弓網系統(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，使之進入高鐵時代，現在動車組速度已達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從外界獲取電能，受電弓和接觸網通過滑動接觸耦合在一起，構成弓網系統(tǒng)。受電弓隨機車移動，與接觸網滑動接觸，完成受流，因此確保弓網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、降低弓網系統(tǒng)的振動響應。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，導致弓網的接觸壓力波動劇烈，受流質量急劇下降，極端情況下，甚至會發(fā)生弓線脫離現象，導致瞬間高電壓產生，對弓網及機車動力系統(tǒng)造成致命傷害，嚴重影響列車的運行安全。因此，研究高速工況下保持弓網良好振動性能的原理、方法和手段，具有重要意義。
　　影響弓網系統(tǒng)振動性能的因素眾多，主要涉及受電弓、接觸網的自身結構參數及弓網間的相互作用，如接觸網懸掛的剛度、接觸線坡

3、度、接觸網懸掛類型、接觸線材質、受電弓抬升力、接觸線抬升量、接觸線預馳度、滑板材質、受電弓歸算質量、機車運行速度等，因此改善弓網系統(tǒng)性能一般來說可以從接觸網和受電弓兩個方面入手，如改變接觸網類型、加大線索張力、降低接觸線和受電弓材料密度、優(yōu)化受電弓尺寸參數等。在我國，高速列車大多是在現有線路上提速完成的，由于現有鐵路接觸網是按既有標準修建的，若更改原有接觸網類型或參數勢必花費巨大代價，而受電弓參數的優(yōu)化也效果有限。在此情況下，就需要將主

4、動控制、半主動控制等技術引入到弓網系統(tǒng)中，以達到改善弓網受流質量的目的。
　　本文主要探討列車在既有線路上提速的情況下，改善弓網受流性能的原理和措施。為此，建立了受電弓-接觸網系統(tǒng)耦合動力學模型及其簡化模型，為下一步研究奠定基礎;提出受電弓滾動弓頭設想并研究了提升弓網受流質量的原理;建立基于受電弓半主動控制的弓網系統(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性能的影響;研究接觸網的主動控制對弓網受流質量的影響;

5、建立基于VR技術的弓網主動控制仿真平臺。本文主要研究內容如下:
　　1.建立受電弓-接觸網系統(tǒng)耦合動力學模型及其簡化模型。參照相關文獻，將接觸網構件簡化為梁，將受電弓簡化為質量-彈簧-阻尼結構體，利用能量守恒定律，建立弓網系統(tǒng)耦合動力學模型。為便于研究，又將接觸網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簡化耦合動力學模型和三元受電弓弓網簡化耦合動力學模型。
　　2.基于半主動控制受電弓的弓網半主動控制研

6、究。建立基于受電弓半主動控制的弓網主動、半主動控制動力學模型，利用計算機仿真手段研究了滑模變結構控制、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阻尼器力學模型，并在此基礎上建立基于MR阻尼器的弓網半主動控制動力學模型，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、磨損理論等方面進行綜合分析，研究了滾動弓頭受電弓對弓網受流質量、弓網電氣性能和弓網機械性能的影響。
　　5.接觸網的主動控制研究。建立了接觸網有限元模型，應用Ansys軟件計算得到模型整體質量及剛度矩陣數據，并編寫KMExtract程序分離出整體質量、整體剛度矩陣，據此建立接觸網系統(tǒng)動力學方程。為便于系統(tǒng)仿真及控制器設計，使用模態(tài)降階法對系統(tǒng)降階并將其轉化為狀態(tài)方程形式，然后為系統(tǒng)設計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系統(tǒng)進行動態(tài)仿真分析。
　　6.集成VR技術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主動控制動力學模型基礎上，利用SIMULINK軟件構建了計算機仿真模型;并通過三維建模軟件和Virtools動作引擎，建立了含弓網子系統(tǒng)的列車運行三維虛擬場景;最后，通過Socket通信技術將弓網系統(tǒng)計算機仿真模型和列車三維虛擬場景結合，建立了基于虛擬現實技術和SIMULINK仿真技術的弓