一種受電弓動態特性試驗臺的研制

何澤夏，徐志祥，萬振華，劉東杰

(大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024)

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一種受電弓動態特性試驗臺的研制

何澤夏，徐志祥，萬振華，劉東杰

(大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024)

傳統的受電弓動態特性試驗系統工作頻率不高，振動頻率往往低于20 Hz。為了在更寬的頻率范圍內進行受電弓的動態特性試驗，搭建了受電弓振動試驗臺，利用電液式激振方法模擬正弦振動環境。首先闡述了試驗臺的總體方案、組成以及工作原理，并設計了雙閉環控制結構，最后為了測試系統的性能，進行了一系列的正弦定頻、掃頻試驗。現場測試結果表明系統激振頻率最高可達25 Hz，振幅可達8 mm，可以精確模擬弓網高頻振動，對受電弓疲勞壽命及性能進行準確評估，為受電弓動態特性和結構參數優化研究提供了試驗依據。

受電弓 動態特性試驗臺 電液激振器 正弦振動

0 引言

近年來，我國鐵路電氣化建設迅速，高速電力機車具有速度快、功率大、低碳環保等優點，已經成為目前鐵路線路建設的首選。受電弓是電力機車上的重要部件，它安裝在機車車頂，從接觸線上集取電流，為電力機車的運行提供電能。高速電力機車穩定運行的必要條件是受電弓具有良好的動態特性[1]。因此，對受電弓的動態特性進行研究具有重要價值。

弓網動態仿真是研究受電弓動態特性的重要技術。通過弓網動態仿真可以模擬弓網振動以及外部激振對弓網的影響，為優化受電弓結構參數提供有力手段。現有的弓網動態仿真手段室內振動試驗仿真，它是指接觸網動態參數通過計算機仿真，受電弓動態參數通過測試實際受電弓得到，兩者通過伺服器連接起來，采集激振器位移和激振器與受電弓的接觸力模擬接觸網抬升和弓網接觸力[2-3]。

基于室內振動試驗仿真，并針對以往受電弓振動試驗系統工作頻率不高，振動測試頻率范圍較窄的特點，本文搭建了新型受電弓動態特性試驗臺,受電弓可以在0.5 Hz～25 Hz的頻率范圍內的進行正弦定頻、掃頻振動試驗，為受電弓傳遞函數的測算提供試驗數據。同時還可以測量接觸線抬升、弓網接觸力等弓網動態性能參數。

1 受電弓動態特性試驗臺總體方案

受電弓動態特性試驗臺的基本原理是由高頻響的比例伺服閥控制伺服油缸產生所需的運動形式，同時受電弓通過弓形連接器與伺服油缸活塞桿連接，跟隨伺服油缸一起運動。其中，弓型連接器與伺服油缸活塞桿之間安裝有力傳感器，用于測量弓網接觸力。該試驗臺主要由計算機測控系統和液壓驅動系統組成。計算機測控系統控制器采用星型網絡拓撲結構實現“一主兩從”的控制模式，即工控機作為上位控制單元，同時與運動控制卡和PLC通訊實現并行控制，可以在正弦激振試驗的過程中實時測量受電弓的位置和弓網之間的接觸力。液壓加載系統采用高頻響應比例伺服閥，并通過控制伺服閥的開口大小調節液壓油的壓力與流量，使伺服油缸產生往復振動。

試驗臺結構如圖1所示，伺服油缸安裝在水平滑動支架上，油缸活塞桿通過弓形連接器與安裝在機械平臺上的受電弓相連，對受電弓滑板施加激振力，模擬弓網系統之間的振動環境。試驗時，由測量系統測得有關參數，如接觸網的位移，弓網接觸力等，然后進行測算評估。作用于激振器的控制信號既可以源自實際線路的運行試驗記錄，也可以由計算機模擬。

圖1 弓網振動試驗臺實物圖

2 測控系統設計

2.1 系統硬件設計

為提高控制和數據采集的效率，測控系統必須有高速的運算能力，并且有出色的穩定性和抗干擾能力。圖2所示是試驗臺測控系統原理圖，由工控機、運動控制卡、PLC、比例伺服閥、位移傳感器、壓力傳感器等組成。該測控系統中，選用了“凌華”公司生產的Matrix MXC系列工控機、PCI-8254型四軸運動控制板卡以及臺達公司生產的Dvp系列PLC。工控機主要負責振動試驗參數設置、運行狀態實時監控等人機交互界面管理方面的工作，通過運動控制卡讀取油缸活塞桿位置數據經過運算后將控制命令發送給運動控制卡，由運動控制卡根據控制命令輸出模擬量信號，比例伺服閥根據接收到的信號大小，調節閥芯位置、控制閥口開度，使得伺服油缸活塞桿能夠以不同的方向、不同的速度帶動負載運動。同時工控機與PLC通過串口通訊對比例伺服閥進行控制，可以保證在系統發生故障時，切斷供電電源，控制閥芯進入斷電安全位，以確保伺服油缸處于安全狀態。

