（电力系统及其自动化专业论文）动车组接触网动态参数检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t 、矾t hl a r g ea m o u n to fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ea n di n t e r c i t yh i g h - s p e e dr a i l w a y c o n s t r u c t i n ga n dp u t t i n g i n t o o p e r a t i o n ，c h i n e s er a i l w a yn e t w o r kl e a d st o p e r f e c t i o ng r a d u a l l ya n dt h et r a n s p o r tc a p a c i t y i s i n c r e a s i n gr e m a r k a b l y m e a n w h i l e ，i ti si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tf o rt h ed y n a m i cp a r a m e t e r sw h i c hr e f l e c t t h eo p e r a t i o nq u a l i t yo fh i g h - s p e e dr a i l w a y so c s ( o v e r h e a dc o n t a c ts y s t e m ) s i n c et h e r ei so b v i o u sd i s t i n c t i o nb e t w e e nt h ep a r a m e t e r sd e t e c t e da th i g hs p e e d a n da tl o wo rm e d i u ms p e e d ，c o n s i d e r i n gt h a tt h ef o r m e ri sm o r et r u t h f u l n e s st o r e f l e c tt h ea c t u a lc o n d i t i o na n dd e s e r v e sm o r er e f e r e n c e ，i tg e t sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt oa d o p tm o r ea d v a n c e dh i g h s p e e dd y n a m i co c sd e t e c t i o nt e c h n o l o g y u s e df o rr e s e a r c h i n ga n de v a l u a t i n gt h er u n n i n gq u a l i t yo fr a i l w a y c o n s e q u e n t l y i nv i e wo ft h ed e f e c ta n dd e f i c i e n c yo fc u r r e n to c sd y n a m i cp a r a m e t e r s i n s p e c t i o nm e t h o d s ，a c c o r d i n gw i t hw h i c hc a nn o tm e e tt h ep r o g r e s so fh i g h - s p e e d r a i l w a yb e c a u s eo ft h ew e i g h ta n dv o l u m eo ft h o s es e n s o r si n s t a l l e do nt h e p a n t o g r a p hw h i c hc h a n g et h ee x t e r n a l i t ya n da e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f p a n t o g r a p ha n dm a k ee f f e c to nc a t e n a r y - p a n t o g r a p hd y n a m i cf o l l o w i n gr e s p o n s e a n ds y s t e ms e c u r i t y , t h i st h e s i sp r e s e n t san o v e ld y n a m i cp a r a m e t e r s d e t e c t i o n s c h e m ew h i c hc a ng a i nc o n t a c tf o r c e ，h a r ds p o ta n do f f i i n es i t u a t i o nm o r e a c c u r a t e l yt h r o u g hi n s t a l l i n ga c c e l e r o m e t e