一种跨座式单轨智能受电弓
阅读说明：本技术 一种跨座式单轨智能受电弓 (Straddle type single-rail intelligent pantograph ) 是由 陈仁祥 王帅 胡小林 徐向阳 杜子学 杨震 孙文杰 于 2021-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种跨座式单轨智能受电弓,属于单轨技术领域。包括接触力检测系统、控制器、作动器、受电弓智能升降系统。接触力检测系统通过安装在弓头的应变式压力传感器获取弓网系统接触力数据；控制器内嵌入一个训练好的接触力预测模型,根据接触力检测系统检测的接触力数据实时下一时刻接触力,而后根据接触力预测值与期望值计算下一时刻所需的期望控制力,并将控制力信号传递给作动器。作动器使用磁流变阻尼器,安装于受电弓下框架处。磁流变阻尼器根据控制力信号调节输出阻尼力以降低弓网接触力波动程度,实现受电弓的主动控制,提高车辆的受流质量。受电弓升降系统则是通过安装升弓弹簧、电动缸、用于固定弓头的机械扣实现升弓、降弓和降弓后固定弓头。(The invention relates to a straddle type monorail intelligent pantograph, and belongs to the technical field of monorail. The pantograph intelligent lifting system comprises a contact force detection system, a controller, an actuator and a pantograph intelligent lifting system. The contact force detection system acquires contact force data of the pantograph-catenary system through a strain type pressure sensor arranged on a pantograph head; a trained contact force prediction model is embedded into the controller, the contact force at the next moment is real-time according to the contact force data detected by the contact force detection system, the expected control force required at the next moment is calculated according to the predicted value and the expected value of the contact force, and the control force signal is transmitted to the actuator. The actuator uses a magneto-rheological damper and is arranged at the lower frame of the pantograph. The magnetorheological damper adjusts the output damping force according to the control force signal to reduce the fluctuation degree of the pantograph-catenary contact force, realize the active control of the pantograph and improve the current collection quality of the vehicle. The pantograph lifting system realizes pantograph lifting, pantograph lowering and pantograph rear-fixing by installing a pantograph lifting spring, an electric cylinder and a mechanical buckle for fixing the pantograph head.)
技术领域
本发明属于单轨技术领域，涉及一种跨座式单轨智能受电弓。
背景技术
弓网系统是电气化铁路供电系统中的关键组成部分，担负着将牵引网电能输送给电力机车使用的重要任务。不同于传统轨道车辆的受电弓与柔性接触网系统的顶部垂向受流方式，跨座式单轨采用侧部刚性受流(通过在轨道梁上架设刚性接触网，在转向架侧面安装受电弓)。这样做既满足了车辆高速运行时的受流要求，同时保证了在低净空条件下弓网系统的安装、检修和维护条件。
