高速电气化铁路弓网系统动力学研究

电力机车通过受电弓与接触线的滑动接触取得电流并传给电力机车。在这一动态受流过程中受电弓与接触网在电气与机械上相互制约、相互依赖和相互作用, 因而受流质量会受到很多因素的制约, 在受流过程中, 只要接触网和受电弓其中之一出现问题, 都会破坏正常的受。.本研究课题旨在建立非线性化的受电弓模型和接触网的有限元模型、以及它们的耦合系统动力学模型，分析弓网系统的动态曲线通过性能， 研究弓网系统受侧向风力的气动力特性基础上，利用流体力学有关软件进行数值计算，得到不同侧风风速和受电弓运行速度下作用于弓网系统的侧风载荷值；利用所建立的高速弓网系统的动力学模型，将得到的风载荷值作为外加载荷作用于弓网系统，研究此时的受流特性，进行受流特性分析和参数优化，并参照高速列车运行安全性有关限定标准，提出不同侧风风速下高速弓网系统的最高安全运行速度，为特殊风环境下我国时速250km/h及以上动车组安全运行提供理论依据。

截止2015年年底，我国高速铁路里程接近2万公里，弓网系统在铁路运输安全生产中的作用越来越突出。电气化铁路要实现高速，就必须解决接触网与受电弓的相互匹配及对速度的适应问题，探明弓网系统动力学问题对受电弓/接触网系统动态性能所产生的影响。而影响空弓网系统间动力的因素有很多，如：受电弓结构、运行速度、风速大小和方向以及电力机车顶部的形状等等。. 本课题利用拉氏定理，建立受电弓框架和弓头的的非线性运动微分方程，在平衡位置利用泰勒级数进行线性化处理，得到受电弓的二质量块线性方程。并且建立了非线性化的接触网的有限元模型、以及它们的耦合系统动力学模型（风载荷值作为外加载荷作用于弓网系统），采用Newmark法来求解弓网耦合系统的数学模型，分析弓网系统的动态曲线通过性能，研究此时的受流特性，进行受流特性分析和参数优化，同时探讨了采用主动控制来提高受电弓动态特性的可能性，以实现好的弓网受流。参照高速列车运行安全性有关限定标准，提出不同风速下高速弓网系统的最高安全运行速度。.取得的研究成果：. 1.建立了弓网之间通过接触弹簧进行耦合的接触网和受电弓动力学平衡方程；确立了弓网动力学方程的建立方法（风载荷值作为外加载荷作用于弓网系统，确保弓网耦合性能的分析精度。. 2.从理论上证明了Newmark法无条件稳定的充要条件，给出了无条件稳定的参数范围；讨论了结构动力学逐步积分算法稳定性，提出一种改进的带有预测—矫正环节的Newmark法，并利用算例分析了不同参数下的数值解与精确解之间的误差，为Newmark参数选择提供了有益的参考。. 3.将基于神经网络改进后的NARMA-L2模型应用到弓网振动控制系统中，实现了好的受流。