20644

20644

مدل سازي و كنترل نوسانات نيروي تماسي پانتوگراف و سيستم بالاسري قطارهاي سريع سير

دكتري

مهندسي راه آهن

1391

1398/2/11

دكتر محمد علي رضواني - دكتر جبيب اله ملاطفي

دكتر بيژن معاوني - دكتر سيد سعيد فاضل

راه آهن

اندركنش سيستم بالاسري و پانتوگراف در ناوگان‌هاي سريع سير يكي از مهم‌ترين عوامل محدودكننده¬ سرعت سير هستند. حتي در سرعت¬هاي بهره‌برداري كم، كيفيت نامناسب تماس نه‌تنها هزينه‌هاي نگهداري و تعميرات پانتوگراف را افزايش مي‌دهد، بلكه به زيرساخت نيز آسيب جدي وارد مي‌سازد. به‌منظور جلوگيري از انقطاع تماس پانتوگراف و سيستم بالاسري و جرقه زدن و سايش الكتريكي بايد نيروي تماسي را افزايش داد و در كنار آن به‌منظور پرهيز از نرخ سايش مكانيكي بالا بايد نيروي تماسي را كاهش داد؛ بنابراين براي نيروي تماسي يك مقدار مطلوب وجود دارد. در اين ميان با مطالعه ديناميك پانتوگراف و انتخاب مقادير مناسب سختي و ميرايي براي سيستم تعليق پانتوگراف و سيستم بالاسري، مي‌بايست نوسانات نيروي تماسي را كاهش داد و اندازه آن را حول مقدار بهينه، نگاه داشت. در اين رساله با بررسي مدل‌هاي اجزا محدود موجود، براي نخستين بار يك مدل تحليلي غيرخطي (متغير با زمان) براي اندركنش پانتوگراف و سامانه بالاسري ارائه شده است. مدل تحليلي دقت بالاتري نسبت به مدل عددي براي يافتن شرايط اوليه دارد. ميانگين خطاي تعادل نيروهاي ايستايي در مدل‌هاي عددي موجود 7/5 درصد گزارش شده، درحاليكه در اين حل تحليلي 057/0 درصد به دست آمده است. همچنين مي‌توان در هرلحظه اين مدل را خطي سازي كرده و براي آن كنترلر بهينه خطي در فضاي حالت طراحي نمود. با تكيه بر اين مدل ابتدا ماهيت رفتار موج در تير ساده و سامانه بالاسري بررسي‌ و سپس سرعت انتشار موج و سرعت بحراني حركت بار متحرك مقايسه شد. در ادامه به‌منظور افزايش دقت نتايج، ميرايي موجود در كابل‌هاي سامانه بالاسري به كمك يك روش ابتكاري تخمين زده و مدل به‌روزرساني شد. آويزها به صورت يك فنر مدل شده‌اند به طوري كه سختي آن‌ها در كشش و فشار يكسان نيست و رفتار غيرخطي دارند. در اين مطالعه با شكستن بازه‌هاي زماني حل به كمانش و بازكشش اين رفتار غيرخطي در نظر گرفته شده است. مدل مرجع معرفي‌شده در استاندارد EN 50318 در اين حل قرار داده‌شده و بر اساس دستورالعمل ذكرشده در اين استاندارد، كد به‌دست‌آمده در اين رساله اعتبارسنجي شده است. علاوه بر آن نتايج به‌دست‌آمده از شبيه‌سازي اين مدل به كمك داده‌برداري ميداني از جرقه‌هاي خط راه‌آهن برقي تبريز-جلفا صحت‌سنجي شده است. به كار بردن نيروي كنترلي مغناطيسي در مجاورت نقطه تماس مهم‌ترين نوآوري در اين مطالعه مي‌باشد كه حساسيت آن به اغتشاشات ناشي از وزش باد و اغتشاشات نيروي كنترلي بررسي شده است. در ادامه نيروي كنترلي با دو راهبرد كنترلي متفاوت، به سه‌نقطه از سيستم اعمال شده و براي اين شش حالت، كنترلر بهينه طراحي و نتايج مقايسه شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه كنترلري كه روي تيغه پانتوگراف قرار مي‌گيرد، مي‌تواند مقدار نوسانات نيروي تماسي را 82 درصد و سرعت عمودي نقطه تعويض (كه بيانگر شدت برخورد هنگام تعويض سيم تماسي است) را به مقدار 77 درصد كاهش دهد. اما براي رسيدن به اين امر، مقدار متوسط نيروي تماسي كاهش داده شده است. كنترلر مغناطيسي با هدف كاهش نوسانات نقطه تعويض، عملكرد بهتري داشته، چرا كه بدون كاهش در مقدار متوسط نيروي تماسي، نوسانات نيروي تماسي را 71 درصد و سرعت نقطه تعويض را 94 درصد كاهش داده است.

1398/03/26

Dynamic analysis and active control of high-speed train OCS and pantograph contact force oscillations

4/30/2020 12:00:00 AM

Abstract Dynamic interaction of the overhead catenary system and pantographs is one of the most critical barriers of increasing speed in highspeed trains. Also, conventional trains are affected by inappropriate contact quality because the problem in contact quality leads to not only increase maintenance cost but also damage in catenary as the infrastructure. In order to avoid either sparking or contact loss, the uplift force should be high enough and form the other hand, less mechanical wear can be achieved via low uplift force. Therefore, there is an optimum level for the uplift force. By studying the dynamic characteristics of pantograph and catenary, the optimum values of stiffness and damping of pantographs components can be calculated in order to reduce oscillation of contact force and to keep it around the optimal value. In this study, after reviewing the current available finite element/volume model, a novel nonlinear (time-varying) analytical model has been developed for the interaction of pantograph and catenary. This model has a good precision for calculating the static form of the catenary (by considering the weight of components and dead loads of droppers). Furthermore, the analytical model of the contact wire can simulate wave propagation and reflection. The model is able to linearize the system at any moment and design optimal state space controller. By lying to the mentioned model, the behavior of propagated wave in simple beam and complete catenary has been studied, and critical speed and wave speed have been compared. In order to improve the accuracy of results, the self-damping of messenger cable has been measured in the laboratory by a novel approach, and the model has been updated. The droppers cannot bear any compression load and they have non-linear behavior. In this study, the nonlinear behavior of droppers has been described by breaking running time to time steps between slacking time and re-tensioning time. The reference model of EN 50318 has been considered, and according to the instruction of this standard, the model has been validated. Furthermore, the simulation result of developed software has been compared with measured arcs of Tabriz-Jolfa and appropriate compatibility has been observed. The magnetic control force near the contact point is the main innovation of this study in controllers. The sensitivity of the designed controller has been analyzed via noise in controller current and environmental noise on contact wire (like wind-induced vibration). The controller has been applied to the contact wire with two different control strategy, minimizing contact force oscillation and minimizing vertical velocity of overlap point. Beside the magnetic controller, the overlap controller and pantograph controller has been considered and compared (therefore, 6 cases has been considered). The results show that the magnetic controller has the highest performanc and it can make significant enhance in contact qulity without changing the initial uplift force.