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    基于最優(yōu)控制的弓網(wǎng)系統(tǒng)動力學分析

    2021-11-19 21:05:04李思明王玉輝
    裝備維修技術(shù) 2022年2期
    關(guān)鍵詞:最優(yōu)控制接觸網(wǎng)

    李思明 王玉輝

    摘 要:采用三元受電弓模型建立了弓網(wǎng)垂直耦合動力學系統(tǒng),通過歐拉—拉格朗日方程推導出受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)振動微分方程。利用最優(yōu)控制理論,分析接觸網(wǎng)的剛度變化,對最優(yōu)控制式受電弓進行了理論上的研究。從降低接觸壓力的波動以及改善受流質(zhì)量入手,采用全狀態(tài)反饋設(shè)計并利用線性二次型最優(yōu)控制策略,建立了受電弓最優(yōu)控制系統(tǒng)模型。運用simulink進行仿真,研究列車運行速度、接觸網(wǎng)和受電弓參數(shù)對弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)接觸壓力的影響。研究結(jié)果表明,采用最優(yōu)控制式受電弓,能夠降低接觸壓力的波動,提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)性能,改善受流質(zhì)量。

    關(guān)鍵詞:受電弓;接觸網(wǎng);最優(yōu)控制

    隨著機車速度的提高,弓網(wǎng)相互作用的研究顯得越來越重要,因此,在高速鐵路運行的過程中,有必要研究弓網(wǎng)動態(tài)性能。利用計算機數(shù)值仿真方法是模擬,研究弓網(wǎng)相互作用的動態(tài)性能的一種經(jīng)濟,有效的方法。動態(tài)仿真的目的是確定弓頭滑板與接觸線的接觸壓力與時間相關(guān)的特性,以及和接觸線抬升的相互關(guān)系,為弓網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計,施工,維修提供強有力的保障。梅桂明等[1-2]利用有限元方法,建立弓網(wǎng)有限元模型,對弓網(wǎng)進行仿真研究,并分析弓網(wǎng)的動態(tài)性能。郭京波[3]對受電弓采用主動控制技術(shù),改善弓網(wǎng)動態(tài)特性,使受電弓對于接觸網(wǎng)具有良好的跟隨性。周寧[4]采用有限元法建立接觸網(wǎng)/受電弓耦合系統(tǒng),并使用直接積分法求解,獲得弓網(wǎng)相互作用仿真結(jié)果。楊崗等[5-8]通過基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的弓網(wǎng)系統(tǒng)模糊主動控制平臺,研究模糊主動控制策略對弓網(wǎng)性能的影響。

    本文以3自由度變剛度系統(tǒng)的弓網(wǎng)模型為研究對象,考慮來自機車運行時的激擾,采用最優(yōu)控制原理,對弓網(wǎng)間接觸力振動進行控制。

    1 弓網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學模型

    為了進一步研究接觸網(wǎng)的受流質(zhì)量,不同運行速度下的弓網(wǎng)接觸應(yīng)力,本文通過非線性彈簧將受電弓與接觸網(wǎng)進行耦合,從而建立弓網(wǎng)系統(tǒng)耦合動力學模型,如圖3所示,并得到弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的矩陣通式為:

    其中M、C、K、F分別為弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的歸算質(zhì)量矩陣、歸算阻尼矩陣、歸算剛度矩陣,外力矩陣。

    2 結(jié)果分析

    由圖3接觸網(wǎng)的剛度仿真結(jié)果可知,接觸網(wǎng)剛度在一個跨距之間的數(shù)值是從大到小再到大的變化過程。在兩端接觸剛度較大的原因是兩端為支柱和限位器的作用,使接觸線處于繃緊的狀態(tài),仿真結(jié)果與實際較符合。

    通過采用三元受電弓簡化弓網(wǎng)耦合動力學模型,使用SIMULINK軟件的加法器、積分器、乘法運算器、支路選擇器等組件,建立SIMULINK計算機仿真模型,獲取了機車速度為200km/h,靜抬升力F分別為70、90、110N時的弓網(wǎng)接觸力仿真圖,如圖4所示。

    對上面的仿真數(shù)據(jù)進行弓網(wǎng)受流質(zhì)量分析,根據(jù)文獻所述的評價體系,選取接觸力最大值Fmax、最小值Fmin,接觸力不均勻系數(shù)c,離線率s作為受流質(zhì)量的評價指標,通過分析,得出以下數(shù)據(jù):

    從上面的仿真數(shù)據(jù)可知,當運行速度為200km/h時,隨著受電弓靜抬升力的提高,弓網(wǎng)間接觸力的最小值得到提高,弓網(wǎng)離線率均變?yōu)?,而且弓網(wǎng)接觸力的不均勻系數(shù)也逐步下降,弓網(wǎng)受流質(zhì)量得到提高。

    結(jié)論

    (1)本文利用三元受電弓模型建立了弓網(wǎng)垂直耦合動力學系統(tǒng),采用了最優(yōu)控制理論,運用simulink進行了仿真,通過輸入弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),得到弓網(wǎng)動態(tài)性能參數(shù)。

    (2)利用本仿真模型,輸入標準中的國內(nèi)的簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)參數(shù),進行弓網(wǎng)動態(tài)仿真。當運行速度達到200km/h時,觸壓力基本能夠保持在0N到140N范圍內(nèi)波動。標準模型的仿真結(jié)果均符合仿真要求。

    (3)比較了不同弓線接觸力下的受流質(zhì)量指標,當受電弓靜抬升力提高時,弓網(wǎng)間接觸力的最小值也得到了提高,弓網(wǎng)離線率均變?yōu)?,弓網(wǎng)接觸力的不均勻系數(shù)逐漸下降,弓網(wǎng)受流質(zhì)量得到了提高,但同時也加劇了弓網(wǎng)機械的磨損,縮短了弓網(wǎng)的壽命。

    參考文獻:

    [1]梅桂明. 受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動力學模型及特性[J]. 交通運輸工程學報, 2002, 1(1): 20-25.

    [2]周東朋. 京津城際高速鐵路弓網(wǎng)動態(tài)系統(tǒng)有限元仿真[J]. 交通運輸工程學報,2009, 9(1): 25-28.

    [3]郭京波, 楊紹普, 高國生. 高速機車主動控制受電弓研究[J]. 鐵道學報, 2004, 26(4): 41-45.

    [4]周寧, 張衛(wèi)華. 基于直接積分法的弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)動態(tài)性能仿真分析[J]. 中國鐵道科學, 2008, 29(6): 71-76.

    [5]楊崗, 李芾. 集成VR技術(shù)的高速受電弓模糊主動控制及仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2014, 26(2): 389-424.

    [6]劉紅嬌, 張衛(wèi)華, 梅桂明. 基于狀態(tài)空間法的受電弓主動控制的研究[J]. 中國鐵道科學, 2006, 27(3): 79-83.

    [7]吳學杰, 張衛(wèi)華, 梅桂明, 林建輝. 接觸網(wǎng)—受電弓振動主動控制問題的研究[J]. 振動工程學報, 2002, 15(1): 36-40.

    [8]蔡成標, 翟婉明. 高速鐵路接觸網(wǎng)靜態(tài)剛度分析[J]. 西南交通大學學報, 1996, (02): 185-190.

    資助項目:湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院院級科研項目“高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能仿真研究”,項目編號:HNTKY-KT2021-9

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