孫云嵩 郭瑾玉 歷洋

摘要：為改善高速動(dòng)車組用受電弓弓網(wǎng)受流質(zhì)量，提出并設(shè)計(jì)了一種基于弓網(wǎng)接觸力優(yōu)化的主動(dòng)控制式氣囊受電弓，該受電弓通過(guò)在線調(diào)節(jié)氣囊氣壓，提高了弓網(wǎng)受流穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：受電弓;氣囊;弓網(wǎng)接觸力;主動(dòng)控制

0? ? 引言

受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的受流性能是高速動(dòng)車組的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著速度的提高，弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)加劇，僅從弓網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方面考慮提高受流質(zhì)量效果不明顯，因此，高速受電弓的主動(dòng)控制是解決和改善高速弓網(wǎng)受流問(wèn)題的重要方法[1]。

1? ? 弓網(wǎng)接觸力的調(diào)整

1.1? ? 弓網(wǎng)接觸力

列車運(yùn)行速度對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能有直接作用，隨著速度的提高，弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)幅度明顯增加，接觸力的最小值降低，受電弓的離線率增大，火花率也隨之增加[2-3]。

接觸力的值隨受電弓和接觸網(wǎng)的系統(tǒng)組合變化而變化。當(dāng)接觸力的值被用于定義受流時(shí)，平均接觸力、接觸力的標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大接觸力、最小接觸力是受流質(zhì)量的準(zhǔn)則。具體如下[4]：

高速動(dòng)車組的弓網(wǎng)接觸力主要包含三部分[5-9]：（1）受電弓靜態(tài)接觸力（與氣囊充氣后產(chǎn)生的升弓力矩有關(guān)）;（2）空氣抬升力（與運(yùn)行速度、受電弓開(kāi)閉口等有關(guān)）;（3）弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)力（與受電弓結(jié)構(gòu)及弓網(wǎng)耦合有關(guān)）。

1.2? ? 氣囊式受電弓的弓網(wǎng)接觸力調(diào)整

由式（6）可知，在一定速度下，靜態(tài)接觸力Fj與空氣動(dòng)力Fk不變，弓網(wǎng)接觸力的變化主要是由弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)力P引起的。當(dāng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)力P引起弓網(wǎng)接觸力F為0或者負(fù)值時(shí)，受電弓極易離線并產(chǎn)生火花，降低受流質(zhì)量，甚至造成受流質(zhì)量不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為了提高受流質(zhì)量，保證弓網(wǎng)接觸力穩(wěn)定，避免受電弓離線，需要對(duì)過(guò)低的弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行補(bǔ)償。而空氣動(dòng)力Fk為不可控因素，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)力P由受電弓結(jié)構(gòu)與弓網(wǎng)耦合情況決定，對(duì)于既定結(jié)構(gòu)受電弓，該值也不可調(diào)整。因此，可對(duì)靜態(tài)接觸力Fj進(jìn)行補(bǔ)償，以提高弓網(wǎng)接觸力穩(wěn)定性，進(jìn)而提高受流質(zhì)量，即：

2? ? 主動(dòng)控制式受電弓設(shè)計(jì)

2.1? ? 基于弓網(wǎng)接觸力優(yōu)化的主動(dòng)控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)接觸力的優(yōu)化，即對(duì)低于設(shè)定值的實(shí)際弓網(wǎng)接觸力進(jìn)行補(bǔ)償，需對(duì)受電弓的氣囊氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。結(jié)合高速受電弓運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各速度等級(jí)下的弓網(wǎng)接觸力目標(biāo)值如圖1所示。

為將實(shí)際接觸力調(diào)整為目標(biāo)值，需對(duì)氣囊壓力進(jìn)行調(diào)整。氣囊壓力調(diào)整采用閉環(huán)控制，控制原理如圖2所示。根據(jù)壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的氣路壓力值與目標(biāo)壓力值進(jìn)行比對(duì)，控制系統(tǒng)對(duì)充氣閥與放氣閥進(jìn)行動(dòng)作控制，如果需要補(bǔ)氣，則充氣閥開(kāi)啟，氣路從總風(fēng)缸補(bǔ)氣提高壓力;如果需要排氣，則放氣閥開(kāi)啟，將多余的氣排出。當(dāng)氣囊壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，受電弓的總體弓網(wǎng)接觸力也達(dá)到了目標(biāo)接觸力。