rw h i c hi ss m a l la n dl i g h to nt h eb r a c k e t o fp a n t o g r a p hs l i d eb o a r da n dc o o r d i n a t i n gw i t ht h ew i n dd i r e c t i o na n dw i n d s p e e d s e n s o rw h i c hi si n s t a l l e da tl o w - v o l t a g et e r m i n a lo nt h el o c o m o t i v er o o fb a s e do n m e c h a n i c a lm o d e la n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gt h o s ep a r a m e t e r s t h i st h e s i sm a k e sa n a l y s i so ns t a t i ca n dd y n a m i cf o r c eo fp a n t o g r a p hs l i d e b o a r dd e t a i l e d l ya n de s t a b l i s h e sm e c h a n i c sm o d e la t f i r s t ，t h e nd e d u c e sa n d c a l c u l a t e se a c hf o r c ea c c o r d i n gw i t ha e r o d y n a m i c ，h y d r o d y n a m i c sa n dn e w t o n l a w ；e m u l a t e sa n dc o n t r a s t i v e l ya n a l y z e sa i rr a i s i n gf o r c ea n dc o n t a c tf o r c ea t d i f f e r e n to p e r a t i o n s p e e db yu s i n g m a t l a bs o f t w a r e t h et h e s i sm a k e s i n s p e c t i o na n dj u d g i n ga p p r o a c ho fc o n t a c tf o r c e ，h a r ds p o ta n do f f i i n eb a s e do n c o r r e l a t i v es t a n d a r da n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d so ft h o s ep a r a m e t e r sw i t hp o l e n u m b e r s a f t e r w a r d s ，t y p ec h o o s i n ga n df u n c t i o ne n a c t m e n to fh a r d w a r ee q u i p m e n t sa r e m a d eb a s e do na n a l y z i n gt h ec o n f i g u r a t i o no fo c si n s p e c t i o ns y s t e m n a m e l y , a c c e l e r o m e t e ra sw e l la sw i n dd i r e c t i o na n ds p e e ds e n s o ra r eu s e da sd a t a 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 a c q u i s i t i o nu n i t ，f c a ns e r i e sm o d u l ei su s e da st r a n s m i s s i o nu n i t s ，e p c m 2 0 0 0 s e r i e sm o d u l ew i t hp r o l i f i ci n t e r f a c e sa n ds t r o n gd a t a p r o c e s s i n gc a p a c i t yi su s e d a sf r o n t e n dp r o c e s s o r a n di p cw i t hs t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c ei su s e da s g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n do u t p u tt e r m i n a l ；t h e n ，t h e c o n n e c t i o nm o d ei sd e s i g n e do na c c o u n to fr e a l t i m i n gr e q u i r e m