弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀及展望

關(guān)金發(fā)，吳積欽，李 嵐

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

弓網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)接觸傳輸電能，弓網(wǎng)動(dòng)力性能的好壞直接影響牽引供電質(zhì)量。為保障電氣列車的供電安全，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真是研究弓網(wǎng)相互作用的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)優(yōu)化弓網(wǎng)接口尤為重要。

通過(guò)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真可以模擬弓網(wǎng)振動(dòng)以及外部激勵(lì)對(duì)弓網(wǎng)的影響，為優(yōu)化弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供有力手段，在弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)維修階段的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文針對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)中弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述。

1 全虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

全虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)指的是僅利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真，可在弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期使用。該仿真技術(shù)的研究思路是將線路、氣象參數(shù)等作為邊界條件，受電弓、接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為變化量，以弓網(wǎng)動(dòng)力性能作為評(píng)估量，確定最優(yōu)弓網(wǎng)動(dòng)力性能的弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中弓網(wǎng)動(dòng)力性能評(píng)估方法可參照文獻(xiàn)[1]。

國(guó)外將全虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)通過(guò)編程形成商業(yè)軟件，為不同使用者提供開發(fā)環(huán)境，其中商業(yè)應(yīng)用較多的有日本鐵道綜研開發(fā)的“架線道”、法國(guó)國(guó)鐵(SNCF)開發(fā)的“OSCAR”、德國(guó)鐵路股份公司(DB)開發(fā)的“PrOSA”、德國(guó)Balfour Beatty公司(BB)開發(fā)的“CATMOS”以及西門子公司開發(fā)的“SICAT Master”，以下分別介紹各自特點(diǎn)。

(1)架線道的接觸網(wǎng)模型：承力索、接觸線用弦來(lái)模擬，采用集中質(zhì)量法；受電弓模型采用集中參數(shù)模型。其應(yīng)用分析多弓振動(dòng)、錨段關(guān)節(jié)布置及減振等，在日本有許多鐵道公司使用，在中國(guó)用于廣深港高鐵接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)，其弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真示意圖如圖1所示[2]。

圖1 架線道弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型

(2)1984年，法國(guó)國(guó)鐵開發(fā)了OSCAR弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，該軟件是利用MATLAB開發(fā)包openFEM編寫的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真代碼，接觸網(wǎng)線索使用歐拉梁?jiǎn)卧?，受電弓可以等效為集中參?shù)模型或多剛?cè)峄旌象w運(yùn)動(dòng)模型，弓網(wǎng)接觸通過(guò)接觸函數(shù)求解，其接觸網(wǎng)仿真模型如圖2所示[3，4]。法國(guó)研制的OSCAR不僅是法國(guó)國(guó)鐵高速接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)軟件，也是為優(yōu)化歐洲弓網(wǎng)接口項(xiàng)目(EUROPAC)提供仿真工具[5]。

圖2 OSCAR仿真示意圖

(3)1996年起，德國(guó)DB開發(fā)了PrOSA弓網(wǎng)仿真軟件，該軟件也是利用有限元法建立弓網(wǎng)模型的，接觸網(wǎng)線索為索單元或梁?jiǎn)卧?，吊弦僅受拉力，受電弓為集中質(zhì)量模型，也可以為多剛體模型，其中多剛體模型通過(guò)SIMPACK商業(yè)軟件建立，兩者的接觸力時(shí)間積分同步，其組成如圖3所示[6]。

圖3 德國(guó)DB弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)組成

(4)德國(guó)BB公司的CATMOS弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的接觸網(wǎng)模型是利用有限差分法開發(fā)的，受電弓使用集中參數(shù)模型。武廣高速鐵路、遂寧至重慶線、海南東線的弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)均利用該軟件，其計(jì)算界面如圖4所示[7]。