轨道车辆在运行中，其受电弓同接触导线接触面处于滑动摩擦状态，为保证正常取流，弓网间存在一定的接触压力。但是由于接触网支持悬挂装置故障、硬点或受电弓弓头磨损异常，引起弓网间接触压力的瞬态变化，使得受电弓弓头在接触网上发生弹跳，即受电弓高频撞击接触网的现象，将会导致以下三种危害：1)加剧车辆运行噪声，产生辐射和电磁波，污染环境甚至对通讯线路产生干扰；2)剧烈的接触力波动加剧弓头与接触网间的机械磨损，长期运行甚至会导致断弓失效。3)列车受电弓和接触网产生短暂的机械脱开，称之为“离线”，进而出现拉弧现象，不仅会灼伤弓头和接触网，严重时还会损伤列车上的电器元件，影响车辆的运行安全。综上所述，为了保障列车正常行驶，保证乘客的人身安全，降低车辆运行成本，因此发明智能受电弓，在低净空条件下实现升弓降弓和主动控制的智能化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种跨座式单轨智能受电弓，利用神经网络对跨座式单轨的弓网系统接触力进行预测的控制器，本文以门控循环单元网络建立的预测模型作为控制器的基础，选择了磁流变阻尼作为作动器，选择电动缸和弹簧控制下框架和机械扣。本发明所述跨坐式单轨智能受电弓目的是实现受电弓的升弓、降弓和减小弓网耦合系统接触力波动程度，减少弓网间的离线，电弧的出现，提高轨道车辆受流质量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1)接触力信号Ft的检测。跨座式单轨智能受电弓要实现主动控制，对接触力进行调节，首先便是获取弓网接触力数据。但由于弓网系统工作环境复杂，但由于弓网系统工作环境复杂，检测得到的数据可能包含大量噪声成分，且由于安全方面的原因，在受电弓上安装大量的传感器可能不被容许。因此需要通过较少量的传感器获得较为精准的弓网接触力数据。以日本进口KC118型受电弓为例，要得到所需的接触力数据，需要在弓头安装两个压力传感器对接触力进行量测，同时在严苛的运行环境下需要考虑测量值的可靠性，因而在获取数据后还要进行必要的滤波去噪处理。最后，计算出两个传感器信号的均值，保存于接触力检测系统。
2)期望控制力信号的获取，通过已建立的弓网接触力预测模型和得到的接触力信号，得出接触力预测值F’。当控制器获取弓网接触力数据后，结合门控循环单元网络建立的弓网接触力预测模型，预测下一时间步的接触力值。然后计算接触力期望值与预测值的差值作为目标控制信号，传递到作动器，由此完成控制器的搭建。将搭建好的控制器安装于受电弓底板处，以便于和前段的弓网接触力检测系统和后端的作动器相连接。
为获得良好的受流质量，就要确保弓网接触力压力波动在标准范围内。压力波动越小，受流质量也就越好。以所选用的日式KC118型单轨受电弓为例，查询跨座式单轨受电弓设计的技术规格，得知其中规定弓网接触力在整个工作行程中需处于44N～79N，受电弓在正常工作位置的接触力应为59±10N。故而评作行程中接触力期望值FL为59N。然后利用预测结果和接触力期望值计算出下一时刻所需的控制力u(t)。
3)通过作动器配合适当的机械设备实现主动控制系统的最终操作。根据期望控制力信号u(t)调节磁流变阻尼输出的阻尼力。其中磁流变阻尼器的阻尼力Fd可以通过非线性Bingham模型计算，公式如下：
式中Cpo为磁流变液屈服后的阻尼系数，为活塞的速度，Fy为磁场引起的屈服力，sgn(*)为数学符号函数。式中为不可调节的黏滞阻尼力，因此调节磁流变阻尼器的阻尼力可以通过调节式中可变库伦阻尼力实现。磁流变阻尼施加阻尼力作用于弓网系统。
4)通过电动缸和弹簧实现智能化的升弓和降弓。在下框架和机械扣处分别安装弹簧和电动缸。当需要升弓时，机械扣处的电动缸启动，推动机械扣转动，使得机械扣与弓头脱开，然后在下框架处升弓弹簧的作用下，拉动下框架转动从而升弓；当需要降弓时，启动下框架处的电动缸，推动下框架转动，使得弓头下降，直到弓头拉至底板上的机械扣处，完成弓头固定，由此完成降弓操作。通过控制两个电动缸的工作，完成升弓和降弓。
本发明的有益效果在于：
智能受电弓以单轨弓网耦合系统、接触力检测系统、控制器、作动器和受电弓智能升降系统为基础。接触力检测系统包括应变式压力传感器、滤波器和存储器。控制器是以GRU预测模型为核心建立；作动器选择磁流变阻尼器，同时为了使各设备可以在保证受电弓原有功能的情况下使用，重新设计了下框架；受电弓升弓降弓则是通过安装升弓弹簧、电动缸、用于固定弓头的机械扣实现升弓、降弓。综上，一套可以完成主动控制和升弓降弓的跨坐式智能受电弓设计完成。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明智能受电弓的系统流程图；
图2为本发明智能受电弓的结构示意图；
图3为本发明控制器部分预测结果示意图；
图4为本发明智能受电弓控制效果图；
图5为本发明智能受电弓示意图；
图6为本发明智能受电弓下框架设计图。
附图标记：1-压力传感器，2-弓头，3-上框架，4-接触力传感器，5-控制器，6-作动器，7-下框架，8-升弓弹簧，9-底板，10-电动缸一，11-连接杆，12-平衡杆，13-机械扣，14-弹簧，15-电动缸二，16-安装作动器支座，17-安装弹簧支座，18-安装电动缸支座，19-磁流变阻尼器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述，如图1～图6所示。1为压力传感器，2为弓头，3为上框架，4为接触力传感器，5为控制器，6为作动器，7为下框架，8为升弓弹簧，9为底板，10为电动缸一，11为连接杆，12为平衡杆，13为机械扣，14为弹簧，15为电动缸二，16为安装作动器支座，17为安装弹簧支座，18为安装电动缸支座，19为磁流变阻尼器。
1)利用接触力检测系统检测弓网系统实时接触力数据；
2)结合训练好的接触力预测模型和接触力数据预测下一时刻接触力；
3)根据接触力预测值和期望值，计算出下一时刻所需的控制力；
