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专利名称：弓网模拟试验方法及其专用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对电力机车受电弓与供电接触网耦合运行状态下的动态性能进行试验的弓网模拟试验方法及其专用装置。
背景技术：
电力机车受电弓是机车的关键部件，是电网向电力机车输送电能的唯一途径。受电弓动态性能的好坏对电力机车的安全运行有很重要的影响。从弓网设计研究和产品性能测定的角度，对受电弓运行时弓网振动进行模拟和测定是十分必要的。受电弓动态性能，主要表现在受电弓与接触网动态耦合运行状态下的受流品质上，通常以受电弓与接触网动态耦合状态下的弓网接触压力和接触点的垂向位移来评价受流品质。
现有的受电弓特性试验方法及装置大多没有考虑接触网的作用，仅单独针对受电弓进行试验，并且只能测定受电弓静态的和一些基本功能方面的参数，如中国专利号00200843.2提出的受电弓测试仪，测试受电弓升、降弓时的静态接触压力与升、降弓高度的变化关系以及升、降高度与升降时间的关系。再如中国专利号01107378.0提出的电力机车车顶状态综合自动检测装置，该装置是用在电力机车区段运行后入库时对受电弓及车顶状态进行检测的，针对受电弓主要是作升降压力、时间、滑板磨耗等静态指标检测。它们均未涉及弓、网耦合后的受电弓运行动态性能试验，故无法对耦合运行状态下的受电弓的受流品质进行评价。
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试验装置涉及的对象是机车、受电弓和接触网三个部分，是一个很大的振动系统，其中接触网又是一个链型长悬索系统，很难全部用硬件(实物)来模拟。

发明内容
本发明的目的就是提供一种弓网模拟试验方法，该种试验方法能够测定在不同速度和不同接触网工况时，受电弓与接触网动态耦合状态下的弓网接触压力和接触点的垂向位移动态变化规律，从而能正确评价出受电弓的受流品质。
本发明的另一目的是提供用于上述弓网模拟试验方法的专用装置。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为一种弓网模拟试验方法，是在同时模拟车体振动和接触网动态行为的情况下，对受电弓的弓网接触压力、受电弓和接触线位移动态变化规律进行测试，其中车体振动的模拟方法由计算机中预存的机车振动模型信号控制液压伺服车振激振器，使其激振时按模型信号的规律进行振动，并将该振动传递至受电弓的底座，以模拟受电弓在机车实际运行时受到的机车车体振动作用；接触网动态行为的模拟方法初始时，由液压伺服网动激振器向受电弓施加一初始静态压力，使其产生初始垂向位移，然后通过力传感器测量受电弓弓头的接触压力，并将测得的压力信号作为受电弓运行时接触线受到的抬升力信号，送入计算机，由计算机根据预存的接触网数学模型，计算出接触线接触点的垂向振动位移，将该垂向振动位移作为控制信号输出，以控制液压伺服网动激振器的振动，再将该振动传递给受电弓的弓头，使受电弓产生垂向位移变化，以模拟出弓网耦合的垂向振动状态，形成一个模拟循环过程；随后，垂向位移变化后受电弓弓头的接触压力又相应变化，新的压力再次通过力传感器检测到，重复上述模拟循环过程；周而复始，不断模拟出机车行驶时的弓网动态行为；在每一个模拟循环过程中，计算机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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是一是通过计算机进行数学建模正确模拟车体振动情况，二是通过计算机循环采集电弓与接触网的接触压力信号，再由接触网的数学模型进行实时处理，并输出激振控制信号，使受电弓上部受到模拟的接触网的压力，不断循环，使测试时的弓网耦合状态与机车实际运行时的机车耦合状态一致或接近。这样使本发明在车体振动与弓网耦合状态均与机车实际运行状态一致或接近的情况下，测出的受电弓接触压力和接触点的垂向位移动态变化规律，从而能正确反映出受电弓的受流品质。
