高速机车受电弓稳定受流与控制研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外高速受电弓应用现状
• 1.3 国内外高速接触网应用现状
• 1.4 弓网系统动力学研究现状
• 1.5 动态优化设计的研究现状
• 1.6 受电弓的主动控制研究现状
• 1.7 论文内容安排
• 第二章 弓网系统受流稳定性研究
• 2.1 引言
• 2.2 弓网系统受流质量评价
• 2.3 弓网模型描述
• 2.4 稳定受流边界
• 2.5 带立方项的Mathieu 方程的稳定性
• 2.6 弓网系统的Lyapunov 指数
• 2.7 结论
• 第三章 接触网有限元分析及刚度的公式化
• 3.1 接触网系统的有限元分析
• 3.2 接触网刚度计算
• 3.3 接触网刚度的公式化处理
• 3.4 结论
• 第四章 受电弓特性试验
• 4.1 受电弓基本参数测试
• 4.2 受电弓的频率特性测试
• 4.3 接触压力测试
• 4.4 小结
• 第五章 基于弓网间接触力的灵敏度分析及动态优化
• 5.1 灵敏度的概念
• 5.2 基于接触力的弓网系统灵敏度
• 5.3 算例及结果分析
• 5.4 弓网系统动态优化设计
• 5.5 小结
• 第六章 基于弓网间接触力的主动控制
• 6.1 弓网系统模型描述
• 6.2 LQG 控制器的设计
• 6.3 状态变量部分可测时的控制器设计
• 6.4 小结
• 第七章 受电弓系统的非线性控制
• 7.1 反馈线性化方法
• 7.2 基于微分几何理论的反馈线性化方法
• 7.3 基于微分几何理论的弓网系统非线性控制
• 7.4 结论
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 主要创新点
• 8.3 工作展望
• 参考文献
• 学习期间发表论文、获奖及科研情况
• 致谢