圖2 試驗臺測控系統原理圖

測控系統中的傳感器主要包含磁致伸縮位移傳感器和壓力傳感器。其中位移傳感器用于檢測活塞桿實際位置，輸出為電壓信號，直接輸入運動控制卡AI通道采集；檢測弓網振動壓力的壓力傳感器輸出為4～20 mA電流信號，由信號調理器轉換為電壓信號再送入運動控制卡AI通道。數據采集設備采用運動控制卡的多功能采集模塊，它具有4路模擬量輸入通道，分辨率為12位，采樣速率高達100 kHz，能夠方便地接入測控系統，實現高速數據采集。

2.2 系統軟件設計

為使測控系統軟件界面簡潔、易于操作、具有良好人機交互性，測控計算機軟件平臺基于Visual C++6.0編寫，采用模塊化設計開發，開機自檢后即運行參數初始化、通訊初始化模塊，初始化完成后進入主程序[4]。主程序中共設計了三種工作模式，包括正弦定頻振動、正弦掃頻振動以及隨機振動。工作模式結束后均通過參數初始化模塊準備下次工作并返回模式判斷。如圖3所示，人機界面左側是兩個示波器控件，分別用于顯示受電弓實時振動波形以及弓網間的接觸壓力波形，界面右側按鈕可以控制振動試驗的運行，同時對振動數據進行采集。測控系統軟件可以實現以下功能：

1)參數設置：設置振動試驗振動模式，振動頻率以及振動幅值等參數；

2)實時測量與顯示：實時高速數據采集，并將振動位移、弓網接觸力等參數動態顯示；

3)數據存儲與導出：以文件形式存儲所測數據；

4)導出打印：形成檢測報告并打印。

圖3 垂向激振系統人機界面

3 液壓驅動系統設計

液壓驅動系統是試驗臺的核心裝置，其性能直接影響試驗臺的測試結果。為保證系統設計滿足受電弓動態特性試驗所要求的性能指標，選用閥控缸電液伺服控制系統。閥控系統是由電液伺服閥控制輸入執行元件流量的系統，由于包含的容積小，而且供油壓力為常值，因此對閥和負載的輸入響應很快[5-6]。在受電弓的動態特性試驗中，優先采用這種系統。同時為了確定閥控缸電液伺服系統動力機構最優參數和系統頻寬極限，建立電液伺服激振臺的數學模型，如下：

(1)伺服液壓缸活塞力平衡方程式

(1)

F=APL

(2)

式中：m—加載裝置自身運動件的質量； D—阻尼系數；KS—彈性系數；y—伺服缸活塞的位移；W—外干擾力；F—負載力；PL—負載壓力； A—伺服缸活塞有效作用面積。

(2)伺服液壓缸流量平衡方程式

(3)

式中：QL—負載流量；V—伺服缸兩個油腔和閥至缸管道的總容積；βe—油液的容積彈性模量；Ct—總泄露系數。

(4)

按照公式(4)求解A值后，計算負載流量，再根據閥的壓降從伺服閥樣本上選擇合適的伺服閥。該系統伺服油缸缸徑40 mm，桿徑28 mm，行程250 mm，油缸內壁、活塞、密封裝置之間的接觸面具有很高的光潔度，缸體散熱性能好，因而能滿足活塞高頻往復運動的要求。同時選用Atos DLKZOR系列比例伺服閥，其幅值比-3 db時對應的頻率在40 Hz-70 Hz之間，滿足受電弓振動試驗對工作頻率的要求。

試驗臺液壓驅動系統由動力源、比例伺服閥、伺服油缸、溢流閥等組成(圖4)。其主要技術參數為：額定輸出載荷10 kN，伺服油缸行程250 mm，系統的激振頻率0.5 Hz～25 Hz，小幅值時可達30 Hz，可以完成正弦定頻試驗、正弦掃頻試驗以及疲勞試驗。

4 受電弓動態特性試驗臺的控制策略

控制技術是振動環境模擬試驗的關鍵技術,液壓驅動系統控制性能的好壞直接影響到受電弓振動試驗環境模擬的真實性[7-8]。根據受電弓動態特性試驗的要求，最大激振頻率需要達到25 Hz，振幅需要達到8 mm。

為了精確模擬高頻振動環境，設計了雙閉環控制結構，如圖5所示。電液激振系統所選用的高頻響比例伺服閥和伺服油缸分別內置了LVDT和磁致伸縮位移傳感器。內環由集成式電子放大器、LVDT位置傳感器、比例閥構成。外環由伺服油缸、磁致伸縮位移傳感器、工控機、運動控制卡、信號調理模塊和內環構成。外環伺服控制回路根據系統給定的輸入指令信號、伺服油缸的位移反饋信號,由運動控制卡輸出模擬電壓控制內環比例伺服閥,使伺服油缸按照給定的輸入信號運動。

