專利名稱：高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法
技術領域：
本發明屬于鐵路電氣化技術領域，具體涉及一種高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法。
背景技術：
隨著高速鐵路的發展，特別是在風速較高或風期較長的風區、風口或列車風作用等不利環境條件下，列車運行的安全可靠性受到大風的影響程度愈加突出。架空接觸網通常露天架設，長期受環境因素作用，沒有備用，一旦發生故障，勢必影響高速鐵路的正常運營。大風區接觸網的可靠性、安全性及弓網系統動態性能是動車組正常運行的重要因素，直接影響高速鐵路的安全、正常運行。在側風的作用下架空接觸網產生抬升及風偏的同時，還會產生風致振動。接觸網的抬升及橫向偏移量的增加，會影響受電弓安全運行和可靠受流；風致振動不僅影響接觸網抗疲勞性，還影響弓網高速運行動態質 于擋風墻后的渦流區，這些都還可能進一步加大接觸網的風致位移響應。因此有必要分析高速鐵路接觸網風致響應特性，而風洞試驗是研究其風致響應的有效手段，即有必要對高速鐵路接觸網風致響應風洞試驗技術開展研究。目前國內外尚缺乏高速鐵路接觸網風致響應風洞試驗技術的可靠資料。

發明內容
本發明的目的是提供一種高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法，能真實地模擬結構的動力特性和大氣邊界層的紊流，較準確地反映結構與空氣的靜動力相互作用，從而考查接觸網的風致響應特性，獲得正反定位處的抬升量、跨中風偏量和抬升量以及其他關心位置處的相關位移。本發明所采用的技術方案是
高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法，其特征在于
由以下步驟實現
步驟一根據相似比原則設計模型
根據接觸網風場及風洞最大試驗風速確定風速縮尺比；建立接觸網系統結構有限元模型，得到接觸網設計參數對其靜動力特性的影響規律；由風速比獲得適宜模型制作和試驗的幾何縮尺比，進而獲得質量、剛度、張力縮尺比，設計接觸網氣彈模型；
步驟二 風洞邊界層模擬
根據實際接觸網縮尺風場環境及接觸網幾何縮尺比，確定目標風譜；測試并調整風洞的邊界層，使其平均風剖面、紊流強度剖面、紊流風譜與目標風譜一致；
步驟三利用接觸網系統結構有限元模型進行計算分析，獲得接觸網的彈性、頻率及對應振型；
步驟四制作和安裝接觸網風洞氣彈模型，并對模型的彈性、頻率和對應振型進行檢驗;
步驟五分別在均勻流場和紊流場中進行接觸網氣彈模型風洞試驗，通過攻角板或以線路為軸向旋轉模型，來模擬風攻角，兩種流場中風致響應的疊加獲得總風致響應。步驟一中，接觸網設計參數包括跨數、邊界條件、接觸線和承力索的彈性模量。步驟一中，由風速比獲得適宜模型制作和試驗的幾何縮尺比，是在滿足或放棄重力參數相似原則的兩種條件下進行的。步驟四中，制作和安裝接觸網風洞氣彈模型包括
1)支柱模型制作和安裝立柱上的定位器底座與定位管之間鉸接，使定位器能在豎直面內旋轉；平臂腕和斜臂腕與立柱鉸接，是它們能在水平面內轉動；立柱底座與地面固結；
2)張拉裝置的設計和安裝使用彈簧秤作為張拉裝置，裝置包括彈簧秤，長螺桿，螺母， 一端固結在地面的帶孔立柱，寬度略大于螺桿截面直徑；安裝時，彈簧秤的一端扣在長螺桿的一端上，長螺桿穿過立柱上的孔，在另一端套上外徑大于立柱孔的螺母；張拉時，彈簧秤的另一端扣在接觸線或承力索上，通過調節長螺桿上的螺母，可以控制螺桿在邊界立柱孔一側的長度，以此來張緊和放松接觸線或承力索，張力可由彈簧秤上讀取；
3)接觸線和承力索制作和安裝接觸線和承力索穿過定位器上定位點，在接觸網模型兩端分別用彈簧秤連接，來調節張力；安裝完吊弦并調節好張力后，承力索與立柱連接處固結，定位點固結；
步驟四中，對模型的彈性、頻率和對應振型進行檢驗過程是通過在接觸線上定位點和跨中施加豎直向上的力，測定其位移量可計算獲得這些點處彈性；通過施加豎向和橫向激勵，可測定對應振型的一階固有頻率；將測試的彈性及對應振型的頻率與有限元模型計算對比，檢查調整氣彈模型，直至有有限元模型計算結果吻合。本發明具有以下優點
