专利名称：高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法
技术领域：
本发明属于铁路电气化技术领域，具体涉及一种高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法。
背景技术：
随着高速铁路的发展，特别是在风速较高或风期较长的风区、风口或列车风作用等不利环境条件下，列车运行的安全可靠性受到大风的影响程度愈加突出。架空接触网通常露天架设，长期受环境因素作用，没有备用，一旦发生故障，势必影响高速铁路的正常运营。大风区接触网的可靠性、安全性及弓网系统动态性能是动车组正常运行的重要因素，直接影响高速铁路的安全、正常运行。在侧风的作用下架空接触网产生抬升及风偏的同时，还会产生风致振动。接触网的抬升及横向偏移量的增加，会影响受电弓安全运行和可靠受流；风致振动不仅影响接触网抗疲劳性，还影响弓网高速运行动态质 于挡风墙后的涡流区，这些都还可能进一步加大接触网的风致位移响应。因此有必要分析高速铁路接触网风致响应特性，而风洞试验是研究其风致响应的有效手段，即有必要对高速铁路接触网风致响应风洞试验技术开展研究。目前国内外尚缺乏高速铁路接触网风致响应风洞试验技术的可靠资料。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法，能真实地模拟结构的动力特性和大气边界层的紊流，较准确地反映结构与空气的静动力相互作用，从而考查接触网的风致响应特性，获得正反定位处的抬升量、跨中风偏量和抬升量以及其他关心位置处的相关位移。本发明所采用的技术方案是
高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法，其特征在于
由以下步骤实现
步骤一根据相似比原则设计模型
根据接触网风场及风洞最大试验风速确定风速缩尺比；建立接触网系统结构有限元模型，得到接触网设计参数对其静动力特性的影响规律；由风速比获得适宜模型制作和试验的几何缩尺比，进而获得质量、刚度、张力缩尺比，设计接触网气弹模型；
步骤二 风洞边界层模拟
根据实际接触网缩尺风场环境及接触网几何缩尺比，确定目标风谱；测试并调整风洞的边界层，使其平均风剖面、紊流强度剖面、紊流风谱与目标风谱一致；
步骤三利用接触网系统结构有限元模型进行计算分析，获得接触网的弹性、频率及对应振型；
步骤四制作和安装接触网风洞气弹模型，并对模型的弹性、频率和对应振型进行检验;
步骤五分别在均匀流场和紊流场中进行接触网气弹模型风洞试验，通过攻角板或以线路为轴向旋转模型，来模拟风攻角，两种流场中风致响应的叠加获得总风致响应。步骤一中，接触网设计参数包括跨数、边界条件、接触线和承力索的弹性模量。步骤一中，由风速比获得适宜模型制作和试验的几何缩尺比，是在满足或放弃重力参数相似原则的两种条件下进行的。步骤四中，制作和安装接触网风洞气弹模型包括
1)支柱模型制作和安装立柱上的定位器底座与定位管之间铰接，使定位器能在竖直面内旋转；平臂腕和斜臂腕与立柱铰接，是它们能在水平面内转动；立柱底座与地面固结；
2)张拉装置的设计和安装使用弹簧秤作为张拉装置，装置包括弹簧秤，长螺杆，螺母， 一端固结在地面的带孔立柱，宽度略大于螺杆截面直径；安装时，弹簧秤的一端扣在长螺杆的一端上，长螺杆穿过立柱上的孔，在另一端套上外径大于立柱孔的螺母；张拉时，弹簧秤的另一端扣在接触线或承力索上，通过调节长螺杆上的螺母，可以控制螺杆在边界立柱孔一侧的长度，以此来张紧和放松接触线或承力索，张力可由弹簧秤上读取；
3)接触线和承力索制作和安装接触线和承力索穿过定位器上定位点，在接触网模型两端分别用弹簧秤连接，来调节张力；安装完吊弦并调节好张力后，承力索与立柱连接处固结，定位点固结；
步骤四中，对模型的弹性、频率和对应振型进行检验过程是通过在接触线上定位点和跨中施加竖直向上的力，测定其位移量可计算获得这些点处弹性；通过施加竖向和横向激励，可测定对应振型的一阶固有频率；将测试的弹性及对应振型的频率与有限元模型计算对比，检查调整气弹模型，直至有有限元模型计算结果吻合。本发明具有以下优点
