автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Совершенствование методов проектирования пространственно-ромбовидной контактной сети

МПС РОССИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи УДК 621.332.3

ДЕМЧЕНКО Тимофей Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО - РОМБОВИДНОЙ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

05.22.09 - Электрификация железнодорожного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Москва —1996

Работа выполнена в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, академик академии транспорта РФ,

заслуженный деятель науки и техники РФ БАРАНОВ

Леонид Аврамович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

ГУКОВ

Анатолий Игнатьевич ЭПШТЕЙН Георгий Львович

Ведущая организация: ТРАНСЭЛЕКТРОПРОЕКТ

Защита диссертации состоится 1996 г. ъ Ю час.

на заседании специализированного совета К 114.09.02 при Российском государственном техническом университете путей сообщения по адресу: 125 808, г. Москва, ул. Часовая 22/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГОТУПС.

Афтореферат разослан "Ó " 1996 г.

Отзыв на автореферат просим npí/сылать по адресу совета университета.

Ученый секретарь

специализированного совета л

кандидат технических наук, доцент

IMMW

П. Б. Куликов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Использование пространственно-ромбовидной контактной сети (ПРАКС) на железных дорогах-России и за рубежом началось более десяти лет назад.. Опыт эксплуатации подтвердил теоретические положения о высокой эффективности работы подвески как на открытых участках пути, - так и в искусственных сооружениях. Поэтому, в настоящее время,. объемы работ по исследованию и проектированию ПРАКС имеют тенденцию к увеличению.

Расширение полигона электрифицированных железных дорог с использованием ПРАКС поставило новое требование, к методам проектирования этой подвески: совершенствование методов проектирования контактной сети на основе существенного" уменьшения ручного труда и максимальном использовании современных средств вычислительной техники.

Существовавшие методики расчета пространственной подвески основаны на применении микрокалькуляторов. Процесс проектирования был трудоемок и сложен. Более 90% всего времени затрачивалось на осуществление однотипных вычислений, на основании которых принимались проектные решения. Значительные затраты времени обусловлены большим количеством расчетных соотношений, их емкостью и числом рассчитываемых параметров контактной сети. Это особенно актуально для ПРАКС, конструктивные схемы и математическая модель которой, представляются более сложными при расчетах, чем аналогичные показатели для широко распространенных цепных подвесок. Таким образом, затрачиваемое на подготовительные проектные работы время стало значительно превышать современные требования к срокам внедрения.

Опыт проектирования также показал, что для пространственных подвесок технология расчетов, полностью основанная на результатах

типового проектирования, не может быть применена. Это обусловлено большим количеством различных вариаций задающих параметров, определяющих условия монтажа и эксплуатации подвески. ПРАКС часто применяется на сложных участках: с большим количеством тоннелей и кривых, с высокими ветровыми нагрузками, с различным расположением проводов на о порах. Применение ПРАКС в искусственных сооружениях с малыми вертикальными и горизонтальными габаритами также существенно усложняет процесс проектирования.

До настоящего времени не были решены задачи обработки крупных массивов информации, получаемых при выполнении проектирования устройств контактной сети. Отсутствовала возможность анализа всех расчетных вариантов для нахождения наилучших конструкционных схем и параметров подвески.

Ввиду необходимости совершенствования подходов к проведению проектно-иселедовательских работ, было принято решение о поиске и разработке новых методов, позволивших повысить эффективность труда инженера. Для решения этой задачи выбрана одна из наиболее интенсивно развивающихся современных инженерных технологий — автоматизирЬванное проектирование. Создание системы автоматизированного проектирования (САПР) пространственно-ромбовидной контактной сети позволило дополнить и усовершенствовать существовавшие методы расчета подвески, а также существенно повысить экономическую эффективность работ.

Цель работы. Создание системы автоматизированного проектирования пространственно-ромбовидной контактной сети, объединяющей методы расчета и анализа контактной подвески, а также строительных конструкций, применяемых для монтажа ПРАКС. Разработка программно-информационного обеспечения САПР на основе применения современной вычислительной техники.

Основными задачами работы являются:

• разработка структуры САПР, на основе универсальных принципов построения масштабных программно-технических комплексов; , -

• разработка автоматизированных методов расчета конструкционных параметров и жесткостных характеристик ПРАКС;

• разработка автоматизированных методов расчета опор и поддерживающих конструкций, применяющихся для монтажа ПРАКС;

• разработка алгоритмов моделирования и анализа геометрических параметров искусственных сооружений;

• создание автоматизированных методов расчета длин пролетов ПРАКС на открытых участках пути и в искусственных сооружениях;

• формализация математических моделей проектируемых объектов;

• разработка программной информационной среды САПР — банков данных и методов представления информации;

• создание и сопровождение программного обеспечения САПР .

