CN110852006B - 一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，通过加装风压传感器对列车运行过程中从明线工况转至隧道工况时受电弓结构表面压力数据进行采集，并以风压传感器数据为自变量，以受电弓作动装置电机的受力数据为因变量，采用APSO粒子群优化算法进行数值拟合，拟合出受电弓作动装置电机的受力数据随风压传感器采集数据变化的关系，并以此作为受电弓主动控制设计的参考。在列车运行过程中，受电弓结构表面风压传感器采集数据作为输入并使作动装置电机给予一定的力矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响。特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

Description

一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法

技术领域

本发明涉及受电弓受流质量技术领域，尤其涉及一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法。

背景技术

随着我国高铁技术和市场占有量逐步处于世界领先地位，受电弓与接触网关系成为亟待优化的问题。我国高铁动车组均采用电力驱动，受电弓受流成为保证列车能源动力输入的关键环节。因此，保证和提升受流质量，成为我国高速铁路列车技术中关键的优化方向之一。为此，对受电弓控制技术提出了新的要求。

在受电弓受流质量评价中，弓网接触力是其中一个重要的评价指标。产生弓网接触力的因素较多，其中三个因素由受电弓与接触网本身的材质和结构所决定，分别为：升弓系统对滑板造成的竖直向上的静态接触力、接触网本身材质弹性差异造成的受电弓与本身归算质量相关的上下交变动态接触力、以及受电弓各部件连接造成的阻尼力。在沿用现有设计方案的情况下，这三种因素造成的弓网接触力均保持固定，唯一在列车运行过程中会因工况条件不同而产生变化的是受电弓受气流影响造成的空气阻力及表面压力，不确定的气流会使弓网接触力过大或过小，都会引起较大的机械磨损和离线率增加。

受力情况对于实现受电弓主动控制至关重要，特别是列车运行过程中，如遇隧道等线路条件，受电弓所受空气阻力与隧道空气附加阻力总和变化明显，造成的弓网接触压力波动较大。因此，如何准确地计算高速铁路受电弓作动装置电机为抵消隧道工况对弓网接触力的影响而需补偿的电机扭矩，并为受电弓主动控制系统提供数据支持，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，用以抵消突增的隧道空气附加阻力对弓网受流质量的影响。

因此，本发明提供了一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，包括如下步骤：

S1：采用数值模拟的方法计算列车运行过程中受电弓结构表面的空气压力分布；

S2：根据所述受电弓结构的形状和尺寸以及所述数值模拟的结果，选择风压传感器的安装位置；

S3：记录列车运行过程中每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据；

S4：运用APSO粒子群优化算法对每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合；

S5：根据拟合结果和当前时刻所述风压传感器的数据，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S1，采用数值模拟的方法计算列车运行过程中受电弓结构表面的空气压力分布，具体包括如下步骤：

S11：按照标准实物尺寸，对列车、受电弓结构、隧道和列车运行空间进行三维模型构建；

S12：将构建好的三维模型输入网格化软件，对所述三维模型进行网格化，并设置所述三维模型的边界条件；

S13：将网格化后的三维模型输入有限元求解器，选择模型计算所涉及的物理模型和数学模型，对列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并对计算过程中使用的动网格进行加载和设置；

S14：选择模型计算的迭代步长、单次最高迭代数和迭代次数后，开始模型计算；

S15：在模型计算完成后，将计算结果文件输入结果后处理软件，得到列车运行过程中所述受电弓结构表面的空气压力分布数据和空气压力分布云图。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S2，根据所述受电弓结构的形状和尺寸以及所述数值模拟的结果选择风压传感器的安装位置，具体包括如下步骤：

S21：根据所述受电弓结构的形状和尺寸以及所述数值模拟的结果，在所述受电弓结构的各部件上分别布设至少两个风压传感器；其中，每相邻的两个风压传感器之间不存在尺寸干扰和信号干涉。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，在执行步骤S3，记录列车运行过程中每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据之后，在执行步骤S4，运用APSO粒子群优化算法对每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合之前，还包括如下步骤：

SS1：将记录的各个时刻的所述风压传感器的数据进行对比，判断记录的各个时刻的所述风压传感器的数据是否存在超出第一阈值范围的数据；若是，则执行步骤SS2后执行步骤SS3；若否，则执行步骤SS3；

SS2：将超出所述第一阈值范围的所述风压传感器的数据及对应的所述受电弓作动装置电机的受力数据剔除；

SS3：将记录的各个时刻的所述受电弓作动装置电机的受力数据进行对比，判断记录的各个时刻的所述受电弓作动装置电机的受力数据是否存在超出第二阈值范围的数据；若是，则执行步骤SS4后执行步骤S4；若否，则执行步骤S4；

