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

دكتري

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.

193009

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر بيژن معاوني - دكتر سيد سعيد فاضل

مهندسي راه آهن

دكتر محمد علي رضواني - دكتر جبيب اله ملاطفي