上述计算机采集力传感器信号并进行处理和输出控制信号的时间之和，小于每一个模拟循环过程的时间。
这样可保证计算机处理与控制时间小于机车实际行动时，弓网动态变化一个循环过程的时间，使计算机能够对受电弓的弓网耦合状态进行实时模拟，与机车实际运行过程相符。
实现上述本发明弓网模拟试验方法的专用装置，含有试验台架，车体振动和接触网动态行为的模拟系统，其结构特点为车体振动和接触网动态行为的模拟系统的组成为a、模拟机车振动的液压伺服车振激振器，该车振激振器的伺服阀经液压伺网动控制器受计算机控制；b、模拟接触网动态行为的液压伺服网动激振器，该网动激振器的伺服阀经液压伺服网动控制器也受计算机控制；c、车振激振器的底座固定在试验台架的底部平台上，车振激振器的油缸活塞杆端部与受电弓的底座相连；网动激振器通过其底座倒悬固定在试验台架上部的横梁下面，网动激振器的油缸活塞杆端部经过力传器与受电弓的弓头相连，同时该力传感器与计算机电连接。
采用上述装置可方便地实现本发明的试验方法，其工作过程是1、车体振动的模拟由计算机通过液压伺服车振控制器控制车振激振器，产生出模拟机车实际运行状态的车体振动，由于车振激振器的油缸活塞杆端部与受电弓的底座直接相连，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、接触网动态行为的模拟初始时，计算机控制倒悬固定于试验台架的横梁下的网动激振器，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，力传感器测出受电弓弓头处的压力，并传送给计算机，由计算机根据其预存的接触网数学模型进行处理后输出控制信号，经过液压伺服控制器控制激振器激振，激振器的振动使受电弓产生垂向位移变化，形成一个循环过程；然后，产生垂向位移变化后的受电弓压力变化，力传感器再次检测到其压力，重复一个新的循环过程，不断循环，则使受电弓受到的压力及产生位移变化的情况与机车实际运行时的弓网耦合状态一致或接近。
上述该力传感器与计算机电连接的具体方式为力传器的输出信号经信号放大器放大后，再由模/数转换器转换成数字信号后送入计算机处理。这样处于受压振动状态的力传感器内部不带放大器与模/数转换器等电路器件，使其工作更可靠，寿命更长。


下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例的电气原理及机械结构示意图(未包括试验台架部分)。
图2是本发明实施例的机械结构示意图(与图1的机械部分为侧视关系并加上了试验台架)。
具体实施例方式
图1、2示出，本发明的一种具体实施方式
为一种弓网模拟试验方法，是在同时模拟车体振动和接触网动态行为的情况下，对受电弓9的弓网接触压力、受电弓9和接触线位移动态变化规律进行测试，其中车体振动的模拟方法由计算机PC中预存的机车振动模型信号控制液压伺服车振激振器2，使其激振时按模型信号的规律进行振动，并将该振动传递至受电弓9的底座9b，以模拟受电弓9在机车实际运行时受到的机车车体振动作用。
接触网动态行为的模拟方法初始时，由液压伺服网动激振器3向受电弓9施加一初始静态压力，使其产生初始垂向位移，然后通过力传感器6测量受电弓9弓头9a的接触压力，并将测得的压力信号作为受电弓9运行时接触线受到的抬升力信号，送入计算机PC，由计算机PC根据预存的接触网数学模型，计算出接触线的接触点的垂向振动位移，将该垂向振动位移作为控制信号输出，以控制液压伺服网动激振器3的振动，再将该振动传递给受电弓9的弓头9a，使受电弓9产生垂向位移变化，以模拟出弓网耦合的垂向振动状态，形成一个模拟循环过程；随后，垂向位移变化后的受电弓9弓头9a的接触压力又相应变化，新的压力再次通过力传感器6检测到，重复上述模拟循环过程；周而复始，不断模拟出机车行驶时的弓网动态行为；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。