圖4 CATMOS的接觸網(wǎng)計(jì)算模型

(5)西門子公司開發(fā)的SICAT Master是基于大型通用軟件ANSYS的二次開發(fā)產(chǎn)品[8]。該軟件在西門子公司設(shè)計(jì)的各條高速線上均有使用，如京津城際高速鐵路。

比較幾種弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，除CATMOS利用有限差分求解外，其余均利用有限元法求解。架線道、CATMOS、SICAT Master的受電弓僅是集中質(zhì)量模型，OSCAR和PrOSA留有與其他多體動(dòng)力學(xué)分析軟件的接口，便于受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和主動(dòng)控制的研究。

2 半實(shí)物半虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

半實(shí)物半虛擬的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)是指接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，受電弓動(dòng)態(tài)參數(shù)通過(guò)測(cè)試實(shí)際受電弓得到，兩者通過(guò)伺服器連接起來(lái)，采集激振器位移和激振器與受電弓的接觸力模擬接觸網(wǎng)抬升和弓網(wǎng)接觸力，其仿真原理示意如圖5所示。

圖5 半實(shí)物半虛擬仿真示意圖

文獻(xiàn)[9-12]分別建立了兩個(gè)弓網(wǎng)半實(shí)物半虛擬試驗(yàn)臺(tái)，意大利的試驗(yàn)臺(tái)除了能提供受電弓垂直方向的振動(dòng)來(lái)模擬弓網(wǎng)接觸外，還提供接觸網(wǎng)拉出值方向的滑動(dòng)來(lái)模擬受電弓通過(guò)帶拉出值的接觸網(wǎng)；中國(guó)的試驗(yàn)臺(tái)提供底座激振，而意大利的試驗(yàn)臺(tái)則沒(méi)有。

與全虛擬仿真相比，半實(shí)物半虛擬仿真用受電弓真實(shí)的物理模型減小建立受電弓數(shù)學(xué)模型時(shí)產(chǎn)生的誤差，對(duì)于受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及主動(dòng)控制的研究十分有利。文獻(xiàn)[11]測(cè)試法國(guó)兩條高速線路，分別得到300 km/h運(yùn)行的ATR95受電弓與C270接觸網(wǎng)以及CX受電弓與LN2接觸網(wǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與半實(shí)物半虛擬試驗(yàn)臺(tái)的接觸線抬升與接觸力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)半實(shí)物半虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很接近，驗(yàn)證了其有效性。文獻(xiàn)[9]利用半實(shí)物半虛擬仿真研究適用于DSA380型受電弓的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

全虛擬仿真與半實(shí)物半虛擬仿真有各自優(yōu)缺點(diǎn)：全虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真中的受電弓建模需要使用受電弓振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)測(cè)量受電弓的等效集中參數(shù)，或受電弓的多體模型連接剛度阻尼等參數(shù)；全虛擬仿真中的受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)可以任意改變，這一點(diǎn)比半實(shí)物半虛擬仿真具有優(yōu)勢(shì)；另外，全虛擬仿真的成本比半實(shí)物半虛擬仿真要少。

3 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真建模方法

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型的建立有3種方法，分別是直接求解達(dá)朗貝爾波動(dòng)方程；運(yùn)動(dòng)方程半離散處理求解，包括模態(tài)方程和波動(dòng)方程離散法；基于離散方程，即弓網(wǎng)系統(tǒng)的有限元方程。

3.1 直接解連續(xù)方程

文獻(xiàn)[13]中的接觸網(wǎng)為歐拉梁，忽略吊弦的彎曲、承力索的弛度、定位裝置的剛度，接觸網(wǎng)整體為線彈性模型，受電弓簡(jiǎn)化為移動(dòng)力，弓網(wǎng)仿真模型如圖6所示，通過(guò)偏微分軟件直接求解波動(dòng)方程，如式( 1 )所示。

圖6 接觸網(wǎng)波動(dòng)方程模型

( 1 )