I)实现了高速铁路接触网风致响应风洞试验，该风洞试验技术具有科学性、有效性。2)该风洞试验技术科学合理在满足工程精度的条件下，可适当减少跨数，简化边界条件及模型材料。3)该风洞试验技术可控性强根据接触网所在地形特点，调整风洞的边界元来模拟实际大气边界层流场；通过加攻角板或以线路方向为轴向旋转模型模拟风攻角。4)设计方法实用性强针对线路环境风的风期、风速，开展风洞气弹模型试验，可设计适用该线路的抗风型接触网系统。适用于高速铁路接触网系统的抗风，尤其可用于风速较高或风期较长的风区、风口等不利环境地段具有较高抗风要求的接触网系统抗风设计风洞试验，提高接触网系统的安全可靠性。
图I为本发明的操作流程图。图2为接触网系统结构有限元模型。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明进行详细的说明。参见图I所示的流程，本发明所涉及的高速铁路接触网风致响应风洞试验，由以下步骤实现
步骤一根据相似比原则设计模型。I)确定风速缩尺比，由接触网风场及风洞最大试验风速来确定。2)建立接触网系统结构有限元模型(见图2)，进行接触网设计参数对其静动力特性影响的研究，参数包括跨数、边界条件、接触线和承力索的弹性模量。研究表明使用三跨及其以上跨数、接触线·和承力索两端以弹簧边界替代全补偿装置、放宽了接触线和承力索弹性轴向刚度相似(使用铁丝)的接触网气弹模型可以充分表征实际接触网系统的静动力特性。3)确定气弹模型几何缩尺比先严格满足重力参数相似，由风速比获得几何缩尺比；若所获得几何参数不适宜模型制作和试验，则放弃重力参数相似原则，因为接触选挂系统的刚度主要由张力提供；此时，由多跨接触网气弹模型(三跨及其以上)的跨度总和与风洞尺寸来确定几何缩尺比。4)获得质量、刚度、张力缩尺比，进而设计出接触网气弹模型。步骤二 风洞边界层模拟。I)根据接实际触网缩尺风场环境及接触网几何缩尺比，确定目标风谱。2)测试并调整风洞的边界层，使其平均风剖面、紊流强度剖面、紊流风谱与目标风
谱一致，。步骤三利用接触网系统结构有限元模型进行计算分析。分析获得接触网的弹性、频率及对应振型。步骤四制作和安装接触网风洞气弹模型，并对模型的弹性、频率和对应振型进行检验。I)支柱模型制作和安装立柱上的定位器底座与定位管之间铰接，使定位器能在竖直面内旋转；平臂腕和斜臂腕与立柱铰接，是它们能在水平面内转动；立柱底座与地面固结。2)张拉装置的设计和安装使用弹簧秤作为张拉装置，装置包括弹簧秤，长螺杆，螺母，一端固结在地面的带孔(宽度略大于螺杆截面直径)立柱。安装时，弹簧秤的一端扣在长螺杆的一端上，长螺杆穿过立柱上的孔，在另一端套上外径大于立柱孔的螺母。张拉时，弹簧秤的另一端扣在接触线或承力索上，通过调节长螺杆上的螺母，可以控制螺杆在边界立柱孔一侧的长度，以此来张紧和放松接触线或承力索，张力可由弹簧秤上读取。3)接触线和承力索制作和安装接触线和承力索穿过定位器上定位点，在接触网模型两端分别用弹簧秤连接，来调节张力；安装完吊弦并调节好张力后，承力索与立柱连接处固结，定位点固结。4)模型检验通过在接触线上定位点和跨中施加竖直向上的力,测定其位移量可计算获得这些点处弹性；通过施加竖向和横向激励，可测定对应振型的一阶固有频率。将测试的弹性及对应振型的频率与有限元模型计算对比，检查调整气弹模型，直至有有限元模型计算结果吻合。步骤五开展接触网气弹模型风洞试验。试验分别在均匀流场和紊流场中进行，通过攻角板或以线路为轴向旋转模型，来模拟风攻角。以上两种流场中风致响应的叠加获得总风致响应。