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原文传递高速机车受电弓稳定受流与控制研究

论文题名：	高速机车受电弓稳定受流与控制研究
关键词：	高速机车;电力机车;受电弓;接触网;灵敏度分析;主动控制;稳定性影响
摘要：	发展高速铁路是铁路现代化建设的必然趋势，而电力机车又是高速机车中的主力军。电力机车所需驱动能量来自于接触网，而电能能否顺利获取，关键取决于弓网关系的优劣。随着列车速度的提高，接触网与受电弓之间动态接触变得越来越复杂，高速状态下稳定受流出现了更多的问题。针对这些问题，本文做了一些探讨，主要研究内容和创新成果有： 1对单自由度弓网系统动力学方程进行无量纲化处理，建立了基于Mathieu方程弓网系统模型，采用摄动法对该简化系统进行分析，推导出系统稳定边界计算公式并得到系统周期解，给出了弓网稳定受流边界。根据该稳定受流边界，确定出列车在不同速度运行时列车的受流特性。 2首次提出利用Lyapunov指数来判断高速弓网系统稳定性，从定量化的角度分析了系统参数变化对弓网系统稳定性的影响。并计算出实际弓网系统的Lyapunov特征指数，给出列车最佳行车速度和最不利行车速度。 3为分析受电弓设计参数变化对弓网间接触力波动的影响，建立基于弓网间接触力的3自由度灵敏度分析模型，计算出不同参数对接触力的灵敏度，分析表明：(1)弓头质量对接触力的灵敏度最大，其次是弓头阻尼，第三是弓头刚度。(2)在质量对接触力的灵敏度中，弓头质量的灵敏度最大，上框架质量灵敏度最小；在刚度对接触力灵敏度中，k2和k3对接触力的灵敏度出现交替变化；在阻尼对接触力的灵敏度曲线中，弓头刚度和框架刚度比较，弓头刚度对接触力的灵敏度大于上下框架阻尼的灵敏度，c2和c3对接触力的灵敏度也出现交替变化。 4为进行受电弓的动态优化设计，需要对受电弓进行测试，为此设计了受电弓特性试验台，测试了受电弓弓头刚度、弓头质量、框架归算质量、弓头及框架阻尼；受电弓升弓力与升弓高度之间的关系；得到了受电弓的三阶固有频率即0.94Hz、2.5Hz和4.17Hz。并对不同频率(对应行车速度)下受电弓进行激励，测试了接触力曲线。 5在灵敏度分析和试验基础上，对两种型号的受电弓进行动态优化设计，得到两组动态性能最优的受电弓设计参数，仿真结果表明优化后弓网间接触力波动幅度得到抑制，受电弓动态性能有较大提高。 6建立了3自由度弓网系统模型，并对系统的稳定性、可控性和可观性进行判断，采用LQG控制理论，对系统进行主动控制，仿真结果发现：(1)弓网间动态接触状况得到明显的改观，接触力的波动得到不同程度的抑制，接触力振动幅度降低，提高了受流质量。(2)主动控制后，最小接触力增大，提高了弓网间接触的可靠性，降低了离线率。对某型受电弓，在v=270km/h下，施加控制后接触力均方根降低57.0％，接触力不均匀系数下降34.9％，最小接触力提高30.6N。 7建立弓网系统非线性模型的基础上，采用微分几何理论的输出/干扰解耦方法，通过非线性坐标变换将非线性系统转化为线性系统，然后对系统进行最优控制。仿真结果证明了该方法对弓网系统控制的有效性。
作者：	郭京波
专业：	车辆工程
导师：	杨绍普
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文