基于应变响应测量弓网接触力的新方法

弓网动态接触力是评估弓网受流质量、接触网状态和滑板磨耗情况、诊断接触网局部缺陷的关键参数。考虑现有接触力检测方法存在的不足与缺陷,提出了一种基于光纤应变传感器测定接触力的方法.首先对受电弓弓头进行结构简化,分析了弓头集中力与应变响应的关系,建立了新的弓网接触力计算模型;其次,基于弓网混合模拟实验台进行了静态实验,验证了响应关系线性假设并对滑板等效刚度和等效长度进行标定,以及多组动态加载实验验证测量方法的有效性,并借助仿真进一步验证其高频工况的可靠性;最后,对惯性力修正前后的接触力测量结果与实际接触力进行了对比实验.研究结果表明:惯性力对接触力的贡献随频率的增加而增大,不考虑惯性力情况下,10Hz时接触力最小值和最大值的测量误差分别达26.57%和11.13%,已不可忽视;修正后接触力测量值与实际值能较好的吻合,最小值和最大值的测量误差降为3.12%和1.54%,测量误差小.     

受电弓等效模型参数识别及动态性能测试

为了得到合理的受电弓等效模型和参数,将受电弓结构等效为2质量块和3质量块模型,通过实验方法,对其质量、刚度和阻尼进行识别,得到了不同等效模型的力学参数.基于测得的等效参数建立受电弓数学模型,进行弓网动力学仿真计算,并将计算得到的接触力结果与利用弓网混合模拟试验台测得的实验数据进行对比.结果表明:对于2质量块和3质量块模型,最大和最小接触力的最大偏差分别为36.95、20.84 N和23.97、12.02 N,该测试方法可以用于受电弓等效模型参数的辨识.     

接触网弹性吊索参数对弓网动态性能影响

为确定不同速度等级接触网弹性吊索参数的优选值，利用有限单元法，建立了中国高速铁路250、350 km/h两种速度等级的受电弓、接触网和弓网接触的动力学仿真模型，得到受电弓与接触网的动态性能指标，比较双弓作用下不同接触网弹性吊索截面积、张力和长度的弓网接触力数字特征和接触网定位点最大抬升. 研究结果表明:适应250 km/h的O2-1型接触网弹性吊索宜选用线型为JTMH 35 mm2、张力范围为(2.80 ± 0.10) kN，长度为14 m或18 m；适应350 km/h的京沪高速铁路接触网弹性吊索宜选用线型为JTMH 35 mm2、张力范围为(3.50 ± 0.10) kN，长度为18 m；弹性吊索参数变化对前弓的接触力影响较小，对后弓的接触力影响显著；250 km/h和350 km/h下弹性吊索长度22 m的定位点最大抬升分别是长度18 m的111%和117%，弹性吊索长度的变化对定位点最大抬升影响显著.      

基于双弓受流动力学的弓网接触电弧分布

针对双弓受流情况下发生的电弧问题，基于经典电接触理论分析了弓网接触面微观结构与弓网接触电弧的产生机理，提出了接触电弧发生率算法；考虑双弓受流条件下接触网波动传播规律分析了双弓耦合系统动力学模型，建立接触网有限元模型与受电弓多体动力学模型，获取不同后弓静态抬升力下的前后弓接触力；结合接触电弧发生率算法与获取的前后弓接触力，计算多工况下前后弓接触电弧发生率，分析其在对应的接触力下接触电弧分布规律，并提出减小接触电弧发生率的措施。研究结果表明：在前弓上发生的接触电弧发生率远小于后弓上的概率，前弓均值仅为后弓的32%;后弓静态抬升力的变化对前弓接触电弧发生率影响很小，4种工况下前弓接触电弧发生率均在1.5×10^-3～5.0×10^-3内波动，无明显变化规律；后弓接触电弧发生率随后弓静态抬升力的增大显著减小，随着抬升力从55 N升高至85 N,后弓接触电弧发生率平均降低了42%;前弓上接触电弧发生次数随接触力的变化无明显变化规律，后弓静态抬升力越大其分布越均匀；后弓上接触电弧发生次数分布随接触力增大而减少，主要分布于接触力低值区间内；接触力在70～80 ...     