计算机PC采集力传感器6信号并进行处理和输出控制信号的时间之和，小于模拟循环过程的时间。
本例的接触网数学模型采用Fourier展开和模态技术构建，每一个循环过程的时间设定为2ms。这样可保证计算机采集、处理与控制的实时化，同时保证液压激振系统的正常工作和计算机处理的稳定性。根据受电弓9及计算机性能的不同，该循环过程的时间相应变化。
用于实施上述弓网模拟试验方法的专用装置，含有试验台架1，车体振动和接触网动态行为的模拟系统，其特征在于所述的车体振动和接触网动态行为的模拟系统的组成为a、模拟机车振动的液压伺服车振激振器2，该车振激振器2的伺服阀2a经液压伺服控制器2b受计算机PC控制；b、模拟接触网动态行为的液压伺服网动激振器3，该网动激振器3的伺服阀3a经液压伺服控制器3b受计算机PC控制；c、车振激振器2的底座固定在试验台架1的底部平台1a上，车振激振器2的油缸活塞杆2c端部与受电弓9的底座9b相连；网动激振器3通过其底座倒悬固定在试验台架1上部的横梁1b下面，网动激振器3的油缸活塞杆3c端部经过力传器6与受电弓9的弓头9a相连，同时该力传感器6与计算机PC电连接。
本发明的试验台架1的横梁1b安装于底部平台1a两侧的两根立柱1c上。横梁1b的高度可根据需要进行调整。
本例中的力传感器6与计算机PC电连接的具体方式为力传器6的输出信号经信号放大器7放大后，再由模/数转换器8转换成数字信号后送入计算机PC处理。
本发明计算机中预存的模拟机车车体振动的模型，可以采用现有铁路机车车辆动力学软件例如SIMPACK、MEDYNA、ADAMA/rail将实测的车辆运行线路的实际振动数据由计算机处理建成。
而模拟接触网的动态行为则要比模拟机车振动复杂得多。这是因为受电弓9在接触网下运行时，受电弓9的弓头9a与接触网的接触线动态接触，相互作用(接触压力)导致接触网和受电弓9一起作一种复杂的耦合振动。这种复杂的耦合振动的动态行为与机车运行速度、接触力的大小、接触点的位置、接触线(悬索)的跨度、弛度、张力、密度以及接触线的表面不平顺度等诸多因素有关。故要用实物模拟这种复杂的耦合振动的动态行为是非常困难的。
因此，本发明采用数学方式建立接触网动态行为数学模型，用来代替实物，并将其储存到计算机PC中。在接触网的数学模型中，影响弓网动态行为的诸多参数如接触网的跨度、弛度、张力、密度等可根据实际状况设定，其余的主要变量为机车运行速度、接触力的大小、接触点的位置等，当机车运行速度一定时，接触点沿接触线纵向的位置是速度和时间的函数，接触力的大小可以用力传感器测得，据此通过计算机PC中的数学模型进行积分运算可得出接触线的垂向振动位移。
在接触网的动态行为模拟前，根据受电弓9的静态接触压力额定值，通过受电弓9上面的液压伺服网动激振器3的活塞杆3c预先对受电弓9的弓头9a施加一初始静态接触压力。在模拟受电弓9随机车运行状态时，弓、网振动导致接触压力变化，接触压力的大小由活塞杆3c与弓头9a间的力传感器6测量得到，将其作为受电弓9运动时接触线所受到的抬升力输入到计算机PC中，作用到计算机PC中接触网数学模型上，使接触网数学模型产生振动。使用实时积分方法，根据接触压力和接触点纵向位置，计算得到接触线的运动(位移)，计算机PC再将该垂向位移信号经网动液压伺服控制器3b及网动激振器3的伺服阀3a使网动激振器3的油缸活塞杆3c按该垂向位移信号产生垂向位移，把接触线的运动再现出来。网动激振器3的油缸活塞杆3c的运动通过力传感器6作用到受电弓9的弓头9a上，迫使受电弓9运动，并导致接触压力的进一步变化。变化后的接触压力实时被力传感器6检测到，并再次输入到计算机PC中，当作接触网数学模型新的输入信号，再由该模型进行积分运算后得到新的接触线运动位移，新的运动位移再作用到弓头9a上导致接触压力产生新的改变，如此反复不断，一步步循环下去。在每一个循环中，接触压力和接触点位移信号被采集、储存和处理，最后通过输出设备输出，得到接触压力和接触点的垂向位移动态变化曲线。从而能准确测出受电弓9的动态性能，也即其受流品质。
