论文摘要
摘要：随着列车运行速度的提高,铁路运行密度的逐步加大,对牵引供电系统安全可靠性的要求也越来越高。接触网是牵引供电系统的重要设备之一,因此提高接触网的可靠性对于电气化铁路运输的可靠运行具有重大意义。由于接触网是露天架设的,没有备用,一旦发生故障将中断行车,扰乱电气化铁路的运输秩序,带来经济损失。对接触网进行在线监测是提高接触网可靠性的重要方法之一,因此有必要对接触网的在线监测技术进行研究。基于棘轮补偿器参数检测的接触网在线监测系统检测的内容包括棘轮补偿器的相关参数（包括坠砣位移和摇杆倾角）以及环境参数（包括风速风向、温湿度和降雨量）。状态评估是在线监测的关键技术之一,实现接触网的在线监测的前提是对接触网状态的准确评估。根据棘轮补偿器坠砣的位移和摇杆的倾角的变化,可以推断出接触网的工作状态。在实际运行中,自然界一直存在的风荷载会导致棘轮补偿器的坠砣的位移的变化,为了准确地提取接触网的细微的故障状态以及预测故障趋势,必须对风荷载作用导致的坠砣位移分量进行去除。本文首先对棘轮补偿器的运动特性和接触网的风振响应进行了仿真分析,得到了风荷载作用导致的坠砣位移分量。然后提出了去除风荷载作用导致的坠砣位移分量的方法。最后研究了接触网覆冰的在线监测方法。本文主要的研究内容如下：1.对牵引供电系统进行了可靠性分析,结果表明牵引供电系统的可靠性很大程度上取决于接触网的可靠性。归纳了接触网的常见的故障类型,分析了各类接触网故障发生的原因。阐述了对接触网进行在线监测的必要性。2.为了得到影响棘轮补偿器的传动效率的因素,分别通过理论分析和仿真计算的方法对棘轮补偿器进行了分析。改变补偿绳和棘轮之间摩擦系数对棘轮补偿器进行静态仿真,得到了摩擦系数对补偿张力的影响,可以为棘轮的设计提供理论依据。仿真分析了动态荷载作用下棘轮补偿器的传动效率的变化规律,对比理论分析结果显示两者较为符合,同时得到了利用接触线或承力索下锚处的位移计算坠砣位移的方法。通过监测棘轮补偿器摇杆的倾角可以评估其运行状态,实现对棘轮补偿器性能的在线监测。3.为了减小模拟时间,引入基于按时间抽取快速傅立叶变换（DIT-FFT）优化的谐波合成法（WAWS）对接触网的风场进行模拟。考虑接触网结构的空间特性,建立了接触网的三维有限元模型,对比仿真计算和实际的吊弦的长度验证了有限元模型的有效性。在不同角度的风荷载作用下,对单跨接触网的动力学响应进行了仿真,得到了接触线和承力索下锚处的位移的变化规律。为了减小评估时间,推导了下锚处的位移的近似计算公式。对风荷载作用下多跨接触网相邻跨的作用进行分析,得到了多跨接触网的棘轮补偿器的坠砣位移的近似计算方法。4.为了验证风荷载作用下坠砣位移的近似计算方法的正确性,在天津-秦皇岛客运专线上进行了接触网风振响应的现场测试。引入基于虚拟观测的FastICA信号分离方法,提出SS-MDP法消除分离信号的不确定性。利用该方法实现了摇杆倾角信号的去噪,根据摇杆倾角信号计算得到补偿张力以及棘轮补偿器的传动效率,分析了棘轮补偿器的运行状态。利用提出的信号分离方法提取出了坠砣位移的风荷载作用的分量,和近似计算方法得到的风荷载作用的分量进行对比,验证了近似计算方法的可用性。在实际的在线监测中,以坠砣位移信号中温度变化导致的分量和风荷载作用的分量作为虚拟观测,利用提出的信号分离方法可以实现坠砣位移信号中这两个分量的去除。现场对异物倒入接触网进行了模拟,对采集数据进行分析验证了本文提出的在线监测方法的可行性。5.提出了接触网覆冰的在线监测方法。为了实现覆冰接触网的状态评估,对不同覆冰厚度时的接触网的静态响应进行仿真分析,得到了接触线和承力索下锚处的位移的变化规律。根据相似理论设计了6跨接触网的1/50的小比例模型,对小比例模型进行仿真分析,验证了小比例模型的可用性。利用小比例模型进行了接触网覆冰的模型试验,通过对比试验结果和仿真结果验证了小比例模型的正确性。为了减小估算的时间,考虑多跨接触网的相互作用,推导了覆冰接触网的棘轮补偿器的坠砣的位移的近似计算方法。对小比例模型进行近似计算,将得到的结果和模型试验的结果进行对比,验证了近似计算方法的可用性。