弓網(wǎng)系統(tǒng)主動及半主動控制研究.pdf

1、為緩解我國運力不足狀況，自1997年起鐵路運輸共實施六次大提速，使之進(jìn)入高鐵時代，現(xiàn)在動車組速度已達(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，因此高速動車大都采用電力牽引。電力機車一般通過受電弓和接觸網(wǎng)從外界獲取電能，受電弓和接觸網(wǎng)通過滑動接觸耦合在一起，構(gòu)成弓網(wǎng)系統(tǒng)。受電弓隨機車移動，與接觸網(wǎng)滑動接觸，完成受流，因此確保弓網(wǎng)接觸壓力波動較小且保持在70 N恒值附近，是機車獲取穩(wěn)定受流的必要前提。為此，必須要

2、降低弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動響應(yīng)。隨著機車速度的提高，受電弓弓頭和接觸線的振動幅度加大，導(dǎo)致弓網(wǎng)的接觸壓力波動劇烈，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，對弓網(wǎng)及機車動力系統(tǒng)造成致命傷害，嚴(yán)重影響列車的運行安全。因此，研究高速工況下保持弓網(wǎng)良好振動性能的原理、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、機車運行速度等，因此改善弓網(wǎng)系統(tǒng)性能一般來說可以從接觸網(wǎng)和受電弓兩個方面入手，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，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)勢必花費巨大代價，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、動控制、半主動控制等技術(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)耦合動力學(xué)模型及其簡化模型，為下一步研究奠定基礎(chǔ);提出受電弓滾動弓頭設(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控制的弓網(wǎng)系統(tǒng)半主動控制模型并通過計算機仿真手段研究了受電弓半主動控制對弓網(wǎng)性能的影響;研究接觸網(wǎng)的主動控制對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響;

5、建立基于VR技術(shù)的弓網(wǎng)主動控制仿真平臺。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　1.建立受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)耦合動力學(xué)模型及其簡化模型。參照相關(guān)文獻(xiàn)，將接觸網(wǎng)構(gòu)件簡化為梁，將受電弓簡化為質(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)耦合動力學(xué)模型。為便于研究，又將接觸網(wǎng)簡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)簡化耦合動力學(xué)模型和三元受電弓弓網(wǎng)簡化耦合動力學(xué)模型。
　　2.基于半主動控制受電弓的弓網(wǎng)半主動控制研

6、究。建立基于受電弓半主動控制的弓網(wǎng)主動、半主動控制動力學(xué)模型，利用計算機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控制對弓網(wǎng)振動性能的影響。
　　3.基于MR阻尼器的受電弓半主動控制研究。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)半主動控制動力學(xué)模型，并建立了基于模糊控制策略的計算機仿真模型，研究其對弓網(wǎng)性能的影響。
　　4.研究了受電弓滾動弓頭特性，對滾動弓頭從弓線接觸力、

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，研究了滾動弓頭受電弓對弓網(wǎng)受流質(zhì)量、弓網(wǎng)電氣性能和弓網(wǎng)機械性能的影響。
　　5.接觸網(wǎng)的主動控制研究。建立了接觸網(wǎng)有限元模型，應(yīng)用Ansys軟件計算得到模型整體質(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)動力學(xué)方程。為便于系統(tǒng)仿真及控制器設(shè)計，使用模態(tài)降階法對系統(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LQR控制器，使

8、用計算機仿真手段對實施主動控制前后的接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真分析。
　　6.集成VR技術(shù)的高速受電弓模糊主動控制及仿真。在基于受電弓主動控制的弓網(wǎng)主動控制動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用SIMULINK軟件構(gòu)建了計算機仿真模型;并通過三維建模軟件和Virtools動作引擎，建立了含弓網(wǎng)子系統(tǒng)的列車運行三維虛擬場景;最后，通過Socket通信技術(shù)將弓網(wǎng)系統(tǒng)計算機仿真模型和列車三維虛擬場景結(jié)合，建立了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和SIMULINK仿真技術(shù)的弓