Методика исследований. При выполнении работы проводились теоретические исследования и осуществлена практическая реализация основной задачи диссертации.

Теоретические исследования включали методы и алгоритмы расчета параметров пространственно-ромбовидной контактной сети, расчета опорных конструкций и моделирования габаритов искусственных сооружений. Также исследовались принципы построения систем автоматизированного проектирования и общие подходы к разработке компонент информационной среды инженерных программных комплексов.

Практическая реализация САПР выполнена с применением

языков программирования высшего уровня Visual Basic и Pascal, под операционной системой Windows 95.

Научная новизна. Создана система автоматизированного проектирования, включающая алгоритмы большинства задач, решаемых при проектировании ПРАКС.

Разработана и программно реализована открытая модульно-иерархическая структура, обеспечивающая взаимодействие вычислительных, информационных и служебных компонент в единой системе. Применена открытая системная идеология, позволяющая расширять круг объектов исследования, увеличивать перечень вычислительных алгоритмов, добавлять новые или видоизменять существующие методы проектирования.

Разработан комплекс вычислительных модулей системы автоматизированного проектирования и методы их информационного взаимодействия. Созданы алгоритмические схемы автоматизированного проектирования, объединяющие отдельные вычислительные модули в единые расчетные методы.

Реализованы компоненты информационной среды в области контактных сетей, включая банки данных узлов и деталей контактной сети, а также монтажных нормативных ограничений. Предложены различные методы представления проектной информации.

Практическая ценность. Эффект от внедрения разработанной САПР ПРАКС основан на следующих положениях:

• автоматизированный поиск наилучших конструкционных решений проводится на основе результатов существенно большего объема расчетной информации; < ■

• экономия времени, затрачиваемого на проведение расчетов и формирование технической документации, составляет около 95%, по сравнению с традиционными методами проектирования;

• проектные решения, в форме таблиц и графических зависимостей строятся по результатам большего количества расчетных итераций;

• графические, текстовые и чертежные форматы представления данных САПР значительно улучшают восприятие проектной информации;

• достоверность результатов работы САПР подтверждена в результате тестирования и опытной эксплуатации, в ходе которых установлено, что проектные данные, полученные с помощью системы автоматизированного проектирования, обладают значительно большей точностью и достоверностью.

Реализация работы. Программно-технический комплекс САПР был использован в качестве основного инструмента проведения вычислений при подготовке типового проекта пространственно-ромбовидной контактной сети. САПР применялась для исследования возможности монтажа ПРАКС в ряде искусственных сооружений китайских железных дорог и на Московской железной дороге.

Программно-технический комплекс САПР ПРАКС установлен на кафедре "Энергоснабжение электрических железных дорог" РГОТУПС и используется для проведения проектных и исследовательских работ.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на кафедре "Энергоснабжение электрических железных дорог" (г. Москва, РГОТУПС, 1995 г.), на кафедре "Управление и информатика в технических системах" (г. Москва, МГУПС, 1995 г.), на научно-методической конференции "Современные научные аспекты функционирования транспортного комплекса и развитие его кадрового потенциала" (г. Москва, РГОТУПС, 1995 г.). По результатам опубликовано 4 научных статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, основных результатов и выводов, списка литературы из 108 наименований и приложения. Работа содержит 141 страницу основного машинописного текста, 9 таблиц и 41 рисунок. Приложение содержит 22 страницы.

Основное содержание работы

Во введении кратко показана актуальность выбранной темы, указывается цель работы и методы исследования. Дана характеристика структуры работы и сформулированы основные положения выносимые на защиту.

В первой главе показана актуальность разработки программного комплекса для проведения исследований и расчетов ПРАКС. Традиционные методы расчета ПРАКС не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым ко всем аспектам технологии проектирования. Отсутствие практической возможности исследования всех вариантов схем подвески не позволяет повысить качество и точность проектных решений.

Сделан обзор существующих программно-технических комплексов, применяемых в области электрификации. По результатам обзора сделан вывод, что зарубежные и отечественные технические решения в области автоматизированного проектирования, разработанные для цепных подвесок и других контактных сетей, не могут быть применены для расчетов ПРАКС, в виду существенных конструкционных особенностей ромбовидных подвесок.

