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原文传递高速受电弓-接触网动态性能及主动控制策略的研究

论文题名：	高速受电弓-接触网动态性能及主动控制策略的研究
关键词：	受电弓;接触网系统;动态性能;导流板;主动控制策略;有限元;供电可靠性
摘要：	目前我国进入了高速铁路发展的黄金时期,其中高速铁路受电弓-接触网系统受流性能的稳定性和安全性十分重要,受电弓-接触网系统的受流性能成为高速列车运行的关键技术之一,受流性能的优劣成为列车速度提高的主要制约因素之一。接触线与受电弓之间的相互作用决定了供电可靠性以及供电质量,高速时受电弓-接触网系统中参数变化会引起接触线与受电弓之间动态性能的剧烈变化,弓网的剧烈振动使得弓网分离产生电弧,也可能引起电能传输中断。如果弓网之间接触压力降低到零,会造成离线和火花,如果接触压力太高,会使得接触线抬升量超过范围,引起弓网磨耗损失和断线等事故。因此,本文旨在对高速运行时接触网-受电弓系统动态受流性能进行计算和仿真分析,为不同类型的接触网-受电弓系统参数选择提供设计参考,以期选择匹配的弓网参数达到良好受流性能,从而降低弓网系统剧烈振动引起的损害。在接触网和动车组既定情况下,改善受流性能目标就集中到高速受电弓上,在受电弓设计参数优化受到限制时就需对受电弓进行主动控制,改善受电弓对接触线的跟随性能,使得弓网接触压力保持在合理范围之内,减小接触线与碳滑板磨耗,延长使用寿命。　　本文研究依托铁道部重点资助项目:动车组、大功率交流传动机车关键部件引进消化吸收创新及国产化-引进动车组、大功率交流传动机车受电弓设计规范与试验标准的研究(合同号:2006J023-D)。　　本文根据接触网-受电弓系统结构组成,建立了整体受电弓线性、非线性模型,无限长弦-质量块双弓动态受流性能计算模型,非线性有限元弓网相互作用仿真模型,导流板和受电弓空气动力学模型在内的研究高速弓网关系的系统模型,分析了模型适用范围及可以解决的主要问题。论文中分别提出了高速受电弓-接触网系统参数计算方法,考虑接触线波动传播情况下双弓动态受流的计算方法,考虑非线性摩擦和接触情况下弓网相互作用仿真方法和考虑空气动力学性能的高速受电弓计算和仿真方法,建立了高速受电弓-接触网系统计算和仿真平台。本文主要研究内容有: 　　 (1)高速受电弓-接触网系统参数计算。通过对接触线和高速受电弓固有频率和振型进行计算分析,计算结果可为高速受电弓、接触网试验测试提供计算参考。利用受电弓非线性模型可根据框架几何关系对受电弓的静态性能进行计算,为受电弓静态试验提供计算参考；　　 (2)双弓动态受流性能计算。采用谐波分析法,计算接触线弛度、悬挂刚度,波动分量,机车车辆振动对接触线垂向位移的影响,对动车双弓运行时双弓最佳距离进行了分析；　　 (3)建立了高速弓网系统的非线性有限元模型,对其相互作用进行了仿真计算。对两种典型的高速接触网悬挂-简单链型悬挂和弹性链型悬挂与受电弓的受流性能进行了对比仿真分析,评价了其受流性能。考察了接触线张力,承力索张力,弓头刚度和框架刚度及受电弓等效质量等参数对弓网受流性能的影响,可对高速弓网系统进行参数优化。采用京津试验数据及西门子仿真数据与有限元仿真方法进行对比分析,验证了模型和仿真方法的正确性；　　 (4)应用流体力学理论建立了高速运行条件下受电弓的空气动力学模型,通过分析高速气流作用在受电弓部件及整体的阻力和抬升力,更加准确地分析高速气流对弓网受流性能的影响,高速受电弓导流板应用平板气动力学方法进行计算,对解析计算与计算流体力学仿真的结果进行相互对比。　　 (5)高速受电弓主动控制的研究。计算得到导流板不同角度附加的气动抬升力变化规律及通过改变气缸中压强来改变作用于受电弓推杆上的推力,对受电弓采用基于导流板和气缸的主动控制,导流板控制为模糊Bang-Bang控制,气缸采用Bang-Bang控制,并提出了受电弓双环主动控制策略,利用Marc进行仿真考察了控制方法对弓网系统控制的有效性。　　论文中的计算结果和分析结论为实际高速铁路受电弓-接触网系统参数设计提供了参考,根据文中建立的模型及对应的求解方法,可对不同受电弓-接触网系统进行分析,并采取相应的主动控制措施改进弓网相互作用。
作者：	吴燕
专业：	电气工程
导师：	吴俊勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文