式中：w1(x，t)、w2(x，t)分別為接觸線和承力索的垂向位移，是時(shí)間和空間的函數(shù)；E1J1、E2J2分別為接觸線和承力索的抗彎剛度；N1、N2分別為接觸線和承力索的張力；ρ1、ρ2分別為接觸線和承力索的單位長(zhǎng)度質(zhì)量；p(x，t)為吊弦內(nèi)力；pF(x，t)為接觸力；pP(x，t)為承力索懸掛點(diǎn)反力。

吊弦力、承力索支反力均是沿接觸網(wǎng)離散布置的，位置不變，接觸力位置是變化的，力也隨時(shí)間變化，均可用狄拉克函數(shù)表示，見(jiàn)式( 2 )～式( 4 )。

( 2 )

pF(x，t)=F(t)·δ(x-vt)

( 3 )

( 4 )

式中：c為吊弦剛度；b為吊弦阻尼；n為吊弦數(shù)量；xn為吊弦位置；F(t)為接觸力大小；v為速度；k為懸掛點(diǎn)剛度；j為懸掛點(diǎn)數(shù)量；xj為懸掛點(diǎn)位置。

3.2 基于半離散化的求解

半離散指的是利用模態(tài)方程將波動(dòng)方程離散化得到弓網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力的數(shù)值方法。

模態(tài)疊加法是求解動(dòng)力學(xué)方程常用的方法之一，文獻(xiàn)[10]將接觸網(wǎng)簡(jiǎn)化為平面垂向運(yùn)動(dòng)，其模型如圖7所示。假設(shè)接觸線和承力索由兩個(gè)模態(tài)方程組成，如式( 5 )所示，吊弦、懸掛點(diǎn)等效為彈簧。

圖7 接觸網(wǎng)模態(tài)方程模型

( 5 )

列寫模型的總動(dòng)能T和總勢(shì)能方程V，其中總動(dòng)能包括接觸線、承力索、支持點(diǎn)、定位點(diǎn)、吊弦點(diǎn)的動(dòng)能，總勢(shì)能包括接觸線和承力索的抗拉和彎曲、支持彈簧、定位彈簧、吊弦彈簧的勢(shì)能。利用第二類拉格朗日動(dòng)力方程(式( 6 ))，得到接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，如式( 7 )所示，求解式( 7 )得到特征值和特征向量，其中特征值為接觸網(wǎng)的固有頻率，特征向量為接觸網(wǎng)的陣型。最后加入接觸力，通過(guò)陣型疊加得到接觸網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)位移。

( 6 )

( 7 )

文獻(xiàn)[14-16]直接將承力索等效為弦接觸線等效為歐拉梁的波動(dòng)方程，受電弓為質(zhì)量彈簧模型，接觸力直接耦合在波動(dòng)方程中，將上述方程組合成偏微分代數(shù)方程，再利用有限差分法或有限元法求解。

3.3 基于全離散化的求解

直接利用有限元法直接將弓網(wǎng)模型離散化，接觸網(wǎng)和受電弓等效為若干個(gè)有限單元，再通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，組合成整體動(dòng)力方程進(jìn)行節(jié)點(diǎn)力和位移求解，其應(yīng)用最廣泛，能解決復(fù)雜的弓網(wǎng)動(dòng)力問(wèn)題，模型與真實(shí)比較接近。

文獻(xiàn)[17]利用有限元建立簡(jiǎn)單鏈型懸掛并進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算和彈性計(jì)算。文獻(xiàn)[18]利用有限元法建立接觸網(wǎng)模型，如圖8所示。文獻(xiàn)[19]給出有限元的計(jì)算方法，其中接觸網(wǎng)為歐拉梁?jiǎn)卧褪茈姽瓰榈刃з|(zhì)量單元的運(yùn)動(dòng)方程見(jiàn)式( 8 )、式( 9 )。

圖8 接觸網(wǎng)的有限元模型

( 8 )

( 9 )