Рассмотрен опыт внедрения первых разработок прикладных программ, выполненных автором, предназначенных для расчета отдельных параметров ромбовидной подвески. На основе результатов эксплуатации этих программ принято решение о целесообразности разработки системы автоматизированного проектирования,

объединяющей в едином комплексе основные задачи проектирования контактной сети. Показано, что переход на автоматизированное проектирование с использованием средств современной вычислительной техники позволит существен но повысить эффективность труда инженера.

Рассмотрены основные этапы и задачи проектирования ПРАКС. Процесс проектирования ПРАКС заключается в поиске наилучшей схемы подвески в смысле выбранных критериев. В большинстве случаев одним из критериев определяют достижение наибольшей длинны пролета. Весь процесс проектирования контактной сети можно разделить на следующие блоки:

1. Анализ геометрических параметров искусственного сооружения. В случае проектирования подвески для открытых участков пути — анализ географии участка.

2. Моделирование опор и поддерживающих конструкций.

3. Выбор схемы подвески, включая все конструкционные узлы, детали и изолирующие элементы. Определение количества ромбов контактных проводов в пролете.

4. Расчет характеристик выбранной схемы, описывающих геометрические параметры и реакцию контактной сети на изменение внешних воздействующих факторов.

5. Анализ динамических характеристик подвески.

6. Выбор наилучшей конструктивной схемы ПРАКС из базы расчетных вариантов, для применения на проектируемом участке.

В конце главы детализированы и перечислены цели исследования и разработки системы автоматизированного проектирования.

Во второй главе исследуется основной объект проектирования автоматизированной системы — пространственно-ромбовидная контактная подвеска. Рассмотрены конструкционные схемы ПРАКС и конкретные условия их применения.

Исследованы основные расчетные модели, применяющиеся для

определения параметров и характеристик ПРАКС:

• модель ненагруженного несущего троса;

• модель нагруженного несущего троса;

• расчет геометрических параметров подвески;

• расчет жесткостных характеристик.

На основе существующих расчетных соотношений разработаны автоматизированные алгоритмы проектирования параметров ромбовидной контактной сети. Расчет натяжения ненагруженного несущего троса ТРХ производится для всего диапазона температур, в проектируемой климатической зоне. Уравнение состояния (1), позволяет рассчитать зависимость Тгх ( ^ ). Для приведения (1) в тождество, предварительно находится допустимое значение натяжения ненагруженных несущих тросов Тедогг

где Тдоа — максимально допустимое натяжение несущих тросов [кН];

аЕ5 — коэффициент, описывающий тип провода; 'ил» *млх — минимальная и максимальная температуры воздуха ['С);

п — число ромбов контактных проводов в пролете. Расчет натяжения нагруженного несущего троса производится также для диапазона температур £х. Ниже приведено уравнение

состояния нагруженного несущего троса для прямых участков пути:

(1)

\,Тх + п2и 1т.+п2и 8 1т»2 т,г;

а-

ю

где 1 — длина пролета [м];

&> 8и> — линейные нагрузки от веса тросов, проводов и

гололеда [кН/м]; г — радиус кривой участка пути [м]; к — максимально допустимое натяжение контактного провода [кН].

В алгоритме моделирования геометрических параметров подвески включены расчеты:

• конструкционных габаритов подвески А, В, с и их составляющих;

• сил действующих на несущий трос Рт и на контактный провод Рх и их составляющих;

• углов наклона изоляторов а и фиксаторов /?,

• полного вертикального Нр и горизонтального Аг габаритов и их составляющих;

• стрел провеса контактного провода /.

Алгоритм определения жесткостных характеристик состоит из расчетов жесткости Жх в средней части пролета и в точках крепления контактных проводов Ж„:

да _ 4(Кв + Тв) 4Кв

Лло — ■-- 1 ...........

I I

Кв + Тв ¡(Кв + Тву 1

Кв V Кв

(3)

где Та — натяжение несущих тросов 1кН];

Кв — номинальное натяжение контактных проводов [кН]. В третьей главе определен перечень вычислительных задач для включения в блок математических моделей САПР. По принадлежности к объекту проектирования все алгоритмы автоматизированной системы сгруппированы в функциональные режимы. В САПР ПРАКС разработанно четыре функциональных режима (рис. 1). Вычислительные алгоритмы, входящие в функциональные режимы, показаны на схеме в виде подчиненных модулей.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ДИСПЕТЧЕР ЗАДАЧ

Рис. 1. Функциональная схема САПР ПРАКС.

