地铁车辆跨接电缆长度计算软件的开发

李雁北 王子煜 王 平 张鑫鑫

(北京地铁车辆装备有限公司,100079，北京 ∥助理工程师)



地铁车辆跨接电缆长度计算软件的开发

李雁北 王子煜 王 平 张鑫鑫

(北京地铁车辆装备有限公司,100079，北京 ∥助理工程师)

基于悬链线方程建立地铁车辆跨接电缆数学模型,确立电缆长度计算方法;为简化计算过程,利用MATLAB/GUI(人机交互界面)开发设计可视化计算软件。并以北京地铁7号线车端108芯跨接电缆及直流DC 110 V母线跨接电缆为例,进行实例验证。计算过程简单直观，得到的计算值和实际值误差很小，从而验证了计算软件的可靠性。

地铁车辆；跨接电缆；长度计算

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

地铁车辆的跨接电缆(见图1)是地铁车辆之间电气连接的重要组成部件，为车辆提供高低压电路的跨接,并为列车间控制、网络等信号的传输提供介质。

图1 地铁车辆跨接电缆

目前,文献[1]提出了一种基于悬链线方程的跨接电缆长度计算方法,并成功应用于CRH3型动车组。本文在此方法的基础上提出了地铁车辆跨接电缆长度的计算方法,并开发出一款基于MATLAB/GUI(人机交互界面)的可视化计算软件。

1 建模分析

根据参考文献[2],车辆跨接电缆自身受到的重力、张力对其使用寿命的影响较小;而在列车运动时,车钩对电缆悬挂点的的拉伸及压缩等作用是影响跨接电缆使用寿命的重要因素之一。因此,如果跨接电缆自由悬挂时能满足悬挂点处电缆的斜率垂直于安装板,则可保证车钩运动对电缆使用寿命的影响最小。

综上所述,为不影响车辆跨接电缆的使用寿命,在建立数学模型时,将安装后跨接电缆在悬挂点处的斜率与安装板垂直作为建模约束条件之一。

结合车辆实际运行状态归纳出的其他约束准则包括:①悬挂点之间的直线距离最小时，电缆最低点不得超过车辆限界;②悬挂点之间的直线距离最小时，电缆的曲率半径在规定的电缆最小曲率半径之内; ③悬挂点之间的直线距离最大时，电缆不得因拉伸而受到过大的拉应力。

根据上述约束条件，建立基于悬链线方程的地铁跨接电缆计算模型[1](见图2)。设m(o,m)点为电缆最低点，以运行轨的轨面为x轴,过m点垂直于轨面为y轴建立坐标系。其中,C1为悬挂电缆,P(x,y)为悬挂点,且电缆在P点与安装板垂直,安装板与Y轴夹角为γ。

2 理论计算

在实际情况中,由于悬挂点P随地铁车辆通过轨道最小曲线半径的曲线时作空间运动,因此为提高计算公式的精度,对P点的横坐标x进行修正。

图2 地铁车辆跨接电缆计算模型

修正后的横坐标为:

(1)

式中：

rmin——轨道最小曲线半径；

θ——最大偏倚角;

t——电缆固定点到车体纵向中心线的距离；

g——缓冲器伸缩量。

6.河道疏浚机械。我国江河湖泊众多，由于地理环境及水情不同，淤积程度也不尽相同，应该研制开发各种类型的清淤机械，以适应不同条件下的疏浚工作，如水下清淤机和不同吨位的挖泥船，这些机械都应具有高效率、能够中远距离输送和自动监测等功能以及环保、节能特点。

基于悬链线方程的跨接电缆方程为:

(2)

式中：

a——列车过曲线半径最小的曲线时的电缆最小弯曲半径[1]；

由于电缆通过P点，且电缆在P点处的斜率k=tanγ,由此可求得m值。进而可得跨接电缆长度s为[1]:

(3)

3 软件实现

在跨接电缆长度计算式中出现的双曲余弦函数(cosh)和双曲正弦函数(sinh),其人工求解方法相对复杂繁琐。为减少计算工作量,缩短计算时间,提高计算精度,利用MATLAB/GUI人机交互界面模块作为开发地铁车辆跨接电缆长度计算软件的平台。MATLAB软件因其强大的数学计算功能和GUI模块被广泛应用于工程计算等多个研究领域。

根据跨接电缆长度计算式,该计算软件应主要包括设计人员初始输入参数、程序计算和计算结果输出3个模块。

3.1 交互界面设计

由软件流程可知,基于MATLAB/GUI模块设计的人机交互界面包括标题、基本参数组、“计算”与“清零”按钮及计算结果组4部分(如图3所示)。其中，基本参数组包括表1中的设计参数;计算结果包括跨接电缆长度s,跨接电缆最低点到车辆限界的距离m1和跨接电缆最小曲率半径a。

图3 计算软件界面

3.2 软件程序设计

结合GUI编写MATLAB的程序流程见图4。

图4 主程序流程图

当运行GUI程序时,MATLAB文件生成1个handles结构数组。这个结构数组的域名为图3中各对象的Tag属性值。每个域所存储的值为窗口中各对象的句柄值。handles作为结构数组,还可增加域,并给相应的域赋值。handles作为各子函数的输入参数,可被各子函数使用；其作用类似于一般编程语言中的全局变量,起数据传递的作用。当handles结构被改变后,要用guidata函数更新保存其数据[5]。

在程序设计中,利用各个对象的Callback函数即回调函数编写逻辑主程序。其中，在各编辑框(Edit Text)的回调函数中写入其初始显示函数;在“计算”按钮的Callback函数中嵌入计算公式。

4 实例验证

现以北京地铁7号线车端108芯跨接电缆和直流DC 110 V母线跨接电缆为例,验证该设计软件的可行性和准确性。

北京地铁7号线车辆及车端连接器参数详见表1。

表1 软件计算参数表

根据表1计算北京地铁7号线车端跨接电缆的理论长度值。计算结果见图4,误差分析见表2。

表2 地铁车辆跨接电缆长度计算软件计算结果与实际值的误差分析

由计算结果可知,m1>0说明跨接电缆最低点没有超过车辆限界;由表2可知,理论计算值和实际值的误差很小。

通过实例验证结果说明,本文设计的计算软件可应用于地铁车辆车端跨接电缆的长度计算并且有较高的准确性。

图5 地铁车辆跨接电缆长度计算软件计算结果

5 结语

本文在基于悬链线方程的地铁车辆跨接电缆长度计算方法之上,完成基于MATLAB/GUI的人机交互计算软件开发,并以北京地铁7号线108芯跨接电缆及DC 110 V母线跨接电缆为例,成功验证了该软件的准确性。

[1] 王长昌.基于悬链线方程的跨接电缆长度计算[J].铁道车辆,2013,51(6):4.

[2] 张宏应,李洪德.跨接电缆安装设计研究[J].技术与市场,2014,21(6):49.

[3] 姜广智.悬链线方程在高压架空输电线路中的应用[J].科学技术与工程,2008,8(8):1960.

[4] 郭致星.悬链线方程数值解法及在ADSS光缆设计中的应用[J].电力系统通信,2002(11):14.

[5] 徐海涵,孙后环,杨谋存,等.基于Matlab/GUI的塔式起重机计算应用软件的开发[J].起重运输机械,2010(2):26.

[6] 王玲玲.基于Matlab/GUI的挤压机挤压筒计算软件开发[J].锻压技术,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)