式中：Mc、Mp、Cc、Cp、Kc、Kp分別為接觸網(wǎng)和受電弓質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣；xc、xp為接觸網(wǎng)和受電弓的節(jié)點(diǎn)矩陣；Fcc為接觸網(wǎng)的吊弦節(jié)點(diǎn)受力矩陣；Fcp為接觸力矩陣；Fpp為受電弓空氣動(dòng)力和抬升力矩陣。

文獻(xiàn)[20]將受電弓等效為多剛體系統(tǒng)，接觸網(wǎng)用有限元法建立，接觸網(wǎng)和受電弓運(yùn)動(dòng)方程見(jiàn)式(10)和式(11)，弓網(wǎng)接觸力也是采用罰函數(shù)法計(jì)算，其方程見(jiàn)式(12)。

(10)

(11)

(12)

比較3種建模方法，基于達(dá)朗貝爾方程的計(jì)算，弓網(wǎng)模型簡(jiǎn)單，一旦模型復(fù)雜，求解起來(lái)困難；基于半離散化的計(jì)算，模型要比達(dá)朗貝爾法更接近真實(shí)情況，但一般為二維；基于全離散化的計(jì)算，弓網(wǎng)模型可以是線性也可以是非線性，可以是二維也可以是三維。接觸網(wǎng)與受電弓的幾乎所有數(shù)值模型均可計(jì)算，進(jìn)一步利用有限元法進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真是弓網(wǎng)仿真技術(shù)的發(fā)展方向。

4 減小弓網(wǎng)振動(dòng)和故障的仿真分析

利用全虛擬弓網(wǎng)仿真技術(shù)能有效地減少弓網(wǎng)振動(dòng)程度和故障數(shù)量，以下分別說(shuō)明其應(yīng)用狀況。

4.1 優(yōu)化受電弓和接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

受電弓與接觸網(wǎng)兩者機(jī)械性能的匹配是研究弓網(wǎng)關(guān)系的關(guān)鍵問(wèn)題，利用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，比較不同弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，得到匹配性最優(yōu)的弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，是解決這一問(wèn)題的有效手段。

文獻(xiàn)[21]將受電弓與接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問(wèn)題，設(shè)計(jì)函數(shù)為弓頭質(zhì)量、阻尼和剛度，其中弓網(wǎng)質(zhì)量的變化范圍為原值的0.8～1.2倍，阻尼為原值的0.1～100倍，剛度為原值的0.8～1.2倍，約束條件為平均接觸力等于150 N以及實(shí)際的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差小于0.3倍的平均接觸力，目標(biāo)函數(shù)為實(shí)際接觸力標(biāo)準(zhǔn)差最小，其他弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，優(yōu)化后得到新的受電弓參數(shù)。

文獻(xiàn)[22]利用有限元法建立弓網(wǎng)振動(dòng)模型，通過(guò)比較不同速度等級(jí)下的不同弓頭、框架剛度和阻尼、不同靜態(tài)抬升力、不同接觸線張力下的接觸力統(tǒng)計(jì)量和弓網(wǎng)離線率，得到優(yōu)化后的受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)和接觸線張力參數(shù)。

文獻(xiàn)[23]研究雙弓受流的弓網(wǎng)振動(dòng)情況，比較接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、弓頭運(yùn)動(dòng)軌跡等參數(shù)，得到減小前弓的靜態(tài)升弓力，可以優(yōu)化后弓的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能，使雙弓的動(dòng)態(tài)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

文獻(xiàn)[24]利用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，建立4種錨段關(guān)節(jié)模型(見(jiàn)表1)，在同樣的受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)下，比較不同速度的接觸力統(tǒng)計(jì)量和離線率，得到類型3即第2支接觸懸掛比第1支接觸懸掛高0～30 mm時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能最優(yōu)。

