CN110702545A - 一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台及其试验方法，属于轨道交通弓网模拟试验台技术领域。立柱的底部与台基上表面固定构成“门字形”框架，横梁两端设有法兰，通过螺栓与立柱中部的滑块固定，滑块外侧设有锁紧座；横梁底部中间设有垂向运动作动器，垂向运动作动器两侧分别设有水平运动作动器，垂向运动作动器下端设有力传感器且与受电弓的弓头接触；受电弓的底部支架与六自由度平台上表面固定；通过六自由度平台来实现列车顶部受电弓底座处空间运动姿态的振动信号，用D/A板卡将数字信号转换为模拟信号，通过液压伺服控制系统将受电弓底座运动姿态反演出来，预测下一时刻受电弓与接触网接触点处接触线位移。

Description

一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台及其试验方法

技术领域

本发明属于轨道交通弓网模拟试验台技术领域。

背景技术

在电气化铁路线路中，车辆运行及车上辅助设备灯的供电均通过车顶上方的受电弓与线路上方的接触网接触取流获得，好的接触状态能保证稳定的受流，而恶劣的接触状态则会产生燃弧和电火花，严重时会烧损接触导线，极端情况也会有受电弓或接触网被损坏进而导致重大运营事故的发生，因此良好的接触状态是保证车辆安全运行的关键。而受电弓与接触网的运行性能与健康状态能直接影响到牵引供电系统的供电稳定性。弓网动态接触力是评估弓网受流质量、接触网状态、滑板磨耗情况以及诊断接触网局部缺陷的关键参数，因此对于弓网系统的模拟实验采集弓网动态接触力的数据是非常有必要的。

电力机车在实际运行状态下，安装在机车顶部的受电弓经受着来自机车的振动，同时受电弓的弓头与接触网动态接触，这样接触网的接触线与弓头相互作用(接触压力)和接触线的刚度不均匀性产生不规则的弓网耦合振动。测定受电弓动态性能的实验装置设计的对象是机车、受电弓和接触网三个部分，是一个很大的振动系统，其中接触网系统的尺度达几百米，甚至上千米的工程，无法在实验室内做到全实物模拟，而虚拟仿真样机技术又达不到对受电弓性能进行工程研究的目的。所以，本发明基于半实物半虚拟技术，发明了一种铁路受电弓/接触网耦合系统动态运行模拟新方法及其试验台，其中受电弓为实物模型，而接触网和机车是虚拟的数字模型。

现有的实验装置其一：大多没有考虑接触网的作用，仅单独针对受电弓进行实验，进而只能测定受电弓静态和一些基本功能方面的参数。其二：考虑了接触网的作用，但只考虑了接触网垂向振动，未能考虑有拉出值时的工作状态。如中国专利号1776393A提出一种装置能够模拟接触网的垂向运动，但对于接触网的拉出值(横向运动)、倾摆并未能进行模拟；其三，对于车顶的振动只考虑了垂向方向的振动。此发明能够更全面更真实的模拟弓网工作状态时的各种数据，考虑车辆的横向垂向振动及各方向侧滚，能够模拟具有拉出值接触网的垂向运动(接触网特殊之字形布置)。

发明内容

本发明目的在于提供一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台，它能有效地解决现有的车端关系综合试验台无法满足接触网有拉出值，车顶的各方向振动的技术问题。

本发明的另一目的是提供一种受电弓/接触网耦合系统运行试验方法，它能有效地解决现有的车端关系综合试验台无法满足接触网有拉出值，车顶的各方向振动的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台，包括试验台台基为长方矩形中空结构，两个“A字形”支架的四支支杆分别于台基表面的四角固定，顶梁的两端分别与两侧的“A字形”支架的顶部固定，“A字形”支架内侧的顶梁底部与立柱的顶部固定，立柱的底部与台基上表面固定构成“门字形”框架，横梁两端设有法兰，通过螺栓与立柱中部的滑块固定，滑块外侧设有锁紧座，锁紧座下方设有举升油缸；横梁底部中间设有垂向运动作动器，垂向运动作动器两侧分别设有水平运动作动器，垂向运动作动器下端设有力传感器且与受电弓的弓头接触；台基的面板中心位置设有六自由度平台，受电弓的底部支架与六自由度平台上表面固定；液压伺服系统包括分配器和举升油缸、水平运动作动器、垂向运动作动器以及六自由度平台的底部设置的液压伺服系统连接的管路系统，其电气控制部分与计算机相连。

