PDF《受电弓主动控制综述》

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a c t u a t o r 交通运输工程学报2014年 :LUXiaobing(

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0 引言弓网关系、 流固耦合关系和轮轨关系是影响高 速铁路安全运行的3个主要方面.高速列车普遍采 用电力牵引方式, 经受电弓从接触网取流, 因此, 集 流性能的优劣成为列车能量获取的关键因素.随着 速度的进一步提高, 弓网之间复杂的耦合振动将更 加剧烈, 受流质量急速变差.根据中国铁路总公司 资料显示, 牵引供电系统故障造成的铁路事故在

2008、

2 0

0

9、

2 0

1 0 年分别占到当年事故总数的28.8%、

4 0. 4%、

2 9. 6%.脆弱的弓网系统已成为列 车提速与提高运营可靠性的严重障碍.在对弓网耦 合质量的评价中, 接触力是其重要指标.对于接触 力的波动问题, 目前, 主要通过2种方法解决, 一是 提高接触网刚度或增加接触线张力[

1 ] , 二是增大弓 网之间的接触力[

2 ] .这2种方法虽然从一定程度上 缓解了因振动带来的接触力波动, 但是其代价也显 而易见, 前者如果针对既有线路, 则涉及大规模的接 触网改造, 需投入巨额的人力物力, 后者会加剧弓网 磨损, 经济损失的同时造成很大的安全隐患. 为解决上述问题, 欧洲与日本学者进行了大量 的早期研究, 提出通过对受电弓的主动控制来减轻 接触力的波动.2

0 0 3年7月, 德国就已经在实际线 路上进行了速度可达2

3 0k m・h-1 的主动控制受电 弓试验[ 3] , 而中国对此类课题的研究起步较晚[

4 7] , 发展缓慢, 且停留于实验室研究阶段.一般情况下, 为便于研究将受电弓简化为若干元件组成的线性系 统, 在工作时不消耗外界能源, 称为被动控制, 本质 是受电弓工作时外界对它 不作为 [

8 ] .与此对应, 主动控制则是运用现代控制理论, 使用相关自动化 技术, 对受电弓施加外力, 降低弓网接触力的波动[ 9] .后期又有学者提出了半主动控制, 张晓东指 出半主动控制是主动执行器与被动悬挂系统并联动 作, 主要升弓功能由被动悬挂系统实现, 主动执行器 用来提高弓网接触动态特性[

1 0 ] .半主动控制结合 了主动控制和被动控制的优点, 根据系统的振动反 应或动载荷信息来实时改变系统参数( 如阻尼、 刚度 等) 以减少系统振动, 其显著特点是所需能量较主动 控制要小[

9 ] . 受电弓主动控制研究过程复杂, 环环相扣, 为了 说明其关键环节, 可建立图1的研究流程.如图

1 所示: 首先需按照接触网和受电弓的具体类型选择 合适的弓网模型.然后确定控制目标, 根据控制目 标设计相关的测量系统, 整个控制系统的控制效果、 精度和是否易于实现与其密切相关.接着设计充分 考虑实时性、 鲁棒性等的控制算法, 控制算法是整个 主动控制的核心.操动 机构是主 动 控制 的实现环 节, 选择合适的操动机构应考虑其时滞对控制效果 带来的影响, 还应 考 虑计 算机仿真 中的建模问题. 再次以实际受电弓的相关参数和控制目标设计控制 结构, 控制结构作为整个控制系统的主体, 应该统筹 把握实际情况和理想目标, 在充分利用现有条件的 基础上有所取舍.最后 为了验证 理 论设 计的可靠 性, 需进行严格的试验验证作为实际应用的保障. 图1 受电弓主动控制研究流程 F i g .