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书 而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法，其特征在于 由以下步骤实现 步骤一根据相似比原则设计模型 根据接触网风场及风洞最大试验风速确定风速缩尺比；建立接触网系统结构有限元模型，得到接触网设计参数对其静动力特性的影响规律；由风速比获得适宜模型制作和试验的几何缩尺比，进而获得质量、刚度、张力缩尺比，设计接触网气弹模型； 步骤二 风洞边界层模拟 根据实际接触网缩尺风场环境及接触网几何缩尺比，确定目标风谱；测试并调整风洞的边界层，使其平均风剖面、紊流强度剖面、紊流风谱与目标风谱一致； 步骤三利用接触网系统结构有限元模型进行计算分析，获得接触网的弹性、频率及对应振型； 步骤四制作和安装接触网风洞气弹模型，并对模型的弹性、频率和对应振型进行检验; 步骤五分别在均匀流场和紊流场中进行接触网气弹模型风洞试验，通过攻角板或以线路为轴向旋转模型，来模拟风攻角，两种流场中风致响应的叠加获得总风致响应。
2.根据权利要求I所述的高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法，其特征在于 步骤一中，接触网设计参数包括跨数、边界条件、接触线和承力索的弹性模量。
3.根据权利要求I或2所述的高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法，其特征在于 步骤一中，由风速比获得适宜模型制作和试验的几何缩尺比，是在满足或放弃重力参数相似原则的两种条件下进行的。
4.根据权利要求3所述的高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法，其特征在于 步骤四中，制作和安装接触网风洞气弹模型包括 1)支柱模型制作和安装立柱上的定位器底座与定位管之间铰接，使定位器能在竖直面内旋转；平臂腕和斜臂腕与立柱铰接，是它们能在水平面内转动；立柱底座与地面固结； 2)张拉装置的设计和安装使用弹簧秤作为张拉装置，装置包括弹簧秤，长螺杆，螺母，一端固结在地面的带孔立柱，宽度略大于螺杆截面直径；安装时，弹簧秤的一端扣在长螺杆的一端上，长螺杆穿过立柱上的孔，在另一端套上外径大于立柱孔的螺母；张拉时，弹簧秤的另一端扣在接触线或承力索上，通过调节长螺杆上的螺母，可以控制螺杆在边界立柱孔一侧的长度，以此来张紧和放松接触线或承力索，张力可由弹簧秤上读取； 3)接触线和承力索制作和安装接触线和承力索穿过定位器上定位点，在接触网模型两端分别用弹簧秤连接，来调节张力；安装完吊弦并调节好张力后，承力索与立柱连接处固结，定位点固结。
5.根据权利要求4所述的高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法，其特征在于 步骤四中，对模型的弹性、频率和对应振型进行检验过程是通过在接触线上定位点和跨中施加竖直向上的力，测定其位移量可计算获得这些点处弹性；通过施加竖向和横向激励，可测定对应振型的一阶固有频率；将测试的弹性及对应振型的频率与有限元模型计算对比，检查调整气弹模型，直至有有限元模型计算结果吻合。
全文摘要
本发明涉及一种高速铁路接触网风致响应风洞的试验方法。风洞试验是研究高速铁路接触网风致响应的有效手段，目前缺乏该试验技术的可靠资料。本发明根据相似比原则设计模型；然后进行风洞边界层模拟；利用接触网系统结构有限元模型进行计算分析，获得接触网的弹性、频率及对应振型；制作和安装接触网风洞气弹模型，并对模型的弹性、频率和对应振型进行检验；分别在均匀流场和紊流场中进行接触网气弹模型风洞试验，叠加获得总风致响应。本发明在满足工程精度的条件下减少跨数、简化边界条件及模型材料，可控性强，实用性强，针对线路环境风的风期、风速，开展风洞气弹模型试验，可设计适用该线路的抗风型接触网系统，提高接触网系统的安全可靠性。
文档编号G01M9/02GK102798509SQ201210285928
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者刘改红, 马存明, 赵玮, 田志军, 韩佳栋, 栗怀广, 廖海黎, 张学武, 张东明, 王洪林, 王玉环, 郭凤平, 孙永革, 田升平, 郑刚, 宋杰, 刘勇, 李晋, 宫衍圣 申请人:中铁第一勘察设计院集团有限公司