e n t s e v e n t u a l l y , t h ec o u r s eo fa n a l y s i s ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o n o ft h es y s t e m s a p p l i c a t i o ns o f t w a r ei s a l s os e tf o r t hu n d e rt h ei d e o l o g i c a lg u i d a n c ea n dw i t ht h e t e c h n o l o g i c a ls u p p o r to fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gb yc o m b i n i n gw i t hi n s p e c t i o n a p p r o a c ha n dc o r r e l a t i v es t a n d a r do f c o n t a c tf o r c e ，h a r ds p o ta n do f f l i n e k e yw o r d s ：o v e r h e a dc o n t a c ts y s t e m ；p a n t o g r a p h ；e m u ( e l e c t r i c a lm o t o ru n i t s ) ； d y n a m i cp a r a m e t e r s ；o n l i n ei n s p e c t i o n 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酬使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 蓄霸鬻鬻。马宁恕日期：穆雪1 ， i 指导老师签名：泥菇绍 日期：1 , o 。7 岁“ 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 学位论文作者签名：之园弛 日期：m ? 7 s v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 动车组简介 将一定数量的动力车和拖车进行连挂，形成编组固定的车组被称为动车 组。动车组在两端都设置司机室，列车折返时不必调头，从而满足城际间运 行对列车高密度运行的严格要求。按驱动轴和驱动设备的布置可把高速动车 组分为动力集中型和动力分散型两种【l ，引。 动力集中型动车组是指将列车电气和动力设备集中安装于位于列车端部 的动力车上，仅动力车的轮对是动力轮对，旅客主要集中在中间拖车的动车 组。这种动车组存在着一些固有缺陷：动力集中方式使列车相对载客量减少； 动力车轴重与高速动车组小轴重和低轮轨动力作用的运行要求相矛盾：列车 动力制动性能欠佳；黏着质量不及动力分散动车组，速度的进一步提高受到 功率和黏着的限制；恶劣气候条件下运行性能和制动性能均无法满足列车高 速运行的需要。法国、德国在研制其第一代高速动车组时均选择了动力集中 模式，但是随着列车运行速度的不断提高，其高速动车组技术路线已经向动 力分散方向转移。 动力分散型动车组是将由电机驱动的动力轮对分散布置在列车的全部或 部分轮对上，同时将列车的主要电气和机械设备吊挂在车辆下部，列车全部 车辆可载客的列车模式，其代表是德国、i c e 3 日本新干线和我国“先锋”号 动车组。动力分散型动车组黏着性能优于动力集中型动车组，采用该模式可 大大降低恶劣气象条件下其动轮空转的可能性，从而避免了损坏钢轨和轮对， 同时也提高了电动车组的加速能力。除此之外，动力分散电动车组还可充分 利用列车载客；而且由于动力设备分散设置于各车体下，其动轴轴重小，可 以减小车辆与轨道之间的动作用；动力分散型动车组编组灵活，扩编运行后 可在保持其列车牵引特性不变的前提下增加运能。基于高速运行对车辆性能 的需要，我国的高速动车组应选择动力分散模式【l l 。 1 2 国内外动车组的发展现状 自日本东海道新干线开通运营以来，随着高速铁路的发展，动车组的运 用日益广泛。经过4 0 多年的发展，形成了以法国t g v 、日本新干线和德国 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 i c e 高速动车组为代表的三大技术体系。各国动车组从本国的实际需要出发， 具有各自的技术特色，为世界铁路向高速化发展起到了积极的推动作用。 日本是世界上最早开行高速动车组的国家。o 系新干线列车成为世界上最 早运行的高速动车组。随着新干线网络不断扩大，相关企业与研究机构在o 系、1 0 0 系、2 0 0 系、1 0 0 n 系列车的基础上先后开发了3 0 0 系、4 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系、n 7 0 0 系、8 0 0 系、e l 系、e 2 系、e 3 系、e 4 系等新干线列车和 w i n 3 5 0 ，3 0 0 x ，s t a r 2 l ，f a s t e c h ，e 9 5 4 系等试验列车，共有二十多种 新干线用电动车组。