SS4：将超出所述第二阈值范围的所述受电弓作动装置电机的受力数据及对应的所述风压传感器的数据剔除。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S4，运用APSO粒子群优化算法对每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合，具体包括如下步骤：

S41：采用APSO粒子群优化算法，基于MATLAB数学仿真软件，以每个时刻所述风压传感器的数据为自变量，对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据为因变量，进行拟合，求解每个时刻所述风压传感器的数据与对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据之间的数值关系。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，步骤S5，根据拟合结果和当前时刻所述风压传感器的数据，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量，具体包括如下步骤：

S51：根据拟合得到的数值关系和当前时刻所述风压传感器的数据，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据；

S52：根据计算得到的当前时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据，以及所述受电弓作动装置与电机之间的结构关系，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量。

本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，运用加装风压传感器的方法对高速列车运行过程中从明线工况转换至隧道工况时受电弓结构表面空气阻力(即压力)数据进行采集，并以采集到的风压传感器数据为自变量，以受电弓作动装置电机的受力数据为因变量，采用APSO粒子群优化算法进行数值关系拟合，拟合出受电弓作动装置电机的受力数据随风压传感器采集数据变化的关系，并以此作为受电弓主动控制设计的参考。在列车运行过程中，受电弓结构表面风压传感器采集数据作为输入并使作动装置电机给予一定的力矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响。本发明针对整体结构系统从明线工况下转换至隧道工况时受电弓受到额外隧道空气附加阻力而影响受流质量，需要受电弓控制系统提供额外扭矩补偿的问题提出，特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之一；

图2为本发明提供的一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之二；

图3为以高铁列车CRH380A为例构建的列车模型和受电弓结构模型的侧视图；

图4为以高铁列车CRH380A为例构建的列车模型和受电弓结构模型的正视图；

图5为以高铁列车CRH380A为例构建的隧道模型和列车运行空间模型的示意图；

图6为列车模型和受电弓结构模型网格化效果图；

图7为列车模型、隧道模型和列车运行空间模型网格化效果图；

图8为动网格交换面原理示意图；

图9为本发明提供的一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之三；

图10为本发明提供的一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之四；

图11为本发明提供的一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之五；

图12为本发明提供的一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法的流程图之六；

图13为图12对应的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：采用数值模拟的方法计算列车运行过程中受电弓结构表面的空气压力分布；

S2：根据受电弓结构的形状和尺寸以及数值模拟的结果，选择风压传感器的安装位置；

S3：记录列车运行过程中每个时刻风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据；

S4：运用APSO粒子群优化算法对每个时刻风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合；

S5：根据拟合结果和当前时刻风压传感器的数据，计算当前时刻受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量。

本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，运用加装风压传感器的方法对高速列车运行过程中从明线工况转换至隧道工况时受电弓结构表面空气阻力(即压力)数据进行采集，并以采集到的风压传感器数据为自变量，以受电弓作动装置电机的受力数据为因变量，采用APSO粒子群优化算法进行数值关系拟合，拟合出受电弓作动装置电机的受力数据随风压传感器采集数据变化的关系，并以此作为受电弓主动控制设计的参考。在列车运行过程中，受电弓结构表面风压传感器采集数据作为输入并使作动装置电机给予一定的力矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响。本发明针对整体结构系统从明线工况下转换至隧道工况时受电弓受到额外隧道空气附加阻力而影响受流质量，需要受电弓控制系统提供额外扭矩补偿的问题提出，特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S1，采用数值模拟的方法计算列车运行过程中受电弓结构表面的空气压力分布时，如图2所示，具体可以包括如下步骤：

S11：按照标准实物尺寸，对列车、受电弓结构、隧道和列车运行空间进行三维模型构建；以我国现行常见的高铁列车CRH380A为例进行三维模型构建，构建的列车模型1和受电弓结构模型2如图3(侧视图)和图4(正视图)所示，构建的隧道模型3和列车运行空间模型4如图5所示；

S12：将构建好的三维模型输入网格化软件，对三维模型进行网格化，并设置三维模型的边界条件；列车模型1和受电弓结构模型2网格化效果如图6所示，列车模型1、隧道模型3和列车运行空间模型4网格化效果如图7所示；

