huán),楊謀存,等.基于Matlab/GUI的塔式起重機(jī)計(jì)算應(yīng)用軟件的開發(fā)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2010(2):26.

[6] 王玲玲.基于Matlab/GUI的擠壓機(jī)擠壓筒計(jì)算軟件開發(fā)[J].鍛壓技術(shù),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)