高速铁路弓网系统建模与动态性能研究

采用受电弓的三元集中质量块单元和弹性链型悬挂接触网的接触单元,建立受电弓与接触网的平面耦合动力学模型;以京沪高铁的实际线路为模拟对象,运行速度达到350 km/h以上时,在弹性吊索和承力索张力一定时,分析接触网在不同的接触线张力体系下的动态性能参数;依据高速铁路设计规范标准,比较了4种运行速度下的弓网系统动态性能参数,运用弓网动态仿真软件,实现了时速350 km以上弓网系统的动态响应。研究表明:提高运行速度会导致弓网之间的最大动态接触应力值增加和受电弓在定位点的抬升量偏大。当运行速度超过350 km/h时,接触网的动态参数基本满足受电弓单弓运行的速度,在承力索和弹性吊索的张力保持不变的情况下,接触线水平张力会随着速度的提高而增加,受电弓在定位点的抬升量增大,从而影响弓网之间的受流质量和可靠性。     

受电弓故障的车载图像识别技术

针对列车在途中因受电弓发生故障而影响运行安全的问题，提出了一种受电弓故障的车载图像识别技术，以实时检测受电弓降弓、变形与毁坏，碳滑板异常磨耗与缺口，弓角变形与缺失故障；基于更快速的区域卷积神经网络(Faster R-CNN)目标检测框架设计了弓头图像定位目标检测模型，利用残差网络代替原有卷积网络，利用特征金字塔多尺度预测结构构建了候选区域推荐网络，以精准、快速地进行弓头定位和状态检侧；基于掩码区域卷积神经网络(Mask R-CNN)实例分割框架设计了弓头图像分割模型，并针对性地重新设计了检测头的网络结构与特征图尺寸，以适应受电弓的细长弯曲特征，从而准确、快速分割弓头图像；为了在分割后的二值图中更快速地识别与定位故障，根据受电弓结构尺寸和图像分割模型输出的位置坐标，制定了弓角与碳滑板故障的快速模板匹配策略，并在此基础上编制了详细的故障检测算法与程序。研究结果表明：在相应的数据集上，弓头图像定位目标检测模型的平均检测精度为0.944,平均每帧检测时间为0.029 s,弓头图像分割模型的平均分割精度为0.967,平均每帧检测时间为0.031 s,模板匹配的检测精度为0.985,平均每帧检测时...     

基于多体系统动力学的受电弓参数优化

结合受电弓开发设计过程,借助有限元软件ANSYS和多体系统动力学软件SIMPACK,建立弓网刚柔耦合仿真平台.通过耦合仿真平台对受电弓参数进行了深入分析,比较了在同一速度下,不同的受电弓参数对弓网接触力的影响,进而对受电弓参数进行优化,得出最佳参数,并把参数反馈到受电弓的机械设计过程中.同时借助于多体系统动力学技术,建立弓网耦合仿真平台,在受电弓设计开发早期对受电弓参数进行了优化,而且研究的成果得到了实践中的验证,取得了有益的研究成果.     

跨座式单轨弓网耦合主动控制研究

单轨列车高速行进中,弓头往往会发生较大振动冲击刚性接触网,降低弓网受流质量与寿命,为此提出一种改善弓网关系的主动控制方法.在此基础上,首先分别建立了单轨弓网耦合的线性二自由度动力学模型,以及无刷直流电机的双闭环控制驱动模型;然后结合分数阶PID控制算法,完成了整个主动控制系统的建模;最后对比分析了列车不同时速下受电弓被动控制和主动控制接触力的响应以及弓头的抬升量,并分析了主动控制的响应速度.研究结果表明:该主动控制方法的响应速度能够完全满足高速状态下弓网关系的调节要求,且能够明显降低接触力波动,缓解弓网碰撞,减少弓网磨损,提高其使用寿命.     

城市轨道交通弓网系统仿真模型适应性研究

针对城市轨道交通弓网系统,为研究各种受电弓、接触网仿真模型的适用性,建立了受电弓的归算质量模型、多刚体模型和刚性接触网的等效梁结构模型、变刚度弹簧模型.组合不同的受电弓与接触网模型,通过弓网耦合系统动力学仿真,得到弓网系统的动力学性能.研究结果表明:在低速运行条件下,不同受电弓模型匹配同一接触网时受流性能差别不大,不同模型间接触力标准差变动范围不超过10 N;随着速度的提升,不同模型的受流性能差异渐趋明显,各模型接触力标准差变化超过80 N;当与跨距通过频率及其倍频相匹配的弓网系统固有频率、振型不同时,各受电弓模型受流性能发生变化,速度拐点出现;仿真结果和试验数据对比分析进一步表明,由于考虑了上框架的弹性贡献,受电弓三质量模型有更好的适应性.     