Для комплексного решения основных задач проектирования разработаны автоматизированные методы трассировки ПРАКС на открытых участках пути и в искусственных сооружениях. Эти методы позволяют проводить совместное проектирование ПРАКС и строительных конструкций. Название "трассировка" отражает общую задачу методов — поиск наилучшей схемы ПРАКС в рамках заданного критерия и определение мест размещения опор на открытом участке пути или точек крепления подвески к своду искусственного сооружения. Автоматизированные методы трассировки активизируют необходимые вычислительные алгоритмы (рис. 2), а также программно организуют оперативный обмен данными.

Вычислительные модули

Вычислительные модули

а) >)

Рис. 2. Схема вычислительных алгоритмов метода трассировки:

a) в искусственных сооружениях,

b) на открытых участках пути,

где * ИС — искусственные сооружения.

Алгоритм моделирования геометрических параметров позволяет исследовать пространство свода искусственных сооружений, в котором монтируются узлы и детали контактной сети. В математической постановке задача моделирования сводится к интерполированию функции, заданной экспериментальными данными, для чего использована модель аппроксимации с помощью сплайнов. Задача аппроксимации в общем случае определяется, как поиск приближения

у = <р(х) для функции у = /(х), заданной значениями у......у* в точках

......... на отрезке [о,б], с условием, чтобы /(х,) = ф(д^); у = 1,...,ЛГ, а в

остальных точках отрезка ]а,Ь\ значение функций /(х) и <р(дг) были

Рис. 3. Сравнительные результаты моделирования габаритов свода тоннеля. Модели сравниваются с типовым сечением с внутренним очертанием по трехцентровой коробовой кривой (вычерчено отрывистой линией) :

a) модели свода, построенные по пяти задающим точкам, взятым на типовом сечении с различными параметрами моделирования ос.

b) область свода, в которой монтируются устройства контактной сети (на рис За заштрихована), в увеличенном масштабе.

близкими между собой. Задающие значения у......у* предоставляются

проектировщикам в виде списка замеров координат нескольких точек, взятых на стенах и своде тоннеля. На рис. 3. такие точки обозначены окружностями.

В модуле анализа геометрических параметров проводится оценка возможности применения различных схем пространственной подвески. Анализ проводится методом сравнения координат искусственного сооружения с расчетными горизонтальным и вертикальным габаритами подвески, а также с требуемыми величинами воздушных зазоров, установленных правилами устройства и эксплуатации контактных сетей.

В метод трассировки на открытых участках включен модуль расчета опорных конструкций для монтажа ПРАКС. Из серии типовых выбирают такие опоры, которые могут быть использованы с учетом требуемых нагрузок, а также вертикальных и горизонтальных габаритов применяемых схем подвески. Следовательно, определяющими параметрами при выборе опор являются наибольший расчетный изгибающий момент и высота опоры.

Задача определения длин пролетов контактной сети является одной из наиболее важных в методах трассировки. В этом модуле осуществляется поиск конструкционных схем подвески с наибольшими длинами пролетов, с учетом существующих ограничений. Проектирование построено в виде итерационного процесса, на каждом шаге которого рассчитываются параметры для одного пролета (рис. 4). Поиск начинается с задания максимальной величины длины пролета, которая затем уменьшается, пока не будут удовлетворены все ограничительные требования. Окончательное проектное решение принимается инженером, с помощью системы поддержки принятия решений, обеспечивающей получение количественной оценки совокупности критериев, выбранной при машинном моделировании альтернативных вариантов.

Архив Документация

Рис. 4. Схема алгоритма расчета длин пролетов и параметров ПРАКС.

Алгоритм расчета длин и параметров ПРАКС позволяет автоматизировать стандартные вычислительные операции, предоставляя проектировщику возможность принимать решение на основе сравнительных результатов.

В четвертой главе разработана структура САПР ПРАКС на основе основных универсальных принципов построения масштабных программных комплексов:

• модульность и иерархичность;

• реконфигурируемость;

• открытость.

Структурирование позволило систематизировать идеологию построения системы и заложить основы ее потенциального развития. Таким образом, на этапе разработки автоматизированной системы создавались не только алгоритмы и методы решения проектных задач, но и была создана логически ясная организация, объединяющая все эти модули. Для обеспечения взаимодействия программных, информационных и служебных модулей в единой системе построена многоуровневая модульно-иерархическая структура (рис. 5).

Разработаны банки данных деталей пространственной подвески, опорных конструкций и нормативных ограничений. По форматам информации банки данных разделены на две группы —: параметрические и графические. Параметрические банки данных содержат списки числовых параметров, коэффициентов и констант, описывающих узлы и детали конструкций. Графические банки данных представляют собой элементы чертежей (примитивы) конструкционных деталей контактной сети (фиксаторы, изоляторы, распорные планки и

др.).