I)實現了高速鐵路接觸網風致響應風洞試驗，該風洞試驗技術具有科學性、有效性。2)該風洞試驗技術科學合理在滿足工程精度的條件下，可適當減少跨數，簡化邊界條件及模型材料。3)該風洞試驗技術可控性強根據接觸網所在地形特點，調整風洞的邊界元來模擬實際大氣邊界層流場；通過加攻角板或以線路方向為軸向旋轉模型模擬風攻角。4)設計方法實用性強針對線路環境風的風期、風速，開展風洞氣彈模型試驗，可設計適用該線路的抗風型接觸網系統。適用于高速鐵路接觸網系統的抗風，尤其可用于風速較高或風期較長的風區、風口等不利環境地段具有較高抗風要求的接觸網系統抗風設計風洞試驗，提高接觸網系統的安全可靠性。


圖I為本發明的操作流程圖。圖2為接觸網系統結構有限元模型。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明進行詳細的說明。參見圖I所示的流程，本發明所涉及的高速鐵路接觸網風致響應風洞試驗，由以下步驟實現
步驟一根據相似比原則設計模型。I)確定風速縮尺比，由接觸網風場及風洞最大試驗風速來確定。2)建立接觸網系統結構有限元模型(見圖2)，進行接觸網設計參數對其靜動力特性影響的研究，參數包括跨數、邊界條件、接觸線和承力索的彈性模量。研究表明使用三跨及其以上跨數、接觸線·和承力索兩端以彈簧邊界替代全補償裝置、放寬了接觸線和承力索彈性軸向剛度相似(使用鐵絲)的接觸網氣彈模型可以充分表征實際接觸網系統的靜動力特性。3)確定氣彈模型幾何縮尺比先嚴格滿足重力參數相似，由風速比獲得幾何縮尺比；若所獲得幾何參數不適宜模型制作和試驗，則放棄重力參數相似原則，因為接觸選掛系統的剛度主要由張力提供；此時，由多跨接觸網氣彈模型(三跨及其以上)的跨度總和與風洞尺寸來確定幾何縮尺比。4)獲得質量、剛度、張力縮尺比，進而設計出接觸網氣彈模型。步驟二 風洞邊界層模擬。I)根據接實際觸網縮尺風場環境及接觸網幾何縮尺比，確定目標風譜。2)測試并調整風洞的邊界層，使其平均風剖面、紊流強度剖面、紊流風譜與目標風
譜一致，。步驟三利用接觸網系統結構有限元模型進行計算分析。分析獲得接觸網的彈性、頻率及對應振型。步驟四制作和安裝接觸網風洞氣彈模型，并對模型的彈性、頻率和對應振型進行檢驗。I)支柱模型制作和安裝立柱上的定位器底座與定位管之間鉸接，使定位器能在豎直面內旋轉；平臂腕和斜臂腕與立柱鉸接，是它們能在水平面內轉動；立柱底座與地面固結。2)張拉裝置的設計和安裝使用彈簧秤作為張拉裝置，裝置包括彈簧秤，長螺桿，螺母，一端固結在地面的帶孔(寬度略大于螺桿截面直徑)立柱。安裝時，彈簧秤的一端扣在長螺桿的一端上，長螺桿穿過立柱上的孔，在另一端套上外徑大于立柱孔的螺母。張拉時，彈簧秤的另一端扣在接觸線或承力索上，通過調節長螺桿上的螺母，可以控制螺桿在邊界立柱孔一側的長度，以此來張緊和放松接觸線或承力索，張力可由彈簧秤上讀取。3)接觸線和承力索制作和安裝接觸線和承力索穿過定位器上定位點，在接觸網模型兩端分別用彈簧秤連接，來調節張力；安裝完吊弦并調節好張力后，承力索與立柱連接處固結，定位點固結。4)模型檢驗通過在接觸線上定位點和跨中施加豎直向上的力,測定其位移量可計算獲得這些點處彈性；通過施加豎向和橫向激勵，可測定對應振型的一階固有頻率。將測試的彈性及對應振型的頻率與有限元模型計算對比，檢查調整氣彈模型，直至有有限元模型計算結果吻合。步驟五開展接觸網氣彈模型風洞試驗。試驗分別在均勻流場和紊流場中進行，通過攻角板或以線路為軸向旋轉模型，來模擬風攻角。以上兩種流場中風致響應的疊加獲得總風致響應。