所述六自由度平台的底部分别设有六个液压伺服作动器。

所述六个液压伺服作动器分别在X轴方向对称布置两个，Y轴方向对称布置两个，Z轴方向布置一个，旋转角度布置一个。

所述两个“A字形”支架同侧的支杆中上部均设有顺顶梁方向的横撑，横撑中部与两侧的支杆间设有“八字”撑。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种受电弓/接触网耦合系统运行试验方法，基于受电弓为实物，接触网为虚拟的基础上，运用相对运动方法，即接触网相对受电弓反向运行，同时考虑车顶振动和接触网动态行为的组合运动情况下，模拟受电弓/接触网动态行为，其中：

a:模拟车顶振动：在计算机上直接输入模拟车顶振动的六自由度平台在X、Y、Z三个轴方向的移动距离和绕旋转角度以及作此振动的频率，计算机求解出六个液压伺服作动器的六个活塞分别运动的位移量，六个液压伺服作动器再依照计算机给予的指令信号振动，六自由度平台将振动传递到受电弓底座，以模拟列车在实际运行时列车顶部对受电弓引起的振动；

b:模拟接触线垂向运动：利用有限元方法建立接触网系统模型，计算受电弓/接触网系统接触点处接触线的动态位移；首先将接触线和承力索简化为有垂向预拉伸力的两个欧拉伯努利弯曲梁，通过有限元方法，推导出在其受垂向拉伸荷载作用下的欧拉伯努利梁单元，将受电弓/接触网系统接触点处接触力表示为接触线和滑板之间的运动的函数，使用欧拉-伯努利梁单元模型函数对接触网有限元模型的非线性坐标进行了插值拟合，计算出受电弓/接触网系统接触点的垂向振动位移，将计算得到的垂向振动位移作为输入，通过液压伺服系统的振动激振油缸的活塞运动，模拟出接触线的垂向运动；

c：模拟接触线横向拉出值：当分析的接触网之字形布置时，需要模拟接触线的横向拉出值，首先通过列车的运行速度和接触跨距，计算出接触线相对于受电弓的横向运动频率，再通过模拟接触线拉出值的作动器(7)沿滑板往复运动表现出来。

与现有技术相比的优点和效果：一是使用计算机输入指令通过控制六自由度平台来模拟车体振动的具体情况，二是对计算机输入指令循环采集受电弓与接触网的动态位移信号，通过有限元方法进行计算，输出激励控制信号，模拟受电弓与接触网的横向与垂向运动，使运用试验台运行试验时与实际车辆运行时受电弓的受振状况与机车实际运行时状况相同或接近。在试验状态更为接近实际运行状态的情况下，测量受电弓接触压力和接触点的垂向位移变化规律，从而能够更为正确的反映出受电弓的受流品质。

附图说明

图1为本发明正视示意图

图2为本发明三维视图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解,这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台，包括试验台台基1为长方矩形中空结构，两个“A字形”支架3的四支支杆分别于台基1表面的四角固定，顶梁的两端分别与两侧的“A字形”支架3的顶部固定，“A字形”支架3内侧的顶梁底部与立柱2的顶部固定，立柱2的底部与台基1上表面固定构成“门字形”框架，横梁8两端设有法兰，通过螺栓与立柱2中部的滑块固定，滑块外侧设有锁紧座5，锁紧座5下方设有举升油缸4；横梁8底部中间设有垂向运动作动器6，垂向运动作动器6两侧分别设有水平运动作动器7，垂向运动作动器6下端设有力传感器9且与受电弓10的弓头接触；台基1的面板中心位置设有六自由度平台11，受电弓10的底部支架与六自由度平台11上表面固定；液压伺服系统包括分配器和举升油缸4、水平运动作动器7、垂向运动作动器6以及六自由度平台11的底部设置的液压伺服系统连接的管路系统，其电气控制部分与计算机相连。