日本新干线动车组注重运用新技术，其动车组轻量化、 车辆空气动力学设计水平已经走在了世界的前列【l 4 j 。 自1 9 6 7 年起，法国国营铁路公司开始着手研究高速铁路。1 9 6 9 年，法国 研制成功了第一代e t g 型燃气轮动车组。此后，又研制出第二代e t g 型燃 气轮动车组和第三代t g v - 0 0 1 型燃气轮动车组。1 9 7 3 年，法国研制出第一列 z 7 0 0 1 电动车组，最高试验速度达到3 0 9k m h 。1 9 7 6 年起，法国开始着力研 究交直传动的t g v - p s e 动车组，并先后研制了交直一交传动的t g v - a ， t g v - r ，t g v 2 n ，t g v - t m s t ，a v e ，t g v - p b k a ，t g v - k 等型号的高速动 车组。2 0 0 7 年4 月3 日，法国试验动车组v 1 5 0 创造了5 7 4 8k m h 的高速铁 路试验速度的新纪录。近年来，法国国家铁路已经开始进行动力分散型电动 车组的研究，与a l s t o m 等共同设计的新型动力分散动车组a g v 已经投入试 验运行。 早在1 9 7 0 年，原联邦德国政府技术研究部就开始组织对未来长途运输系 统新技术的研究。但是在发展高速铁路采用磁悬浮技术还是轮轨技术的问题 上的讨论，影响了其铁路高速化进程，直到2 0 世纪8 0 年代中期，政府才意识 到以往政策的失误。1 9 8 2 年，联邦铁路试制i c e 试验型城间快车。1 9 8 5 年， 2 动3 拖的i c e n 试验型高速电动车组试制成功，其最高试验速度达到3 1 7 k m h 。1 9 8 8 年5 月，i c e n 试验列车创造了4 0 6 9k m h 的高速动车组速度记 录。1 9 8 6 年开始试制i c e l 型高速动车组，1 9 9 0 年试制完成并以2 8 0k m h 的 速度正式投入运行。1 9 9 1 年，开始第二代i c e 高速动车组i c e 2 的开发。 为了在既有线路实现列车运行速度的提高，德国铁路还开发了i c t 型摆式动 车组。目前，运行速度达3 5 0k m h 的i c e 2 1 型高速电动车组正在研制中【4 】。 我国自2 0 世纪5 0 年代开始引进动车组这一列车运行模式，但并未得到 广泛的运用。改革开放后，我国逐渐认识到动车组的特有优势。1 9 8 9 年，我 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国试制出k d z l 型动力分散型动车组。自1 9 9 8 年，设计制造了“庐山”号、 “晋龙”号、“神州 号、“新曙光 号等内燃动车组。在电动车组方面，长 春客车厂1 9 9 9 年制造了“春城 号动车组。株洲电力机车厂与长春客车厂等 单位合作，先后设计制造了d d j l 型“大白鲨”号和d j j l 型“蓝箭”号动车 组。d j j 2 型“中华之星”动力集中型电动车组最高试验速度达到3 2 1 5k m h 。 此后，我国还设计、制造了“中原之星”、“白山”和“先锋”号动力分散型 动车组。为满足第六次提速列车运行时速达到2 0 0k m h 的需要，我国引进技 术制造了“和谐号”动力分散型高速动车组，并已投入运营。 我国和谐号动车组目前有四种型号，其编组如下：c r h l 型由5 个动车、 3 个拖车组成，时速2 0 0k m ，主要用于城际间的中短途运输；c r h 2 型由4 个动车、4 个拖车组成，时速2 5 0k m ，主要运行在北京以南地区：c r h 3 型 由4 个动车、4 个拖车组成，时速3 0 0k m ，主要用于城际和高速客运专线； c r h 5 型由5 个动车、3 个拖车组成，时速2 0 0k m ，主要运行在北方地区。 2 0 0 8 年8 月1 日，京津城际客运专线正式投入运营，和谐号c r h 动车组 以3 5 0 k m h 的速度飞驰，实现了我国高速铁路又一次飞跃【l 4 j 。 1 3 接触网检测系统简介 随着客运专线和城际高速铁路的大量建成与投入运营，我国铁路网日趋 完善，交通运输能力显著提高。高速铁路的牵引供电系统主要包括接触网和 牵引变电所两部分。接触网是与高速电气化铁路安全运营直接相关的架空设 备，它的任务是保证对电力机车可靠地不问断地提供电能【2 ，3 j 。由于接触网工 作环境恶劣( 铁路沿线环境复杂且沿线架设无备用) ，使其成为整个牵引供电 系统中最为薄弱的环节，它的性能直接决定了电力机车受电弓的受流质量， 影响列车的运行及安全【5 6 】。因此，为了保证受电弓与接触线良好接触且可靠 受流，不仅要严格要求接触悬挂的设计、施工及运营，而且要不断研究高速 铁路接触网检测技术，以便及时发现隐患，克服接触悬挂在某些环节存在的 问题，保证接触悬挂处于良好的工作状态。因此，动车组接触网动态参数检 测系统研究对提高牵引供电系统的安全性和可靠性，满足高速电气化铁路工 程运营和发展需要，实现高速电气化铁路现代化管理，具有重要的现实意义。 评价接触网受流性能优劣的参数可以分为几何参数与动力学参数两种， 几何参数主要有：接触线高度、拉出值、接触线磨耗、定位管坡度、线岔、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 支柱位置等；动力学参数主要有：悬挂硬点、接触压力、离线状态等。 