本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書 而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法，其特征在于 由以下步驟實現 步驟一根據相似比原則設計模型 根據接觸網風場及風洞最大試驗風速確定風速縮尺比；建立接觸網系統結構有限元模型，得到接觸網設計參數對其靜動力特性的影響規律；由風速比獲得適宜模型制作和試驗的幾何縮尺比，進而獲得質量、剛度、張力縮尺比，設計接觸網氣彈模型； 步驟二 風洞邊界層模擬 根據實際接觸網縮尺風場環境及接觸網幾何縮尺比，確定目標風譜；測試并調整風洞的邊界層，使其平均風剖面、紊流強度剖面、紊流風譜與目標風譜一致； 步驟三利用接觸網系統結構有限元模型進行計算分析，獲得接觸網的彈性、頻率及對應振型； 步驟四制作和安裝接觸網風洞氣彈模型，并對模型的彈性、頻率和對應振型進行檢驗; 步驟五分別在均勻流場和紊流場中進行接觸網氣彈模型風洞試驗，通過攻角板或以線路為軸向旋轉模型，來模擬風攻角，兩種流場中風致響應的疊加獲得總風致響應。
2.根據權利要求I所述的高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法，其特征在于 步驟一中，接觸網設計參數包括跨數、邊界條件、接觸線和承力索的彈性模量。
3.根據權利要求I或2所述的高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法，其特征在于 步驟一中，由風速比獲得適宜模型制作和試驗的幾何縮尺比，是在滿足或放棄重力參數相似原則的兩種條件下進行的。
4.根據權利要求3所述的高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法，其特征在于 步驟四中，制作和安裝接觸網風洞氣彈模型包括 1)支柱模型制作和安裝立柱上的定位器底座與定位管之間鉸接，使定位器能在豎直面內旋轉；平臂腕和斜臂腕與立柱鉸接，是它們能在水平面內轉動；立柱底座與地面固結； 2)張拉裝置的設計和安裝使用彈簧秤作為張拉裝置，裝置包括彈簧秤，長螺桿，螺母，一端固結在地面的帶孔立柱，寬度略大于螺桿截面直徑；安裝時，彈簧秤的一端扣在長螺桿的一端上，長螺桿穿過立柱上的孔，在另一端套上外徑大于立柱孔的螺母；張拉時，彈簧秤的另一端扣在接觸線或承力索上，通過調節長螺桿上的螺母，可以控制螺桿在邊界立柱孔一側的長度，以此來張緊和放松接觸線或承力索，張力可由彈簧秤上讀取； 3)接觸線和承力索制作和安裝接觸線和承力索穿過定位器上定位點，在接觸網模型兩端分別用彈簧秤連接，來調節張力；安裝完吊弦并調節好張力后，承力索與立柱連接處固結，定位點固結。
5.根據權利要求4所述的高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法，其特征在于 步驟四中，對模型的彈性、頻率和對應振型進行檢驗過程是通過在接觸線上定位點和跨中施加豎直向上的力，測定其位移量可計算獲得這些點處彈性；通過施加豎向和橫向激勵，可測定對應振型的一階固有頻率；將測試的彈性及對應振型的頻率與有限元模型計算對比，檢查調整氣彈模型，直至有有限元模型計算結果吻合。
全文摘要
本發明涉及一種高速鐵路接觸網風致響應風洞的試驗方法。風洞試驗是研究高速鐵路接觸網風致響應的有效手段，目前缺乏該試驗技術的可靠資料。本發明根據相似比原則設計模型；然后進行風洞邊界層模擬；利用接觸網系統結構有限元模型進行計算分析，獲得接觸網的彈性、頻率及對應振型；制作和安裝接觸網風洞氣彈模型，并對模型的彈性、頻率和對應振型進行檢驗；分別在均勻流場和紊流場中進行接觸網氣彈模型風洞試驗，疊加獲得總風致響應。本發明在滿足工程精度的條件下減少跨數、簡化邊界條件及模型材料，可控性強，實用性強，針對線路環境風的風期、風速，開展風洞氣彈模型試驗，可設計適用該線路的抗風型接觸網系統，提高接觸網系統的安全可靠性。
文檔編號G01M9/02GK102798509SQ201210285928
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者劉改紅, 馬存明, 趙瑋, 田志軍, 韓佳棟, 栗懷廣, 廖海黎, 張學武, 張東明, 王洪林, 王玉環, 郭鳳平, 孫永革, 田升平, 鄭剛, 宋杰, 劉勇, 李晉, 宮衍圣 申請人:中鐵第一勘察設計院集團有限公司