Проведено исследование различных методов представления проектной информации. С учетом особенностей конструкции ПРАКС, определены основные форматы отображения информации на экране монитора и вывода на печать.

Рис. 5. Структурная схема САПР ПРАКС ,

где * — развернутая схема центрального диспетчера приведена на рис. 1.

Проведен подбор операционной системы и языков программирования для реализации программного обеспечения САПР ПРАКС. Определена конфигурация комплекса технических средств САПР.

В пятой главе описаны результаты комплексного тестирования программного кода САПР для обнаружения ошибок и неточностей. Применялись метод детерминированного тестирования вычислительных алгоритмов и экспертная оценка проектных процедур.

Приведены результаты опытной эксплуатации САПР ПРАКС, на

основании которых сделаны выводы о целесообразности применения системы в соответствующих проектных организациях.

Определена экономическая эффективность применения автоматизированной системы на основе сравнительных временных характеристик. На выполнение аналогичных вычислений с помощью САПР ПРАКС требуется около 5% затрат времени, по сравнению с традиционной методикой расчета.

Основные выводы

Совокупность изложенных в диссертации научных положений посвящена теоретическим принципам и практическим вопросам совершенствования методов проектирования пространственно-ромбовидной контактной сети. Основные результаты и выводы проведенной научной работы заключаются в следующем:

1. Выполнено обобщенное исследование применения программных комплексов для расчетов контактных сетей и показана практическая необходимость создания САПР ПРАКС. Сформулированы цели разработки и методы реализации САПР.

2. Разработана общая структурная организация автоматизированной системы на основе универсальных принципов построения программно-технических комплексов. Применена идеология открытых модульно-иерархических структур, позволяющая дополнять и модифицировать систему в процессе эксплуатации, сохраняя преемственность задач.

3. Сформирован блок математических моделей автоматизированной системы, охватывающих основные задачи проектирования ПРАКС. Для применения в рамках САПР исследованы, формализованы и алгоритмизированы существующие расчетные соотношения, описывающие детали ПРАКС и поддерживающих конструкций.

4. Разработаны автоматизированные алгоритмы моделирования и анализа геометрических параметров искусственных сооружений, предназначенные для исследования возможностей монтажа ПРАКС в стесненных условиях.

5. Разработаны методы автоматизированного проектирования, позволяющие систематизировать проведение вычислительных операций и процедур экспертной оценки. Определены критерии автоматизированного поиска наилучших расчетных вариантов ПРАКС и предложена система поддержки принятия решений для осуществления экспертных проектных заключений.

6. Созданы компоненты информационной среды САПР, включающие банки данных конструкционных узлов и деталей. Разработаны методы представления информации на экране монитора и в виде проектной документации. Учтены требования и традиции, принятые в сфере проектирования контактной сети.

7. Создано программное обеспечение САПР ПРАКС на основе использования современных средств вычислительной техники. Составлен рекомендуемый набор аппаратных средств для функционирования автоматизированной системы.

8. Проведено комплексное тестирование и экспериментальная эксплуатация программно-технического комплекса САПР. Полученные результаты выявили существенные преимущества применения САПР по сравнению с традиционной технологией проектирования по следующим основным позициям:

• точность и достоверность расчетов;

• информационное поддержка в форме банков данных и системы архивирования;

• автоматизированное формирование проектной документации;

• автоматизированное представление расчетных данных в табличном, графическом и чертежном форматах;

• экономия времени;

• экономическая эффективность.

Таким образом, результаты внедрения подтверждают обоснованность теоретических предпосылок, достоверность материалов исследований и разработок, представленных в диссертационной работе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Демченко Т. А. Применение автоматизированного проектирования для исследования пространственно-ромбовидной контактной сети. / Сб. науч. тр./ М.: РГОТУПС. 1996 -с. 32-36.

2. Демченко Т. А. Методы автоматизированного проектирования пространственно-ромбовидной контактной сети. / Сб. науч. тр./ М.: РГОТУПС. 1996. -с. 36-41.

3. Демченко Т. А. Моделирование геометрических габаритов искусственных сооружений. / Сб. науч. тр./ М.: РГОТУПС. -1996. -с. 41-46.

4. Вязовой М. В., Демченко А. Т., Демченко Т. А. Применение пространственно-ромбовидной автокомпенсированной контактной подвески на КЖД. / Сб. кауч. тр./ М.: РГОТУПС. - 1995. -с. 44-45.