目前，对接触网相关技术参数进行检测主要靠安装有由传感器、处理机 等设备组成的接触网检测系统的工程车实现。通常，此系统可按功能分为如 下几个部分：前端信号检测系统，信号隔离与传递系统，接口系统，数据采 集、析取与传递系统，数据显示、处理与记录系统3 1 。检测系统功能框图如图 1 1 所示。 前端 信号隔 数据采数据显 信号1卜 离与传 1卜、接口1卜集、析 1 卜 示、处 检测 r 1 厂 系统 广 取与传 厂 理与记 系统 递系统 递系统录系统 图1 - 1 检测系统功能框图 其中，前端信号检测系统由一系列的传感器或智能仪表组成，用于获得 包含有待测相关技术参数的原始数据；信号隔离与传递系统由屏蔽设备、隔 离超变压器、光电转换设备等组成，用于隔离高一低压端电气设备，以尽量避 免由输电线路引起的电磁干扰的不利影响；接口系统由多种线缆、接头、转 换设备组成，用于系统各硬件设备之间数据传输，完成系统间信息交换：数 据采集、析取与传递系统，用于接收原始检测数据，并进行数据预处理以便 为上位机提供待检参数的粗略值；数据显示、处理与记录系统由工控机等设 备组成，用于对所检测数据做进一步处理，提供人机交互接口，生成可供理 解、分析、保存的文件。 动车组接触网检测系统是一套复杂的动态实时检测系统，本文基于加速 度传感器、风速和风向传感器、i c a n 系列模块与e p c m 2 0 0 0 系列工控主板、 工控机等硬件设备针对动车组接触网动态参数的检测方法展开研究与设计。 1 。4 国内外接触网检测技术研究现状 1 4 1 国内外接触网检测技术发展概况 目前，接触网检测系统以意大利和德国研制的装置最具代表性。从系统 结构看，意大利和奥地利接触网检测设备比较接近，称为非接触式检测方式， 主要强调接触网几何参数的测试；法国、日本和瑞士研制的接触网检测设备 与德国比较接近，称为接触式检测方式，主要强调弓网动力学参数的测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 意大利的接触网检测主要采用激光照射，伺服跟踪、图象处理技术，对 非接触式检测的动态拉出值和导线高度测量较准；但不能测试接触网动力学 参数，且因其图象处理计算量很大，也不能适应高速铁路接触网在线测试1 3 7 j 。 德国接触网检测侧重对接触压力和硬点的测量，优点是所获得的动力学 参数较为准确，能够对弓网接触状况做出最直观的评判；而缺点则在于测试 项目不全、杆位定位不准、压力测试设备在温度变化时需要频繁标定、通过 压力传感器测试得到的拉出值在高速下误差较大、定位坡度和磨耗不能检测、 数据报表和测试曲线表现形式不适合中国国情且价格昂贵【3 7 】。 日本的接触网检测，突出对弓网离线、接触线磨耗的测量。早在上世纪 九十年代，就研制出可在1 0 0k m h 运行速度下检测接触网导线高度、拉出值、 定位器坡度、支柱号和跨距的检测车【孓刀。 我国的接触网检测技术研究始于2 0 世纪6 0 年代，并在2 0 世纪8 0 年代， 自行研制出主要用于检测接触线高度和拉出值等参数测量的接触网检测车。 作为突出代表的是西南交通大学研发的j j c 系列接触网检测车，在实际运用 中取得了较好的效果。优点是其对动态拉出值和导线高度的非接触式检测比 较准确、压力和硬点检测比较准确、定位准确、数据报表和测试曲线表现形 式适合中国国情、价格低；缺点则在于轨道静态检测不准确、定位坡度定量 检测和磨耗检测误差比较大。 1 4 2 接触网动态参数检测方法 1 4 2 1 现有的动态参数检测方法 目前，国内外接触网动态检测方法虽然向多元化发展，但是仍旧各有利 弊，有极大发展空间。 接触压力作为接触网动态参数检测的主要对象，现有的检测方法可分直 接与间接两种，分述如下t ( 1 ) 直接测量方式。在受电弓滑板下面，受电弓托架上面加装检测装置。 考虑到接触线在受电弓滑板上的不确定位置，一般是在其四个角上分别安装 一个压力检测装置，如图1 2 所示。根据技术要求，这4 个检测装置的结构、 性能、灵敏度、误差和线性度都应该是相同的。当接触线压到滑条上后，这 四个检测装置都会动作，并感应出相应的量值。设受电弓自身重量为异接触 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 线施加于受电弓滑条上的力为p ，四个检测装置产生的反作用力分别为只， 只，b 和只，通过检测装置可测量得到片，最，e 和只的大小，那么在不 考虑受电弓自身重量时压力计算公式为 p = 只+ 昱+ 只+ 只 ( 1 - 1 ) 若考虑受电弓自身重量时压力计算公式为 p = 舅+ e + b + 只+ 晶 ( 1 - 2 ) 通过( 1 - 1 ) 或( 1 2 ) 式就可计算出接触压力大小。 安装 装过 动响 ( a ) 原理图( b ) 实物图 图1 - 3 逆向分析方法 该测量方法的特点是：在测量对象频率范围内，在与起支配作用的振动 模数相等或以上的点上测量受电弓振动响应，同时，设置多于定义输入接触 力节点数的测量点来推断接触力的受力点。这种方法可广泛设定测量的频率 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 范围。 但是，此方法受振动响应矩阵的影响很大，且当传感器信号中混入强噪 声信号时，该测量结果的准确性不能得到保证。 