圖5 雙閉環控制結構

內環基于Atos DLKZOR型高頻響比例伺服閥,電子放大器與比例閥集成，同時帶LVDT位置傳感器，采用模擬控制器實現閥芯位置PID控制。通過閉環控制，電子放大器對比例閥提供一合適的電流信號，以校準閥的位移調整量，使之與供給電子放大器的輸入信號相對應。內環用來調節比例閥的閥芯位置，由閥芯控制進入伺服油缸的液體流量和方向，從而改變活塞桿的輸出速度和運動方向。

外環采用PCI-8254運動控制卡，它是一個基于PCI總線、以DSP為核心的數字控制器，帶有4路A/D采樣通道和4路D/A輸出通道。外環用來調節伺服油缸，使得活塞桿按照給定的輸入信號運動。外環采用數字控制器實現增量式PID+前饋控制算法[9]，采樣和控制周期都設定為2 ms。外環控制算法基于Windows操作系統通過軟件編程實現，其控制算法采用下式進行：

(5)

e(k)=Pos(k)-FbkPos(k)

(6)

式中：Kvff—速度前饋增益；Kaff—加速度前饋增益；Kp—比例增益；Ki—積分增益；Kd—微分增益；Pos(k)—第k次采樣時刻的位置命令；FbkPos(k)—第k次采樣時刻的位置反饋；Vel(k)—第k次采樣時刻的速度命令；Acc(k)—第k次采樣時刻的加速度命令；e(k)—第k次采樣時刻的誤差；u(k)—第k次采樣時刻計算機的控制量。

5 受電弓動態特性試驗臺調試結果

為驗證試驗臺的實際控制效果，分別進行了正弦定頻振動試驗、正弦掃頻振動試驗。試驗中以PID參數與系統性能的關系為依據，結合工程經驗，通過一系列實驗整定出較為理想的PID參數[10-12]。整定方案為輸入理想測試信號，觀測系統輸出波形。然后通過反復調節各項參數、尋求理想的振動曲線。

在試驗時，對弓網接觸點受電弓的位移進行了數據采集。該測試數據可以反映出試驗臺所模擬振動環境的真實性。下面選取三種工況的試驗結果說明本系統的運行特性：掃頻范圍為10 Hz～11 Hz，振動幅值為±8 mm的正弦掃頻試驗以及振動頻率分別為22.5 Hz和25 Hz，振動幅值為±8 mm的正弦定頻試驗。試驗結果如圖6所示。

圖6 不同頻率下的試驗結果

試驗數據表明，振動位移曲線光滑，振幅指示誤差小于±10%。其中小于5 Hz的頻段，頻率指示誤差小于±20%，5 Hz到25 Hz的頻段，誤差小于1 Hz。各項技術指標均達到受電弓動態特性試驗的要求。

6 結論

受電弓動態特性試驗臺通過工控機、運動控制卡以及PLC組成的控制器驅動閥控缸系統，模擬正弦振動環境。該試驗臺可以使受電弓在更高的頻率范圍進行幅頻特性測試和疲勞試驗，同時實時測量接觸網的動態位置以及弓網接觸點的接觸力，為受電弓可靠性試驗體系與規范的建立提供試驗數據。經試驗驗證，試驗臺主要具有以下技術特點：

1)該系統可以精確模擬振動頻率25 Hz，振幅8 mm的正弦振動環境。

2)該系統還可以實現等幅掃頻振動試驗，掃頻范圍為0.5 Hz～25 Hz,振幅8 mm，提供了更大的試驗頻寬，在疲勞試驗中提高了試驗效率。

3)試驗數據可以在軟件界面上實時繪制并顯示，而且可以將試驗結果以Excel格式文件導出供測

試人員分析使用；

4)試驗系統人機界面友好，通過軟件設置，就可以靈活測試多種試驗工況，滿足了試驗人員的使用要求。

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Development of the dynamic characteristic test bed for pantographs

HE Zexia, XU Zhixiang, WAN Zhenhua, LIU Dongjie

The working frequency of traditional dynamic characteristic test system for pantographa is not high, often less than 20 Hz. In order to carry out the dynamic characteristic test under a wider frequency range, we built a new pantograph vibration test bed, which simulated sinusoidal vibration by the electrohydraulic vibration exciter. In this paper, we introduced the overall scheme, composition and working principle of the test bed. A double closed-loop control structure is designed for it.A series of sinusoidal vibration experiments were conducted to test the performance of the system. The results showed that the maximum vibration frequency of the system could reach up to 25 Hz, and the amplitude could reach up to 8 mm. The system could precisely simulate the high-frequency vibration of the pantograph, and could assess its fatigue life and performance, which provided experimental basis for the optimization of the dynamic characteristics and structural parameters of the pantograph.

pantograph,dynamic characteristic test bed, electrohydraulic vibration exciter,sinusoidal vibration

TP271.31

A

1002-6886(2016)05-0081-05

何澤夏(1989-)，男，安徽人，大連理工大學機械工程學院碩士生，研究方向為機電液一體化。

2016-03-29