S13：将网格化后的三维模型输入有限元求解器，选择模型计算所涉及的物理模型和数学模型，对列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并对计算过程中使用的动网格进行加载和设置；动网格交换面原理示意图如图8所示，列车模型1从隧道模型的入口5进入，首先进入第一区域6，然后通过交换面7与第二区域8进行信息交换，在此过程中，隧道模型的壁面9保持相对稳定；

S14：选择模型计算的迭代步长、单次最高迭代数和迭代次数后，开始模型计算；

S15：在模型计算完成后，将计算结果文件输入结果后处理软件，得到列车运行过程中受电弓结构表面的空气压力分布数据和空气压力分布云图。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S2，根据受电弓结构的形状和尺寸以及数值模拟的结果选择风压传感器的安装位置时，如图9所示，具体可以包括如下步骤：

S21：根据受电弓结构的形状和尺寸以及数值模拟的结果，在受电弓结构的各部件上分别布设至少两个风压传感器；其中，每相邻的两个风压传感器之间不存在尺寸干扰和信号干涉。

具体地，由于本发明的实施对象为高速列车受电弓，其运动速度较快，因此，不考虑平均风压，需要考虑的是周期在几秒钟的脉动风压。风压传感器安装位置的选取是根据列车运动速度、受电弓结构的形状和尺寸以及经济成本等因素，在受电弓结构表面安装风压传感器。为了保证风压传感器数据采集的准确性，风压传感器的安装位置必须选取受电弓结构的关键部件及关键位置，并且，还要考虑受电弓部件的结构是否满足安装条件，因此，可以在受电弓结构的各个部件上分别布设至少两个风压传感器，且相邻两个风压传感器之间不可存在尺寸干扰和信号干涉。在风压传感器安装位置的选取过程中，由于列车运动速度快，且持续向既定方向运行，因此，受电弓结构受到的空气阻力可以视作方向不变，且与列车运动方向相反，即受电弓结构表面受流方向总是与受电弓结构保持相对固定；再根据数值模拟结果，在没有侧向来风的情况下，受电弓结构表面空气压力分布均匀且沿列车前进方向所在面呈对称分布，因此，按照空气压力云图，可以在典型有代表性的位置安装风压传感器，以排除湍流及其他随机气流的影响。另外，还可以在受电弓作动装置电机末端安装力传感器，以记录列车运行过程中受电弓作动装置电机受到的力。

在具体实施时，在本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中，在执行步骤S3，记录列车运行过程中每个时刻风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据之后，可以按照时间将列车运行过程中每个时刻风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据一一对应进行整理，从中排除随机误差，具体如图10所示，在执行步骤S3之后，在执行步骤S4之前，还可以包括如下步骤：

SS1：将记录的各个时刻的风压传感器的数据进行对比，判断记录的各个时刻的风压传感器的数据是否存在超出第一阈值范围的数据；若是，则执行步骤SS2后执行步骤SS3；若否，则执行步骤SS3；

SS2：将超出第一阈值范围的风压传感器的数据及对应的受电弓作动装置电机的受力数据剔除；

SS3：将记录的各个时刻的受电弓作动装置电机的受力数据进行对比，判断记录的各个时刻的受电弓作动装置电机的受力数据是否存在超出第二阈值范围的数据；若是，则执行步骤SS4后执行步骤S4；若否，则执行步骤S4；

SS4：将超出第二阈值范围的受电弓作动装置电机的受力数据及对应的风压传感器的数据剔除。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S4，运用APSO粒子群优化算法对每个时刻风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合时，如图11所示，具体可以包括如下步骤：

S41：采用APSO粒子群优化算法，基于MATLAB数学仿真软件，以每个时刻风压传感器的数据为自变量，对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据为因变量，进行拟合，求解每个时刻风压传感器的数据与对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据之间的数值关系。

在具体实施时，在执行本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法中的步骤S5，根据拟合结果和当前时刻风压传感器的数据，计算当前时刻受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量时，如图12(流程图)和图13(流程示意图)所示，具体可以包括如下步骤：

S51：根据拟合得到的数值关系和当前时刻风压传感器的数据，计算当前时刻受电弓作动装置电机的受力数据；

S52：根据计算得到的当前时刻受电弓作动装置电机的受力数据，以及受电弓作动装置与电机之间的结构关系，计算当前时刻受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量；这样，可以抵消在列车运动过程中因工况条件变化而引起的受电弓结构受空气阻力变化，解决影响受电弓受流质量的关键问题。