1422 发展中的动态参数检测方法 直接测量运行中的接触压力比较困难，大多数情况下，接触压力与空气 抬升力的合力被测量，空气抬升力被忽略。然而，由于高速动车组的受电弓 在高速的空气流内，所以一个不小的空气抬升力施加给了接触压力。因此， 要想准确测得接触压力，得到正确的空气抬升力是必须的【9 】。 ( a ) 受力图( b ) 实物图 图1 - 4 考虑空气抬升力的接触压力检测方法 一种正在发展的考虑空气抬升力影响的动态参数检测方法示意图如图 卜4 ( b ) 所示。图卜4 ( a ) 所示为其受力分析，即受电弓受到接触压力只 惯性力丁，空气抬升力e ，弹簧弹力等力的作用。接触压力是弹簧弹力， 空气动力抬升力与惯性力的矢量和，即 一尸+ e + n = t ( 1 - 3 ) 其中，t = m a ；r = k v 2 。 因为时域内惯性力的平均值趋于零，所以它对平均接触压力的作用不 大。因此( 卜3 ) 式可表示为 p = n + 砰( i - 4 ) 其中，n 为平均弹簧弹力；v o 为列车匀速运行速度。 如果在列车运行时测得接触压力和弹簧弹力，空气抬升力系数可表示为 k ：一p - n ( 1 - 5 ) p i 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 由式( 1 - 3 ) 和式( 1 5 ) 可以最终求得接触压力，如式( 1 6 ) 所示。 ：n + p - nv 2 一(1pnt 6 ) = + 2 一( ) v i 该检测方法充分意识到了空气抬升力对接触压力检测的影响，但是简单 地认为疋= k v 2 ，并且某个区域测得的k 值不能反映出其他特定区域的情况。 另外，该检测方法还忽略了自然风对受电弓空气抬升力的影响。因此，这种 方法有待提高和完善。 1 5 论文的技术路线及主要研究工作 1 5 1 开发背景与技术路线 本文系统是作为济南铁路局动车组接触网检测系统的子系统而开发设计 的，主要用于补充和比较传统的动态参数检测方法。通过安装在受电弓滑板 支架处的质量和体积很小的加速度传感器及安装在机车低压端的风向风速传 感器获得相应信号，运用空气动力学与流体力学理论及牛顿运动定律进行计 算获得接触压力，在此基础上得到硬点和离线状态。 本文的研究顺应了接触网检测系统高速、动态检测的潮流，避免了传统 动态参数检测方法因安装于机车受电弓上的传感器所附加的质量和体积造成 受电弓外形及空气动力性能的改变从而直接影响弓网动态跟随性和系统安全 性以致无法适应高速铁路发展需要这一缺点，通过测得受电弓滑板垂向加速 度和来流速度及其攻角并运用空气动力学与流体力学原理及牛顿定律计算出 接触压力，应用i c a n 系列模块及e p c m 2 9 4 0 工控主板实时传输和处理相关 传感器测得的数据，基于软件工程思想编制完成了检测系统的配套应用软件。 1 5 2 论文工作与章节安排 在此动态参数检测系统开发的整个过程中，本人负责项目的主要设计、 编码与调试工作。根据在开发过程中所做的工作撰写了本文，主要内容的章 节安排如下： 第l 章为绪论。阐述了本课题的研究对象、背景及意义，比较了现有及 发展中的接触网动态参数检测方法的特点与利弊，结合本文应用的具体场合 提出了系统实现的技术路线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章为系统动态参数检测原理。主要介绍了受电弓滑板的静态和动态 受力情况并对各个作用力进行了详细推导计算，结合欧标( e n 5 0 3 1 72 0 0 6 及 e n 5 0 3 6 72 0 0 4 ) 制定了接触压力、硬点和离线的检测方法与分析评判途径， 以及数据杆位坐标对应方法。 第3 章为系统硬件系统设计。主要介绍了检测系统架构、功能与技术指 标，硬件设备选型、系统结构与连接方案。 第4 章为系统的软件实现。主要介绍了系统硬件设备之间的数据通讯与 交互、应用软件的设计等部分的软件实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章接触网动态参数检测原理 动车组接触网动态参数主要有接触压力、离线状态、悬挂硬点等，它们 与列车的受流质量密切相关。接触线的状态以振动、声音、力等形态传递到 受电弓滑板上，因此受电弓滑板成为可贵的诊断手段，可以说是接触线的听 诊器。 2 1 受电弓及其滑板的受力分析 2 1 1 受电弓滑板的静力分析 假设受电弓滑板的归算质量为m ，静态压力为尸。受电弓在工作高度范 围内尸为一定值我国受电弓的静态接触压力规定为6 0 , - - - 9 0n 【1 0 】。换言之， 弹簧给受电弓提供了一个确定的力，用只表示。由受电弓滑板的静态受力条 件可得 只一尸一m g = 0 ( 2 1 ) 由于弹簧力的变化量为零，与弹簧的位移无关，根据刚度的物理意义可 知，在受电弓滑板模型中，弹簧的刚度为零1 0 1 。受电弓滑板的静态受力模型 如图2 - 1 所示。 m 季 图2 - 1 受电弓滑板的静态受力模型 2 1 2 受电弓滑板的动态受力分析 动车组在高速运行时，受电弓滑板会受到各种力的影响，因此和静态受 力会有很大差别。其中包括空气动力和由于高度迅速变化产生的惯性力，它 们会对接触压力造成较大影响。