高速受电弓-接触网系统动态受流性能的仿真分析

采用了MSC-MARC软件对受电弓-接触网系统的动态受流性能进行了仿真,分别建立了接触网和受电弓两个子系统的有限元模型,通过接触实现了两个子系统的耦合,进行弓网的动态分析．通过仿真,将低速下得到的结果与国外的结果相比较,验证了软件分析结果的正确性．针对高速铁路一种受电弓-接触网的设计参数,对弓网之间的相互作用进行了分析,得到了高速下接触网的动态抬升量,接触压力和离线率,通过参数的调整保证弓网可靠作用达到良好的受流．对高速受电弓与接触网的相互作用进行了大量的仿真并对结果进行分析,为进一步研究高速下受电弓与接触网不同参数的配合奠定了基础．     

基于有限元和空气动力学模型的高速受电弓动态性能仿真

建立了接触网和受电弓子系统的有限元模型和空气动力学模型,采用MSC-Marc及STAR-CD软件,研究受电弓动态受流性能和空气动力学性能.通过接触实现2个子系统耦合,对弓网进行动态仿真;通过高速受电弓三维模型,埘受电弓高速空气动力学性能进行仿真.仿真结果表明:简单链型悬挂比掸性链型悬挂接触线动态抬升量和平均接触压力均小,在速度250 km/h时,气流对受电弓产生的抬升力约为12 N,空气阻力为550 N.     

计及覆冰和空气阻尼的弓网动态受流特性

为研究覆冰和环境风对弓网受流的影响,基于模态分析法,在充分考虑覆冰对接触网系统质量和刚度影响的基础下,重新推导了覆冰接触网运动微分方程,并引入静风载荷引起的空气阻尼对其进行修正.结合受电弓归算质量模型进行动态仿真计算,研究了不同覆冰厚度、风速、风攻角对弓网接触压力的影响.研究结果表明:无风时覆冰厚度的增加会造成弓网接触性能的变差;在静风环境下,由于线索覆冰改变了接触线阻尼,来流风向是静风载荷影响弓网接触性能的主要因素,来流风向越接近水平,对弓网受流性能的影响越小.      

基于弓网电弧模拟试验装置的电弧参数测量及分析

电气化高速铁路弓网相互作用是实现机车受流的关键环节,弓网电弧是评价弓网关系的重要特征.本文设计了一套弓网电弧模拟发生装置,该装置通过旋转轮盘与碳刷相对运动,产生旋转电弧,能够模拟受电弓与接触网的相对运动.系统试验最高电压100 V,电弧电流20 A,试验测试了静态电弧和动态电弧对系统的电压和电流的影响,并采用LABVIEW软件对其进行了谐波分析.谐波成分集中在500 Hz以下,且含有不规则间谐波.     

高速弓网耦合系统动态仿真研究

采用欧拉-伯努利梁结构的接触网和受电弓的二质量块模型建立了弓网垂直耦合动力学模型,通过拉格朗日方程推导出弓网系统运动微分方程组,并利用Newmark法编写数值仿真程序,在给定的条件下,讨论不同速度下弓网耦合系统的动态性能。采用MATLAB对高速受电弓与接触网的相互作用进行仿真并对结果进行分析,为研究不同速度下受电弓与接触网参数的优化奠定基础。     

京津城际高速铁路弓网动态系统有限元仿真

基于非线性有限元理论,建立了京津城际高速铁路弓网动态系统的有限元模型,采用欧拉-伯努利直梁模拟接触网各部件,采用铰链和非线性弹簧相互耦合模拟受电弓,借助MARC软件,对京津城际高速铁路弓网受流情况进行了动态仿真,并利用MARC的后处理功能显示弓网运动过程中的三维动态情况.计算得到了京津城际弓网动态系统的平均接触压力为160.68 N,接触点动态抬升量变化范围为28.5～87.0 mm.与西门子公司提供的仿真结果及京津城际现场的测试结果比较表明:有限元模型是正确和有效的,京津城际弓网动态系统具有良好的动态受流质量.     

高速受电弓—接触网系统的动力学研究

本文研究了单臂受电弓——简单链形悬挂接触网系统的动态特性,建立了数学模型,得到了系统的动态运行模拟计算方法,并给出在高速运行下,受电弓、接触网主要结构参数对弓网接触特性的影响,提出了提高受流质量的建议。     

弓网离线模拟试验平台的设计

受流问题是制约电气化铁路提速的瓶颈之一,而弓网离线电弧是高速列车受流的关键问题.为了全面的把握弓网离线状态,设计了弓网离线模拟试验平台.实现正弦周期内不同时刻离线及回合过程的电弧放电现象,并采用示波器和数据采集卡实现对离合瞬间电压、电流和光强等波形的同步记录,为弓网离线检测法和列车受流质量的研究及抑制电弧危害打下基础.     

高速受电弓滑模半主动控制

为解决人工磁瓦表面缺陷检测质量不稳定的问题,提出了一种自动检测磁瓦表面缺陷的方法.首先利用磁瓦轮廓长度、面积等几何特征及轮廓匹配的相似度作为特征向量,采用支持向量机进行初次分类;然后再利用对凸凹缺陷的分析,得到缺陷数量和面积作为特征向量,采用最小均方误差分类器进行二次分类;最后对上述2步结果做与运算,得出最终判断.实验表明本方法可以达到正确识别率约为91.80%,错误接受率约为0.75%,正确拒绝率约为14.00%.