本发明实施例采用的液压伺服激振系统(激振器、伺服阀、控制器)是SCHENK公司生产的，伺服控制器2b、3b的型号是S59，液压激振系统工作的压力是28Mpa，而且伺服阀2a、3a的流量为2501/分。液压伺服激振器2、3的油缸活塞具有优良的动态特性，活塞杆2c、3c的最大工作范围是±50mm，频率可达到50Hz，因此，它完全满足模拟机车和接触网振动的需求；力传感器6的量程是500N。
当然，本发明在实施时，完全可以采用其它公司生产的液压激振系统及有关零部件，只要能满足模拟机车和接触网振动的要求即可。
权利要求
1.一种弓网模拟试验方法，是在同时模拟车体振动和接触网动态行为的情况下，对受电弓(9)的弓网接触压力、受电弓(9)和接触线位移动态变化规律进行测试，其中a、车体振动的模拟方法由计算机(PC)中预存的机车振动模型信号控制液压伺服车振激振器(2)，使其激振时按模型信号的规律进行振动，并将该振动传递至受电弓(9)的底座(9b)，以模拟受电弓(9)在机车实际运行时受到的机车车体振动作用；b、接触网动态行为的模拟方法初始时，由液压伺服网动激振器向受电弓施加一初始静态压力，使其产生初始垂向位移，然后通过力传感器(6)测量受电弓(9)弓头(9a)的接触压力，并将测得的压力信号作为受电弓(9)运行时接触线受到的抬升力信号，送入计算机(PC)，由计算机(PC)根据预存的接触网数学模型，计算出接触线接触点的垂向振动位移，将该垂向振动位移作为控制信号输出，以控制液压伺服网动激振器(3)的振动，再将该振动传递给受电弓(9)的弓头(9a)，使受电弓产生垂向位移变化，以模拟出弓网耦合的垂向振动状态，形成一个模拟循环过程；随后，垂向位移变化后的受电弓(9)弓头(9a)的接触压力又相应变化，新的压力再次通过力传感器(6)检测到，重复上述模拟循环过程；周而复始，不断模拟出机车行驶时的弓网动态行为；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。
2.根据权利要求1所述的一种弓网模拟试验方法，其特征在于所述的计算机(PC)采集力传感器(6)信号并进行处理和输出控制信号的时间之和，小于每一个模拟循环过程的时间。
3.一种用于权利要求1所述的弓网模拟试验方法的专用装置，含有试验台架(1)，车体振动和接触网动态行为的模拟系统，其特征在于所述的车体振动和接触网动态行为的模拟系统的组成为a、模拟机车振动的液压伺服车振激振器(2)，该车振激振器(2)的伺服阀(2a)经液压伺控制器(2b)受计算机(PC)控制；b、模拟接触网动态行为的液压伺服网动激振器(3)，该网动激振器(3)的伺服阀(3a)经液压伺服控制器(3b)受计算机(PC)控制；c、车振激振器(2)的底座固定在试验台架(1)的底部平台(1a)上，车振激振器(2)的油缸活塞杆(2c)端部与受电弓(9)的底座(9b)相连；网动激振器(3)通过其底座倒悬固定在试验台架(1)上部的横梁(1b)下面，网动激振器(3)的油缸活塞杆(3c)端部经过力传感器(6)与受电弓(9)的弓头(9a)相连，同时该力传感器(6)与计算机(PC)电连接。
4.根据权利要求3所述的弓网模拟试验方法的专用装置，其特征在于，所述该力传感器(6)与计算机(PC)电连接的具体方式为力传器(6)的输出信号经信号放大器(7)放大后，再由模/数转换器(8)转换成数字信号后送入计算机(PC)处理。
全文摘要
本发明公开了一种弓网模拟试验方法及其专用装置，它是在同时模拟车体振动和接触网动态行为的情况下，对受电弓(9)的弓网接触压力、受电弓(9)和接触线位移动态变化规律进行测试。该种试验方法能够测定在不同速度和不同接触网工况时，受电弓与接触网动态耦合状态下的弓网接触压力和接触点的垂向位移动态变化规律，从而能正确评价出受电弓的受流品质。
文档编号G01M17/08GK1776393SQ200410081248
公开日2006年5月24日 申请日期2004年11月16日 优先权日2004年11月16日
发明者张卫华, 吴学杰, 梅桂明, 陈良麒, 马启文 申请人:西南交通大学