滑板在水平方向受到以下力的作用：弓网间 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 的滑动摩擦力，大小为滑板接触力与弓网摩擦系数的乘积，方向与机车运行 速度相反：空气气动力的水平分量，方向与机车运行速度相反，作用点为延 滑板长度方向均匀分布载荷；以及滑板支撑点的支撑力。在运行过程中，水 平方向的受力可以由机车的纵向动力来克服。 滑板垂直方向的受力如图2 - 2 所示。其中，滑板自身的重力民，方向指 向大地，作用点延质量均匀分布；滑板支撑点的铅垂支撑力p h t ；滑板与接触 网的接触压力尸受电弓滑板的动力分量只。，由其归算质量及垂直加速度决 定，该力为弓网动力，是一非均匀力；空气气动力的垂直分量空气抬升 力兄，它与受电弓滑板的类型及列车运行速度有关。 3 图2 - 2 滑板垂直方向的受力 根据牛顿第二定律，可得 p + 一咒。一p h k = 咒 ( 2 2 ) 由式( 2 - 2 ) 整理得 p = 兄+ r + 凡一 ( 2 3 ) 2 1 3 滑板各作用力的计算 2 1 3 1 受电弓滑板空气气动力的计算 高速动车组是在充满着以空气为介质的空间里运行的。其研究的对象可 归纳为研究空气流体和在空气流体中的刚体间相互作用力的问题，于是可引 入空气动力学理论。在空气动力学理论中，忽略流体系的分子结构，将流体 看作是连续介质，其中没有真空的地方，没有分子间隙和分子运动，这个假 设对空气是成立的，被称作连续性假设或流体介质密度稠度性假设【1 1 ，1 2 j 8 1 。 由于流体的连续性使得我们能够把运动流体的运动学上的各个基本量( 如速 度、压力等) 看作是某些物理量( 如时间、空间坐标) 的连续函数，这样就 可建立在连续函数基础上的数学模型来求解空气动力学问题 1 1 ，1 2 。18 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 在弓网受流过程中，受电弓滑板处于不可压缩流场之中，所以有欧拉运 动方程【1 2 】如下 坐：厂+ 土v 仃 ( 2 4 ) d t 。p 其中，仃为表面张力；f 是单位质量力。 式( 2 - 4 ) 可表示成 里：x 一三丝 ( 2 5 ) d t p 0 x 堡：y 一土丝 ( 2 6 ) 一= ，一 厶u d t pa y d v ! ：z 一! 丝 ( 2 7 ) 二= z 一 l 厶一- ， d t p a z 其中，p 为质量密度；p 是指表面力；五以z 分别为质量力分量；圪，以， 圪分别为速度分量。 欧拉方程的葛罗米柯表达形式为 x ：土鲨+ 竺+ 旦( 蔓) ( 2 8 ) p a xa t 己x2 y=土竽+墨+_a呵v2p e y o t v y j 浯9 ) z z = 去善+ 篓o t + 丢薯， c 2 圳， 0o z o zz 其中，1 ，2 = 1 ，2 + 1 ，；+ 1 ，；。 在有位运动下，速度与位势函数矽的关系及其微分值与顺序无关，因此 葛罗米柯方程可以变形如下 x = 土瓦a p p + 昙( 塑a t ) + 旦a x ( 2 )a x苏、 7 、。 】，= 土p 丝a y + 言( 丝a t ) + 旦a y ( 2 )砂、 7、7 z = 土西a p p + 旦a z ( 塑a t ) + 兰( 蔓2 )a z 、 8 z 、 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 若运动是正压的，则岷= 0 p ) d p 。引入d u = x d x + y d y + z d z ，则式 ( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) ，( 2 - 1 3 ) 可整体变为 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 d u = d ( p o + 丁v 2 + 争 积分后得 u = 异+ 导+ 害“ 其中，c 为常数。 由于所研究的问题是不可压缩定型流动，所以丝a t = o ，则 u ：只+ 姜+ c 以只= 尸p 代入式( 2 - 1 6 ) 得： 若忽略空气的质量力， 变为： ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 为零，则式( 2 - 1 7 ) 尸：三p ，2 + c ( 2 1 8 ) 2 其中，c 为常数。 式( 2 - 1 8 ) 就是著名的不可压缩定型流动的伯努利方程。在速度场确定 下，可以利用该式来求得受电弓滑板的空气气动力。 在有位运动和平面不可压缩定型流动条件下连续条件中有如下形式 粤+ 鸳：0(219)0，- + = ( z 一 舐 砂 式( 2 - 1 9 ) 就是典型的拉普拉斯方程，可以通过拉普拉斯方程来确定绕 流体的速度场。由于受电弓滑板构件的特殊性，故采用复变函数理论的方法 研究受电弓滑板的速度场。 受电弓滑板在绕流计算时按平板绕流体处理，对于双滑板框架结构的滑 板仍计算一个平板的气动力，然后取两个平板气动力之和。在压差阻力计算 中，要考虑平板厚度方向迎风面和宽度方向迎风面及平板与轴间具有冲角【1 1 】。 滑板结构简图及速度分解如图2 3 所示。