本发明提供的上述受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，运用加装风压传感器的方法对高速列车运行过程中从明线工况转换至隧道工况时受电弓结构表面空气阻力(即压力)数据进行采集，并以采集到的风压传感器数据为自变量，以受电弓作动装置电机的受力数据为因变量，采用APSO粒子群优化算法进行数值关系拟合，拟合出受电弓作动装置电机的受力数据随风压传感器采集数据变化的关系，并以此作为受电弓主动控制设计的参考。在列车运行过程中，受电弓结构表面风压传感器采集数据作为输入并使作动装置电机给予一定的力矩补偿，以抵消隧道空气附加阻力对弓网受流状态的影响。本发明针对整体结构系统从明线工况下转换至隧道工况时受电弓受到额外隧道空气附加阻力而影响受流质量，需要受电弓控制系统提供额外扭矩补偿的问题提出，特别适用于高铁列车在明线工况与隧道工况转换的情况下受电弓作动装置电机扭矩补偿量的计算。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于风压传感的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采用数值模拟的方法计算列车运行过程中受电弓结构表面的空气压力分布；

S2：根据所述受电弓结构的形状和尺寸以及所述数值模拟的结果，选择风压传感器的安装位置；

S3：记录列车运行过程中每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置的受力数据；

S4：运用APSO粒子群优化算法对每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合；

S5：根据拟合结果和当前时刻所述风压传感器的数据，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量；

在执行步骤S3，记录列车运行过程中每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻受电弓作动装置电机的受力数据之后，在执行步骤S4，运用APSO粒子群优化算法对每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合之前，还包括如下步骤：

SS1：将记录的各个时刻的所述风压传感器的数据进行对比，判断记录的各个时刻的所述风压传感器的数据是否存在超出第一阈值范围的数据；若是，则执行步骤SS2后执行步骤SS3；若否，则执行步骤SS3；

SS2：将超出所述第一阈值范围的所述风压传感器的数据及对应的所述受电弓作动装置电机的受力数据剔除；

SS3：将记录的各个时刻的所述受电弓作动装置电机的受力数据进行对比，判断记录的各个时刻的所述受电弓作动装置电机的受力数据是否存在超出第二阈值范围的数据；若是，则执行步骤SS4后执行步骤S4；若否，则执行步骤S4；

SS4：将超出所述第二阈值范围的所述受电弓作动装置电机的受力数据及对应的所述风压传感器的数据剔除；

步骤S4，运用APSO粒子群优化算法对每个时刻所述风压传感器的数据及对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据进行拟合，具体包括如下步骤：

S41：采用APSO粒子群优化算法，基于MATLAB数学仿真软件，以每个时刻所述风压传感器的数据为自变量，对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据为因变量，进行拟合，求解每个时刻所述风压传感器的数据与对应时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据之间的数值关系；

步骤S5，根据拟合结果和当前时刻所述风压传感器的数据，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量，具体包括如下步骤：

S51：根据拟合得到的数值关系和当前时刻所述风压传感器的数据，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据；

S52：根据计算得到的当前时刻所述受电弓作动装置电机的受力数据，以及所述受电弓作动装置与电机之间的结构关系，计算当前时刻所述受电弓作动装置电机为抵消空气阻力变化对受流质量的影响而所需的扭矩补偿量。

2.如权利要求1所述的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，其特征在于，步骤S1，采用数值模拟的方法计算列车运行过程中受电弓结构表面的空气压力分布，具体包括如下步骤：

S11：按照标准实物尺寸，对列车、受电弓结构、隧道和列车运行空间进行三维模型构建；

S12：将构建好的三维模型输入网格化软件，对所述三维模型进行网格化，并设置所述三维模型的边界条件；

S13：将网格化后的三维模型输入有限元求解器，选择模型计算所涉及的物理模型和数学模型，对列车和受电弓结构模型加载UDF文件或Profile文件，并对计算过程中使用的动网格进行加载和设置；

S14：选择模型计算的迭代步长、单次最高迭代数和迭代次数后，开始模型计算；

S15：在模型计算完成后，将计算结果文件输入结果后处理软件，得到列车运行过程中所述受电弓结构表面的空气压力分布数据和空气压力分布云图。

3.如权利要求1所述的受电弓作动电机扭矩补偿量计算方法，其特征在于，步骤S2，根据所述受电弓结构的形状和尺寸以及所述数值模拟的结果选择风压传感器的安装位置，具体包括如下步骤：

S21：根据所述受电弓结构的形状和尺寸以及所述数值模拟的结果，在所述受电弓结构的各部件上分别布设至少两个风压传感器；其中，每相邻的两个风压传感器之间不存在尺寸干扰和信号干涉。

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