所述六自由度平台11的底部分别设有六个液压伺服作动器。

所述六个液压伺服作动器分别在X轴方向对称布置两个，Y轴方向对称布置两个，Z轴方向布置一个，旋转角度布置一个。

所述两个“A字形”支架3同侧的支杆中上部均设有顺顶梁方向的横撑，横撑中部与两侧的支杆间设有“八字”撑。

本发明的目的需要通过具体的实施方法：一种受电弓/接触网耦合系统运行试验方法，在同时考虑车体振动、具有拉出值的接触网动态行为的情况下，测试受电弓10的弓网接触压力、受电弓10和接触线位移动态变化规律。用于实施上述模拟方法的一种铁路受电弓/接触网耦合系统动态运行模拟试验台，大体分五部分组成：基础支撑、液压系统、被试受电弓、模拟机车振动的激振系统和模拟接触网动态行为的系统。具体实施如下：

1、车体振动的模拟：由计算机通过液压伺服控制器控制六个液压伺服作动器，作用在六自由度平台上，在计算机上直接输入模拟车体振动的六自由度平台绕X、Y、Z三个方向的移动距离和旋转角度以及作此振动的频率，计算机求解出六个作动器的六个活塞分别运动的位移量，六个作动器再依照计算机给予的指令信号振动，六自由度平台将振动传递到受电弓底部支架，产生出模拟机车实际运行状态的车体振动，由于六自由度平台的顶部安装板与受电弓的底部支架直接相连，从而将该振动直接传递到受电弓，使受电弓的受振状况与机车实际运行时状况相同或接近。

2、接触线垂向运动的模拟：初始时，接触线拉出值模拟激振器7和接触线垂向振动模拟激振器6都固定于横梁上，计算机通过液压马达根据需要来控制横梁的高度，通过其油缸活塞杆、力传感器，向受电弓弓头施加一初始接触压力，使受电弓产生初始振动位移；然后，利用有限元方法建立接触网系统模型，计算受电弓/接触网系统接触点处接触线的动态位移，即将接触线和承力索简化为有垂向预拉伸力的两个欧拉伯努利弯曲梁，通过有限元方法，推导出在其受垂向拉伸荷载作用下的欧拉伯努利梁单元，将受电弓/接触网系统接触点处接触力表示为接触线和滑板之间的运动的函数，使用欧拉-伯努利梁单元模型函数对接触网有限元模型的非线性坐标进行了插值拟合，计算出受电弓/接触网系统接触点的垂向振动位移，将计算得到的垂向振动位移作为输入，通过液压伺服系统的振动激振油缸的活塞运动，模拟出接触线的垂向运动；在每一个模拟循环过程中，计算机PC将接触压力和接触点位移信号采集、储存和处理，即可得到测试结果。

3、接触线的横向拉出值的模拟：通过列车的运行速度和接触网拉出值跨距，计算出作动器的横向运动频率，再通过模拟接触线拉出值的作动器控制活塞杆，进行往复运动。

其中对于受电弓底座的振动信号，采用线路测试或数值仿真方法获得，用D/A板卡将数字信号转换为模拟信号，通过液压伺服控制系统将受电弓底座运动姿态反演出来，用A/D板卡将接触压力传感器信号转换为数字信号，供给接触网模拟系统，预测下一时刻受电弓与接触网接触点处接触线位移。