受电弓滑板在肖，】，坐标系方 向上的总气动力： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 阻力 r 工= 一2 咿k 1 2 ( s i n 3 氏+ s i n 2 比c o s 0 。) + 1 , o 比i z c d ( e c o s 3 眈+ k 甜氏) ) 2 l l ( 2 2 0 ) 抬升力 r y = - 2 r c , o f l v 。1 2 ( s i n 2 眈c o s 0 。+ c o s 2 眈s i n 8 。) + 昙尸l y 。i z c 。( 一艺c 。s ：眈s i n 眈+ t s i n z 眈c 。s 眈) ) 2 l 。2 2 1 ) 其中，c d 为阻力系数；k 为来流速度；p 为空气质量密度；c = 去x 。1 1 1 。 ji y 磷 上 x - ，口7 力 k 二 z 一 + + + 石 ( b ) ( c )( d ) 图2 - 3 滑板结构简图及速度分解 通过在受电弓正下方的动车组机车顶部安装的风向和风速传感器可以测 量得到，。和眈。其中，v 。为列车运行形成的风速吒与自然风风速吃的合速 度，以为比的来流攻角，如图2 3 ( d ) 所示。 近似取滑板长度l 1 = 1 9 5m ，空气质量密度p = 1 2 9 3 e t , ，阻力系数c d 取 o 7 【1 9 2 0 1 ，滑板厚度x =，滑板宽度e = 0 ，来流攻角见在1 0 。左c 0 0 7 5 m0 7 5 m 右波动，来流速度圪在7 0m s 左右波动，用m a t l a b 软件进行仿真【2 1 - 2 4 1 ， 得到如图2 - 4 所示波形。从图形中可以看出空气抬升力在3 5 - - 4 0n 之间波 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 。 一一一i _ _ _ l l _ _ _ _ - _ _ - _ i - _ _ i i l _ _ _ _ _ - _ - l l l - _ - _ - - 动。 图2 4 受电弓滑板的空气抬升力( 7 0m s ) 近似取滑板长度厶= 1 9 5m ，空气质量密度p = 1 2 9 3g l ，阻力系数c d 取 0 7 1 1 9 , 2 0 ，e = 0 0 7 5 m ，滑板宽度e = 0 0 7 5m ，来流攻角8 。在1 0 。左右波动， 来流速度圪在1 0 0m s 左右波动，用m a t l a b 进行仿真得到如图2 - 5 所示波 形。从图形中可以看出空气抬升力在7 9n 之间波动。 图2 - 5 受电弓滑板的空气抬升力( 1 0 0m s ) 由图2 4 和图2 - 5 可以看出，随着来流速度的增加，受电弓滑板的空气 抬升力会不断增大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2132 受电弓支撑力的计算 受电弓的支撑力和受电弓的类型有关，目前使用的受电弓有拉簧式受电 弓和气囊式受电弓，分别如图2 - 6 ( a ) 和图26 ( b ) 所示。 拉簧式受电弓的支撑力与其升弓高度有关，故可以对其不同高度时的支 撑力进行测量，建立升弓高度和支撑力的数据库。在实际运行时，可以在受 电弓拉杆轴处安装滚动陀螺或侧角计测量转动的角度0 ，角度0 与升弓高度是 对应的，进而建立角度0 与支撑力的关系数据库。由于高速动车组不采用拉 簧式受电弓，所以在此不做深入研究。 气囊式受电弓通过气囊充气拉动与其相连的弹簧绳使其升弓并产生支撑 力。对于气囊式受电弓，实际运行过程中般通过精密调压阀将其支撑力调 节到1 2 0 n 左右。 e ( a ) 拉簧式受电弓( b ) 气囊式受电弓 图26 受电弓 2133 受电弓滑板的自身重力 受电弓滑板的自身重力为滑板的质量m 与重力加速度g 的乘积。 21 34 受电弓滑板的惯性力 受电弓滑板的惯性力兄为滑板的质量m 与滑板垂直加速度a 的乘积。滑 板的垂直加速度可以由安装在受电弓滑板支架处的n 个加速度传感器来求 得。具体计算方法如下 尸h = m q ( f = 1 , 2 ，3 ) ( 2 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 2 弓网接触压力的检测 在高速铁路中，与列车速度直接相关的一个重要参数是受流质量。受电 弓与接触线之间的可靠接触和相互作用，是保证电力机车良好受流的重要条 件，即受电弓与接触线之间要有一定的接触压力。当接触压力过大时，会增 加受电弓和接触线的异常磨损，缩短其使用寿命；接触压力过小时，会使它 们之间接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花或电弧，以致烧损接触线【2 】。 因此，为发展我国的高速铁路接触网技术，经常检测受电弓和接触线间的接 触压力是十分必要的。 2 2 1 接触压力的检测方法 由式( 2 - 3 ) 、式( 2 2 1 ) 、式( 2 2 2 ) 可得 p = m 【( 口，) 一g 】+ 只t + 一2 咿h 1 2 ( s i n 2 比c o s 8 。- i - c o s 2 眈s i n 8 。, ) n = l + 去p i v 。| 2 c d ( - l c o s 2 眈s i n 8 , + t s i n 2 以c o s 8 。) - 2 l lo = 1 ,