由于受電弓的空氣抬升力與弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)力均與列車的運(yùn)行速度、受電弓開(kāi)閉口運(yùn)行方向、受電弓安裝在列車的車廂位置、列車車型、列車編組等有直接聯(lián)系，因此，在接觸力目標(biāo)值相同的條件下，以上條件發(fā)生改變時(shí)，氣囊的調(diào)整值并不相同。為了滿足受電弓調(diào)試與正常運(yùn)行兩種情況，設(shè)定氣囊的調(diào)整值的獲得方法有兩種：一種是通過(guò)連接調(diào)試計(jì)算機(jī)，隨著車輛運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整;另一種是通過(guò)線路試驗(yàn)測(cè)量后，進(jìn)一步優(yōu)化匹配，形成與速度、受電弓、列車等信息相關(guān)的數(shù)據(jù)并存入系統(tǒng)，使用時(shí)可以直接調(diào)用。因此，基于弓網(wǎng)接觸力優(yōu)化的主動(dòng)控制系統(tǒng)總體功能如圖3所示。

（1）調(diào)試。在受電弓試驗(yàn)及與車輛聯(lián)調(diào)時(shí)連接調(diào)試計(jì)算機(jī)，以對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫及系統(tǒng)維護(hù)，正常運(yùn)營(yíng)時(shí)無(wú)須連接調(diào)試計(jì)算機(jī)。（2）車輛通信?；诠W(wǎng)接觸力優(yōu)化的控制系統(tǒng)與車輛間采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信。根據(jù)從車輛MVB通信中得到的動(dòng)作命令判斷受電弓是否升弓，運(yùn)行速度、受電弓與列車編組信息用于控制系統(tǒng)選取的氣囊壓力調(diào)整值（正常運(yùn)行情況）。控制單元需將控制系統(tǒng)的故障信息及版本信息等反饋給車輛，以便車輛發(fā)現(xiàn)受電弓故障并記錄相關(guān)信息。（3）氣壓控制?；诠W(wǎng)接觸力優(yōu)化的控制系統(tǒng)對(duì)氣路單元的控制通過(guò)模擬信號(hào)進(jìn)行控制。通過(guò)分析氣路單元中升弓電磁閥、壓力傳感器、壓力開(kāi)關(guān)、高頻電控閥、增壓模塊、減壓模塊及快排電磁閥的信息，對(duì)增壓模塊、減壓模塊及快排電磁閥進(jìn)行動(dòng)作控制，以達(dá)到調(diào)整氣囊壓力的目的。

2.2? ? 主動(dòng)控制式受電弓

結(jié)合以上控制系統(tǒng)，主動(dòng)控制式受電弓的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。受電弓為氣囊式受電弓，基本結(jié)構(gòu)為四桿機(jī)構(gòu)，安裝于車頂。受電弓的氣路氣壓調(diào)整單元與控制單元置于車內(nèi)：受電弓控制單元可以與列車實(shí)現(xiàn)通信并控制氣壓調(diào)整，氣路氣壓調(diào)整采用閥組集成來(lái)實(shí)現(xiàn)，與受電弓控制單元結(jié)構(gòu)合并安裝，成為主動(dòng)控制單元。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

為了提高高速動(dòng)車組受電弓的弓網(wǎng)受流質(zhì)量，對(duì)受電弓弓網(wǎng)接觸力及主動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一種基于弓網(wǎng)接觸力優(yōu)化的氣囊式主動(dòng)控制受電弓，該受電弓可以調(diào)整氣囊氣壓，進(jìn)而改變弓網(wǎng)接觸力，使高速動(dòng)車組用的受電弓接觸力滿足設(shè)定的目標(biāo)值，從而提高受電弓的受流穩(wěn)定性。

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收稿日期：2020-12-28

作者簡(jiǎn)介：孫云嵩（1987—），女，山東萊州人，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：機(jī)械工程。