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受电弓机构几何参数优化与主动控制的研究

刘红娇  
【摘要】: 提高受流质量是铁路提速中亟待解决的问题,改善受电弓和接触网之间的关系是解决这一问题的关键。这就要求不断地提高接触网和受电弓的动力性能。 本文从提高受电弓的运动学和动力学性能以改善弓网关系,提高受流质量的角度出发,主要完成了两方面的内容:第一,本文从为保证机车正常运行和稳定受流对受电弓提出的要求出发,对高速受电弓框架结构的几何参数进行了优化;第二,从降低接触压力波动的角度出发,对受电弓的主动控制进行了研究。 首先,在建立受电弓框架结构的几何关系模型的基础上,根据列车平稳受流对受电弓机构提出的具体要求,以弓头平衡杆的平动为目标,以受电弓机构正常工作所要满足的条件为约束,运用单目标优化技术,对受电弓机构进行了优化,得到了使受电弓性能达到最优的几何参数,并对优化结果进行了深入的分析。通过优化提高了受电弓的运动学性能。 然后,用拉格朗日方程推导了受电弓的垂向非线性运动微分方程,对非线性的受电弓模型进行了线性化处理,得到了线性化的计算公式。同时,建立了接触网的有限元模型和受电弓/接触网耦合系统的动力学模型。最后,在此基础上,分析了受电弓/接触网系统的工作特点,建立了受电弓主动控制系统的数学模型,利用线性二次型最优控制策略,以给定性能指标为最小值为设计目标,性能指标为表征受电弓动力学特性的状态变量和主动控制力的函数,考虑了完全状态反馈的情况,进行了控制系统的设计。为了验证控制的效果,进行了仿真研究,分析了仿真的结果。并在分析了控制系统参数的作用的基础上,减少了用于反馈的状态变量,降低了控制系统实现的难度。同时,比较了不同速度下的控制结果,得出了在高速下控制效果更优的结论。通过受电弓主动控制系统的设计和对其的仿真研究,理论上降低了弓网系统接触压力的波动,从而改善了受流质量。


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