弓網(wǎng)系統(tǒng)主動(dòng)及半主動(dòng)控制研究.pdf

1、為緩解我國(guó)運(yùn)力不足狀況，自1997年起鐵路運(yùn)輸共實(shí)施六次大提速，使之進(jìn)入高鐵時(shí)代，現(xiàn)在動(dòng)車組速度已達(dá)300～350 km/h。電力牽引具有能耗低、污染少、牽引力大等優(yōu)點(diǎn)，因此高速動(dòng)車大都采用電力牽引。電力機(jī)車一般通過(guò)受電弓和接觸網(wǎng)從外界獲取電能，受電弓和接觸網(wǎng)通過(guò)滑動(dòng)接觸耦合在一起，構(gòu)成弓網(wǎng)系統(tǒng)。受電弓隨機(jī)車移動(dòng)，與接觸網(wǎng)滑動(dòng)接觸，完成受流，因此確保弓網(wǎng)接觸壓力波動(dòng)較小且保持在70 N恒值附近，是機(jī)車獲取穩(wěn)定受流的必要前提。為此，必須要

2、降低弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。隨著機(jī)車速度的提高，受電弓弓頭和接觸線的振動(dòng)幅度加大，導(dǎo)致弓網(wǎng)的接觸壓力波動(dòng)劇烈，受流質(zhì)量急劇下降，極端情況下，甚至?xí)l(fā)生弓線脫離現(xiàn)象，導(dǎo)致瞬間高電壓產(chǎn)生，對(duì)弓網(wǎng)及機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)造成致命傷害，嚴(yán)重影響列車的運(yùn)行安全。因此，研究高速工況下保持弓網(wǎng)良好振動(dòng)性能的原理、方法和手段，具有重要意義。
　　影響弓網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)性能的因素眾多，主要涉及受電弓、接觸網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)及弓網(wǎng)間的相互作用，如接觸網(wǎng)懸掛的剛度、接觸線坡

3、度、接觸網(wǎng)懸掛類型、接觸線材質(zhì)、受電弓抬升力、接觸線抬升量、接觸線預(yù)馳度、滑板材質(zhì)、受電弓歸算質(zhì)量、機(jī)車運(yùn)行速度等，因此改善弓網(wǎng)系統(tǒng)性能一般來(lái)說(shuō)可以從接觸網(wǎng)和受電弓兩個(gè)方面入手，如改變接觸網(wǎng)類型、加大線索張力、降低接觸線和受電弓材料密度、優(yōu)化受電弓尺寸參數(shù)等。在我國(guó)，高速列車大多是在現(xiàn)有線路上提速完成的，由于現(xiàn)有鐵路接觸網(wǎng)是按既有標(biāo)準(zhǔn)修建的，若更改原有接觸網(wǎng)類型或參數(shù)勢(shì)必花費(fèi)巨大代價(jià)，而受電弓參數(shù)的優(yōu)化也效果有限。在此情況下，就需要將主

4、動(dòng)控制、半主動(dòng)控制等技術(shù)引入到弓網(wǎng)系統(tǒng)中，以達(dá)到改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量的目的。
　　本文主要探討列車在既有線路上提速的情況下，改善弓網(wǎng)受流性能的原理和措施。為此，建立了受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型及其簡(jiǎn)化模型，為下一步研究奠定基礎(chǔ);提出受電弓滾動(dòng)弓頭設(shè)想并研究了提升弓網(wǎng)受流質(zhì)量的原理;建立基于受電弓半主動(dòng)控制的弓網(wǎng)系統(tǒng)半主動(dòng)控制模型并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真手段研究了受電弓半主動(dòng)控制對(duì)弓網(wǎng)性能的影響;研究接觸網(wǎng)的主動(dòng)控制對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響;

5、建立基于VR技術(shù)的弓網(wǎng)主動(dòng)控制仿真平臺(tái)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.建立受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型及其簡(jiǎn)化模型。參照相關(guān)文獻(xiàn)，將接觸網(wǎng)構(gòu)件簡(jiǎn)化為梁，將受電弓簡(jiǎn)化為質(zhì)量-彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)體，利用能量守恒定律，建立弓網(wǎng)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型。為便于研究，又將接觸網(wǎng)簡(jiǎn)化為與受電弓耦合在一起的變剛度彈簧，從而建立了二元受電弓弓網(wǎng)簡(jiǎn)化耦合動(dòng)力學(xué)模型和三元受電弓弓網(wǎng)簡(jiǎn)化耦合動(dòng)力學(xué)模型。
　　2.基于半主動(dòng)控制受電弓的弓網(wǎng)半主動(dòng)控制研

6、究。建立基于受電弓半主動(dòng)控制的弓網(wǎng)主動(dòng)、半主動(dòng)控制動(dòng)力學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)仿真手段研究了滑模變結(jié)構(gòu)控制、LQR最優(yōu)控制、模糊控制等控制策略下半主動(dòng)控制對(duì)弓網(wǎng)振動(dòng)性能的影響。
　　3.基于MR阻尼器的受電弓半主動(dòng)控制研究。建立了MR阻尼器力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上建立基于MR阻尼器的弓網(wǎng)半主動(dòng)控制動(dòng)力學(xué)模型，并建立了基于模糊控制策略的計(jì)算機(jī)仿真模型，研究其對(duì)弓網(wǎng)性能的影響。
　　4.研究了受電弓滾動(dòng)弓頭特性，對(duì)滾動(dòng)弓頭從弓線接觸力、

7、接觸電阻理論、沖量理論、摩擦、磨損理論等方面進(jìn)行綜合分析，研究了滾動(dòng)弓頭受電弓對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量、弓網(wǎng)電氣性能和弓網(wǎng)機(jī)械性能的影響。
　　5.接觸網(wǎng)的主動(dòng)控制研究。建立了接觸網(wǎng)有限元模型，應(yīng)用Ansys軟件計(jì)算得到模型整體質(zhì)量及剛度矩陣數(shù)據(jù)，并編寫KMExtract程序分離出整體質(zhì)量、整體剛度矩陣，據(jù)此建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。為便于系統(tǒng)仿真及控制器設(shè)計(jì)，使用模態(tài)降階法對(duì)系統(tǒng)降階并將其轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程形式，然后為系統(tǒng)設(shè)計(jì)LQR控制器，使

8、用計(jì)算機(jī)仿真手段對(duì)實(shí)施主動(dòng)控制前后的接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。
　　6.集成VR技術(shù)的高速受電弓模糊主動(dòng)控制及仿真。在基于受電弓主動(dòng)控制的弓網(wǎng)主動(dòng)控制動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用SIMULINK軟件構(gòu)建了計(jì)算機(jī)仿真模型;并通過(guò)三維建模軟件和Virtools動(dòng)作引擎，建立了含弓網(wǎng)子系統(tǒng)的列車運(yùn)行三維虛擬場(chǎng)景;最后，通過(guò)Socket通信技術(shù)將弓網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真模型和列車三維虛擬場(chǎng)景結(jié)合，建立了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和SIMULINK仿真技術(shù)的弓