表1 4種錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

注：錨段關(guān)節(jié)從左到右依次為第1支懸掛和第2支懸掛，受電弓運(yùn)行方向?yàn)閺淖蟮接摇?/p>

外界環(huán)境也會(huì)對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全產(chǎn)生影響，比如大風(fēng)區(qū)段、大雪區(qū)段、污穢區(qū)段等。文獻(xiàn)[25]將風(fēng)的功率譜輸入到弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型，得到不同平均風(fēng)速下脈動(dòng)風(fēng)載荷作用的接觸網(wǎng)風(fēng)振響應(yīng)，為蘭新線大風(fēng)區(qū)段接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取提供依據(jù)。

文獻(xiàn)[26]利用計(jì)算機(jī)建立多體受電弓，并通過(guò)CFD仿真，研究其空氣動(dòng)力，通過(guò)弓網(wǎng)仿真研究對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響，提出考慮了受電弓氣動(dòng)力學(xué)后，弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差變大并引起弓網(wǎng)離線，建議優(yōu)化受電弓結(jié)構(gòu)，減少受電弓氣動(dòng)力。

4.2 利用弓網(wǎng)仿真進(jìn)行故障特征識(shí)別

利用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真，人為建立與實(shí)際相符的弓網(wǎng)故障樣本，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法，識(shí)別故障特征數(shù)據(jù)或曲線，通過(guò)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證故障特征數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以有效減少人力成本。

文獻(xiàn)[27]通過(guò)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模擬弓網(wǎng)的吊弦斷裂故障，得到相應(yīng)的弓網(wǎng)接觸力，利用自適應(yīng)小波技術(shù)，比較歷史接觸力數(shù)據(jù)和故障接觸力數(shù)據(jù)，如圖9所示，得到吊弦故障的接觸力特征，當(dāng)?shù)玫綄?shí)際檢測(cè)到的弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)時(shí)，利用同樣方法，識(shí)別接觸力中吊弦故障數(shù)量和故障點(diǎn)。

圖9 比較正常與故障吊弦的接觸力

文獻(xiàn)[28]建立接觸網(wǎng)的實(shí)體模型，模擬弓網(wǎng)振動(dòng)時(shí)對(duì)接觸線產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，研究接觸線的疲勞機(jī)理。

4.3 設(shè)計(jì)受電弓的主動(dòng)控制

傳統(tǒng)受電弓的控制方法是調(diào)整靜態(tài)抬升力，但是靜態(tài)抬升力不能隨意調(diào)整，調(diào)整的目標(biāo)是滿足弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在合理范圍內(nèi)，具體指標(biāo)見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，使接觸力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差小，以減少弓網(wǎng)的振動(dòng)和摩擦磨損。利用現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)和弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，受電弓的控制方法由原來(lái)的單值控制發(fā)展為主動(dòng)控制。

文獻(xiàn)[29]提出基于氣缸模型的受電弓主動(dòng)控制方法，其控制原理為氣缸輸出的靜態(tài)抬升力與弓頭加速度、速度與一定增益乘積相等，通過(guò)調(diào)整反饋增益達(dá)到減小接觸力標(biāo)準(zhǔn)差的作用，控制模型如圖10所示，并通過(guò)虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證其有效性。

圖10 基于氣缸反饋的受電弓主動(dòng)控制模型

受電弓的主動(dòng)控制是結(jié)合虛擬受電弓和實(shí)體受電弓實(shí)現(xiàn)的，先在虛擬受電弓上比較不同控制方法的控制效果，得到最優(yōu)控制，再在實(shí)體受電弓上實(shí)現(xiàn)。虛擬受電弓控制利用的是全虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)加上控制理論實(shí)現(xiàn)，實(shí)體受電弓控制利用半實(shí)物半虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)加上控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

5 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的發(fā)展展望

目前全虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真的應(yīng)用較多，弓網(wǎng)仿真模型相對(duì)簡(jiǎn)單，且受電弓的集中參數(shù)模型大多未通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲取，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型未通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證，因此，未來(lái)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)研究可重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：