本发明的试验台固定在基础支撑的台基1上，通过液压系统控制模拟作动器作用来模拟接触网动态行为和机车振动。液压系统包括分配器和管路系统，其电气控制部分与计算机相连。

六自由度运动平台是一种可完成空间六个自由度运动并模拟出空间各种姿态的并联式运动机构，通过六个液压伺服作动器控制，完全可以在实施时从其他公司进行购买，只要能够满足模拟车体振动要求即可。

Claims (5)

1.一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台，包括试验台台基(1)为长方矩形中空结构，两个“A字形”支架(3)的四支支杆分别于台基(1)表面的四角固定，顶梁的两端分别与两侧的“A字形”支架(3)的顶部固定，其特征在于：“A字形”支架(3)内侧的顶梁底部与立柱(2)的顶部固定，立柱(2)的底部与台基(1)上表面固定构成“门字形”框架，横梁(8)两端设有法兰，通过螺栓与立柱(2)中部的滑块固定，滑块外侧设有锁紧座(5)，锁紧座(5)的下方设有举升油缸(4)；横梁(8)底部中间设有垂向运动作动器(6)，垂向运动作动器(6)两侧分别设有水平运动作动器(7)，垂向运动作动器(6)下端设有力传感器(9)且与受电弓(10)的弓头接触；台基(1)的面板中心位置设有六自由度平台(11)，受电弓(10)的底部支架与六自由度平台(11)上表面固定；液压系统包括分配器和举升油缸(4)、水平运动作动器(7)、垂向运动作动器(6)以及六自由度平台(11)的底部设置的液压伺服系统连接的管路系统，其电气控制部分与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台，其特征在于：所述六自由度平台(11)的底部分别设有六个液压伺服作动器。

3.根据权利要求2所述的一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台，其特征在于：所述六个液压伺服作动器分别在X轴方向对称布置两个，Y轴方向对称布置两个，Z轴方向布置一个，旋转角度布置一个。

4.根据权利要求1所述的一种受电弓/接触网耦合系统运行试验台，其特征在于：所述两个“A字形”支架(3)同侧的支杆中上部均设有顺顶梁方向的横撑，横撑中部与两侧的支杆间设有“八字”撑。

5.一种受电弓/接触网耦合系统运行试验方法，基于受电弓为实物，接触网为虚拟的基础上，运用相对运动方法，即接触网相对受电弓反向运行，同时考虑车顶振动和接触网动态行为的组合运动情况下，模拟受电弓/接触网动态行为，其中：

a:模拟车顶振动：在计算机上直接输入模拟车顶振动的六自由度平台在X、Y、Z三个轴方向的移动距离和绕旋转角度以及作此振动的频率，计算机求解出六个液压伺服作动器的六个活塞分别运动的位移量，六个液压伺服作动器再依照计算机给予的指令信号振动，六自由度平台将振动传递到受电弓底座，以模拟列车在实际运行时列车顶部对受电弓引起的振动；

b:模拟接触线垂向运动：利用有限元方法建立接触网系统模型，计算受电弓/接触网系统接触点处接触线的动态位移；首先将接触线和承力索简化为有垂向预拉伸力的两个欧拉伯努利弯曲梁，通过有限元方法，推导出在其受垂向拉伸荷载作用下的欧拉伯努利梁单元，将受电弓/接触网系统接触点处接触力表示为接触线和滑板之间的运动的函数，使用欧拉-伯努利梁单元模型函数对接触网有限元模型的非线性坐标进行了插值拟合，计算出受电弓/接触网系统接触点的垂向振动位移，将计算得到的垂向振动位移作为输入，通过液压伺服系统的激振振动油缸的活塞运动，模拟出接触线的垂向运动；

c：模拟接触线横向拉出值：当分析的接触网之字形布置时，需要模拟接触线的横向拉出值，首先通过列车的运行速度和接触跨距，计算出接触线相对于受电弓的横向运动频率，再通过模拟接触线拉出值的作动器(7)沿滑板往复运动表现出来。

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