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城市轨道交通弓网动态仿真与主动控制策略的研究

郝雪  
【摘要】:城市轨道交通是现代城市公共交通系统的重要组成部分,它分担了城市客流压力,已成为解决城市拥堵的重要方法。受电弓-接触网系统作为连接电力机车和城市轨道交通供电网络的关键环节,承担着为地铁列车供电的重要责任。刚性悬挂接触网具有结构简单、无断线隐患、安装净空低、维护方便等优点,已在我国很多地铁线路得到应用。本文基于某市地铁三号线弓网检测试验,以试验线路刚性接触网弓网系统作为研究对象,从加强弓网参数配合和动力学性能的角度出发,运用仿真手段研究改善弓网关系、提高弓网受流质量的方法。 首先,在对检测线路弓网系统结构进行合理假设和简化基础上,运用有限元方法得到刚性接触网的运动微分方程;利用拉格朗日方程对二元、三元受电弓垂向线性模型进行了推导,并提出考虑受电弓前后滑板动态特性的四元改进受电弓线性模型。通过弓网间接触力实现接触网和受电弓的耦合,运用模态叠加法推导并求解弓网耦合系统的运动微分方程。采用ANSYS有限元软件建立考虑截面形状和材料特性的刚性接触网模型和四元改进受电弓模型,运用有限元仿真技术对改进的弓网耦合系统进行动力学仿真,仿真结果与传统模型仿真结果和实验检测数据进行对比分析,改进的弓网耦合模型能够更准确地模拟检测线路弓网间的相互作用。 然后,利用改进的弓网耦合模型,以弓网间接触力作为弓网受流质量评价指标,运用ANSYS有限元软件仿直分析了检测线路的刚性接触网参数、受电弓弓头参数和其他参数对弓网系统动态受流质量的影响情况,为该路段的设计施工和后期维护中,这些参数的调整提供一定的理论依据。 由于一般运营线路的刚性接触网参数已选定,受电弓弓头参数只能有限地改善弓网受流质量。建立基于改进弓网耦合模型的主动控制系统,根据模型特点,选择采用模型预测控制方法(MPC)实现受电弓的主动控制策略,以弓网间接触力作为结果输出,主动控制的加入很大程度改善了弓网系统的动力性能。引入刚性接触网刚度时变参数,该算法控制器对提高高速弓网动态受流质量有较好的效果。


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