(1)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型的驗(yàn)證

在使用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)前，必須驗(yàn)證弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型的有效性，需要根據(jù)EN50317[30]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，獲取弓網(wǎng)接觸力、接觸線抬升等實(shí)際數(shù)據(jù)，參照EN50318[31]中條款5～11進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型的確認(rèn)。確認(rèn)分兩步完成，第一步應(yīng)滿足條款11提供的弓網(wǎng)參考模型的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能要求，第二步是與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，若符合實(shí)測(cè)值，仿真模型可參照條款10.2調(diào)整部分參數(shù)。

(2)研究復(fù)雜模型的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真

既有受電弓與接觸網(wǎng)的仿真模型比較簡(jiǎn)單，接觸網(wǎng)一般僅考慮為接觸懸掛的形變，承力索支持點(diǎn)為固定點(diǎn)，接觸線定位點(diǎn)或忽略或連接彈簧，忽略其他接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，受電弓一般等效為集中質(zhì)量模型。受電弓的集中質(zhì)量模型需要通過(guò)測(cè)量手段得到。該仿真模型主要分析接觸懸掛的振動(dòng)情況以及弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于受電弓和接觸懸掛以外的結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行進(jìn)一步分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為分析弓網(wǎng)振動(dòng)或外部激勵(lì)引起的弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和疲勞壽命，接觸網(wǎng)的支持結(jié)構(gòu)、支柱、硬橫梁、隧道支持裝置等結(jié)構(gòu)需要在仿真分析中進(jìn)一步建立相關(guān)模型。受電弓的多體模型也需進(jìn)一步得到發(fā)展，以滿足受電弓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。針對(duì)受電弓和接觸網(wǎng)的特殊部位，如：定位裝置、吊弦、旋轉(zhuǎn)底座、螺拴、弓頭彈簧箱、平衡桿連接部位等，在建模時(shí)需要充分考慮其非線性力學(xué)特性。

(3)利用仿真獲取弓網(wǎng)故障特征數(shù)據(jù)

把故障的弓網(wǎng)信息輸入弓網(wǎng)模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)弓網(wǎng)模型的動(dòng)態(tài)性能作比較，利用信號(hào)處理技術(shù)，分析接觸力或接觸線抬升等數(shù)據(jù)，識(shí)別故障點(diǎn)和故障特征。利用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)得到故障特征后，通過(guò)實(shí)際線路制造故障，確認(rèn)仿真得到的故障分析技術(shù)。利用該研究思路，可進(jìn)一步研究吊弦斷裂、彈性吊索斷裂、定位裝置卡滯等故障的接觸力或抬升特征數(shù)據(jù)。

(4)研究受電弓主動(dòng)控制裝置

受電弓主動(dòng)控制裝置是安裝在受電弓上，用以調(diào)整弓網(wǎng)接觸力的設(shè)備。目前研究受電弓主動(dòng)控制技術(shù)的大多針對(duì)虛擬控制策略，離實(shí)際受電弓控制裝置研制還有很大差距。若要研制受電弓的主動(dòng)控制裝置最好利用半實(shí)物半虛擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并最終通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該裝置的有效性。

(5)開發(fā)中國(guó)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真商業(yè)軟件

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真是未開通接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的必經(jīng)途徑，是開通后接觸網(wǎng)維修的有效工具。目前弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真大多是自行編程完成，仿真的有效性難以得到保證，而且中國(guó)鐵路地域跨度大，弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型繁多，不同環(huán)境條件下的受電弓、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同，為保證弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真的有效性和高適用性，有必要開發(fā)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真商業(yè)軟件。

隨著弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)在優(yōu)化弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)、研究弓網(wǎng)故障和受電弓主動(dòng)控制等方面有廣泛的應(yīng)用前景，與弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)接口優(yōu)化，為接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)用與維護(hù)提供研究工具。

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