4)选用磁流变阻尼器作为作动器，并根据控制力信号调整磁流变阻尼磁场，进而调节施加到弓网系统的阻尼力；
5)通过磁流变阻尼对弓网系统施加阻尼力，从而降低弓网接触力波动程度，提高车辆的受流质量；
6)通过设计的受电弓升降系统，实现升弓、降弓操作
以下举例说明本实施例：
第一步：通过接触力检测系统实时检测弓网接触力。
为了减少测量中所产生的误差，在合适位置安装传感器。
有两种情况可能造成控制器输入端不能得到实时状态信号，一是传感器自身原因导致的量测失败，二是数据传输过程中的数据丢包。弓网系统复杂的工作环境极有可能导致的量测失败。在此我们选用卡尔曼滤波器对传感器获取的接触力信号进行优化处理。
具体方法为：1)首先通过应变式压力传感器测量接触力数据，当弓头与接触网接触，产生接触力后，弓头便会产生形变，应变式压力传感器会因根据不同方向上分别产生的压缩和拉伸的变化情况计算出接触力数据；2)利用卡尔曼滤波器进行滤波，剔除因信号采集过程中受到外界干扰产生的噪音信号；3)计算两个传感器信号的平均值作为最终的接触力数据；4)利用数据存储器对接触力数据进行收集。由此完成了弓网接触力数据采集的工作。
整套接触力检测系统通过绝缘材料安装于受电弓底板上，接触力传感器设置于弓头处。
第二步：建立控制器，前期通过历史数据完成门控循环单元网络预测模型的训练，将训练好的接触力预测模型嵌入控制器。在实际使用过程中，接触力检测系统会将获取的接触力信号传递到控制器，控制器则可利用接触力预测模型实时预测下一时刻接触力F′。
控制器同样适用绝缘材料安装于受电弓底板上。
第三步：根据接触力预测值和期望值，计算出下一时刻所需的控制力u(t)。
以所选用的日式KC118型单轨受电弓为例，接触力期望值FL为59N，下一时刻所需的控制力u(t)即为期望值FL与接触力预测值F的差值，即：
u(t)＝FL-F′
第四步：作动器的选择和安装。主动控制系统以弓网系统、控制器和作动器为基础。控制器是以GRU预测模型为核心建立，作动器选择阻尼可调，控制方便、响应迅速、能耗小、结构简单的磁流变阻尼器。
其中磁流变阻尼器的阻尼力Fd可以通过非线性Bingham模型计算，公式如下：
式中Cpo为磁流变液屈服后的阻尼系数，为活塞的速度，Fy为磁场引起的屈服力，sgn(*)为数学符号函数。
磁流变阻尼器的阻尼力Fd由两部分组成：被动黏滞阻尼力和可变库伦阻尼力前者是由流体的动力粘度和流速决定的不可调节阻尼力，只有可变库伦阻尼力可以调节、控制。因此，应用磁流变阻尼器的具体方法为：当作动器接收到控制器输入的控制力u(t)信号后，计算并调节MRD的输入电流i，控制磁场强度，进而改变MRF剪切屈服强度，产生所期望的控制力。阻尼力主要与阻尼器内活塞位移和电流相关，公式如下：
u(t)＝Fd＝f(i，x)
式中i为输入电流，f为阻尼力Fd与i和x的映射关系。
第五步：在底板上利用绝缘材料安装磁流变阻尼器，安装配套的机械设施和轴承，使得磁流变阻尼器连接到框架部分并可随着弓头的移动随之转动。通过磁流变阻尼对弓网系统施加阻尼力，从而降低弓网接触力波动程度，实现受电弓的主动控制，提高车辆的受流质量。
为了突出主动控制理论值和实际值的跟踪力和速度，选择将磁流变阻尼器安装在框架底部。
通过在下框架设计一个耳状支撑架，使得磁流变阻尼器的活塞杆与下框架连接。当弓网接触力较大时，磁流变阻尼器收缩活塞杆，拉动下框架下降，进而减小弓网接触力；而当弓网接触力较小是，磁流变阻尼器则伸长活塞杆，输出一定的阻尼力，推升下框架，增大弓网接触力，减小弓网接触力波动程度，提升受流质量。
第六步：当列车停止运行后，需要执行降弓操作。控制安装于下框架的电动缸运行，拉动下框架转动，进而带动弓头的下降。当弓头收缩至指定位置后，由机械扣固定住弓头，由此便完成了降弓操作。当列车需要重新启动的时候，升弓便可以通过启动机械扣处的电动缸，拉动机械扣转动，使得机械扣与弓头脱开，然后在下框架处升弓弹簧的作用下升弓，直至到达指定位置，此时受电弓与接触网处于静态接触，弓网间静态接触力约为100N；
本发明针对跨座式单轨车辆行驶时弓网系统接触力波动剧烈问题，为提高单轨车辆受流质量，提出了一种跨座式单轨智能受电弓的设计。工作步骤如下：首先,利用接触力检测系统获取弓网系统接触力数据；其次，建立控制器，将训练好的接触力预测模型嵌入控制器，预测下一时刻接触力；再次，根据接触力预测值与期望值计算下一时刻所需控制力并将期望控制力信号传递给作动器；之后，选用磁流变阻尼器作为作动器，根据控制力信号调节磁流变阻尼器的输出阻尼力，从而降低弓网接触力波动程度，实现受电弓的主动控制，提高车辆的受流质量。最后，通过受电弓升降系统，收回受电弓弓头，在需要使用的时候再执行升弓操作。
通过对受电弓归算质量块模型和对应的动力学方程进行分析，对于弓网系统，静态抬升力F0＝110N。刚度和阻尼系数参数通过仪器实验测得，分别为k2＝12900N/m、c2＝100N·s/m、k1＝17000N/m、c1＝200N·s/m。弓头以及框架的等效质量m1＝2.49kg、m2＝10.54kg。接触刚度ks＝82000N/m。刚性接触网的支持绝缘子间距L＝2m。建立Simulink仿真模型，获取弓网系统接触力数据进行实验，并与获取弓网接触力原始数据进行对比以验证其优势，对比结果如表1所示,实验结果如图4、图5所示。
表1在80Km/h时速下弓网接触力控制结果对比
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。