受电弓-接触网系统动力学研究

摘要

高速铁路以其速度快、运能大、能耗低、污染轻、占地少以及安全舒适等综合优势，在世界各国得到了迅速发展。我国在跟踪研究国外高速铁路技术、积极规划高速铁路的同时，通过新建快速客运专线、大力加强既有线的技术改造大幅度提高了列车的运行速度。但是，随之而来的弓网系统相互作用加剧，弓网容易出现离线现象，产生电弧，导致弓网受流不稳定，严重影响列车的正常运行和行车安全。因此，开展受电弓/接触网系统动力学研究具有很强的理论意义和工程应用背景。受到国家自然科学基金项目“高速铁路受电弓/接触网系统的混合仿真及非线性控制研究”(59875072)、教育部博士点基金项目“高速受电弓-接触网系统动力学性能的研究”(2000061302)、铁道部科技研究开发计划项目“250km/h高速受电弓设计、试验研究”(2000J030)和“受电弓-接触网系统研究”(Z2006-046)、国家科技支撑计划项目“高速受电弓技术”(2009BAG12A05)等项目的资助，本文主要开展了以下几方面的研究工作：
　　 ⑴首先对国内外受电弓、接触网及其受电弓-接触网耦合系统的研究历史和现状进行了详细论述，明确了受电弓/接触网系统研究的意义和研究方向。
　　 ⑵建立了较为完整的受电弓理论计算模型，模型中既考虑了列车垂向、纵向振动及气动载荷的影响，又考虑了接触线与碳滑板间接触点横移的影响，并发展了相应的数值程序。该模型突破了目前常用的仅考虑垂向自由度和线性化的质量块模型。利用风洞试验，对安装与不安装导流板下原型受电弓，进行气动特性测试，获得开口、闭口状态下受电弓气动载荷。
　　 ⑶建立了考虑非线性因素(干摩擦力)下单自由度振动参数识别模型，并利用试验手段进行该模型参数(质量、刚度、阻尼等参数)测试，用于获得受电弓线性化模型参数。
　　 ⑷建立了接触网理论计算模型，模型中既考虑了接触网竖直平面内垂向振动的主要因素，还考虑了接触网水平面内横向振动的影响因素，并发展了相应的数值程序。为获得接触网理论计算模型中的等效阻尼，采用非接触式光学测量方法，对接触网的振动进行了测试。利用该模型，分析计算了接触网静态刚度、等效质量和模态。
　　 ⑸建立了较为完整的受电弓/接触网耦合系统的理论计算模型，包含刚性接触网/受电弓、柔性接触网/受电弓(含锚段关节)、刚性-刚柔-柔性悬挂接触网/受电弓等耦合系统动力学模型。以欧标EN50318为算例，对仿真系统进行了验证。以该模型为基础，开发了PCRUN弓网系统动力学仿真软件，在铁道第四、第一勘测设计院得以应用。
　　 ⑹采用半实物半虚拟相结合方法，建立了受电弓/接触网运行模拟试验台，进行了受电弓的结构特性及弓网参数匹配的试验研究。
　　 ⑺建立了考虑车桥耦合作用下的弓网大系统耦合分析模型，研究车桥特性对弓网行为的影响。