电气化铁道论文范文1
[关键词]高职；铁道车辆；空调电气实训室
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0142-01
1.空调电气实训室建设的必要性
随着我国高速铁路建设规模的不断扩大和技术的不断提升，需要大量铁道车辆运营与检修的高技能人才。为此，高职铁道车辆专业怎样培养出合格的高技能人才显得尤为突出。近几年，为适应铁路发展需要，铁道车辆专业招生规模也相应扩大，为了让学生走上工作岗位后能尽快适应工作岗位，结合现场实际进行教学显得尤为重要，在校内建立空调电气实训室是很好的选择，这样能为学生提供理论联系实际的有利条件，达到事半功倍的效果。毫无疑问高职学生正是铁路发展中的主力军，那么如何培养高职学生尽快适应好铁路行业岗位是我们需要亟待研究的课题。
同时，随着电气化铁路的发展，电气在铁道车辆上的运用越来越广泛，这就要求学生不仅能够懂得电气行业入门知识，还要知道其在铁道车辆上的应用。
铁道车辆电气方面从专业角度讲主要包含了客车上的用电设备及供电原理，本文仅讨论空调电气实训室的构想。空调电气实训室所选设备必须与车辆检修部门现场情况相适应，能够尽最大程度的还原现场，让学校和工作现场无缝对接。电气实训室建成后，可以通过理论知识与现场实际相结合，培养学生正确运用知识的能力，增强学生的动手能力；通过模拟现场检修，帮助学生掌握运用和车辆电气检修的相关知识，通过设置故障培养学生查找故障和排除故障的能力等等，学生经过系统的学习和技能训练，可以胜任车辆检修与车辆运用等相关行业工作。
2.空调电气实训室建设的内容与规划
空调电气实训室主要承担铁道车辆专业的《客车空调系统维护与检修》、《客车电气系统维护与检修》、《车辆维护与检修》等课程的实践教学环节。主要设备包括车辆空调机组、逆变器、电茶炉设备、综合控制柜、DC600V电源、开放式空调、电动塞拉门系统等。空调电气系统实习是以学生自己动手为主，主要目的是为了让相关专业的学生了解车辆运用检修部门铁道车辆保养维护的整个过程，掌握理解基本的空调电气知识和常用电气元件识别、检修、操作、保养、装配、调试等基本技能，以满足对专业培养目标的要求，提高铁道车辆专业学生的实际应用能力。在此基础上掌握一定操作技能并自主动手检修部分设备为特色，将操作技能训练、基本检修知识和创新启蒙有机结合，为学生的实践能力和创新精神构筑一个基础扎实而又充满活力的实践平台。
3.资金筹措与项目进度安排
空调电气实训室建设资金由中央财政支持统一安排解决。先根据设计方案进行项目招标，中标单位组织施工，工程施工、安装、调试完成后由院相关部门组织验收，验收合格后正式投入使用，其中材料和设备的质量保证期六年。
4.投资效益分析
4.1 满足行动导向教学的需要
空调电气实训室建设和实训课程的开设，将使学生通过现场观察、测试及亲自动手操作，具备一定的动手能力，巩固课堂知识，培养分析和解决问题的能力，提高铁路行业素养及实现理论知识的灵活运用，从而系统地掌握车辆段车辆检修技能，使学生走上工作岗位后能更快地进入工作状态。工学结合一体化课程的人才培养过程是“工作过程中学习”和“课堂学习”相结合的过程。课程的教学必须以行动导向为原则，即让学生以个体或小组合作的方式围绕明确的学习目标通过完成一系列的综合性学习任务学习新的知识与技能、提高综合职业能力。建成这样适应学生综合职业能力发展的理实一体化的实训环境，可满足行动导向教学的需要。
4.2 满足职业技能鉴定的需要
实训室建成后，可开展相关的车辆钳工、车辆电工、运用检查员等岗位职业资格证书的鉴定工作，可以保证学生在专业学习的同时能获得相关岗位职业资格的认可。
4.3 为企业提供专业服务
贯彻“校企合作”原则，在培养高技能人才的同时，扩大社会服务范围。实训室建成后可利用学校现有的教师资源、场地及设备资源，为企业提供职业资格考证培训以及铁路的新技术培训，实现学院企业“双赢”。同时，依托客车厂、车辆段、动车组检修所等多个铁路单位，加强校企合作机制，真正让学生感受到学校与企业的融合统一。
参考文献
[1] 黄凤记.高职院校电气自动化实训室建设与对策研究，2012.
[2] 刘韵.浅谈电气实训设备管理规章制度的建设，2011重庆.
电气化铁道论文范文2
（湖北铁道运输职业学院 湖北 武汉 430064）
摘 要：以湖北铁道运输职业学院的轨道交通供电实训基地建设为基础，从必要性分析、建设目标与要求、设备选型、建设内容等方面进行了探讨。重点讨论了虚拟现实技术在接触网实训中的应用及实训基地内涵的建设。
关键词 ：接触网；校内实训基地；虚拟现实技术；内涵建设
中图分类号：G717 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1665－2272．2015．09．034
收稿日期：2015－03－20
近年来，我国以高速铁路和城市轨道交通为代表的轨道交通建设如火如荼，作为轨道交通供电系统重要组成部分的接触网系统也得到了广泛的应用与发展。与此同时接触网形式的多样化也给各职业院校电气化铁道相关专业的人才培养工作提出了严峻挑战。基于湖北铁道运输职业学院实训室建设经验及新校区实训基地建设要求，从以下几个方面对接触网校内实训基地建设进行探讨。
1 接触网校内实训基地建设的必要性
1．1 接触网工种特点
接触网工是从事接触网设备安装、调试、检修、保养的人员。接触网作为供电系统向电动列车传输电能的关键接口，有其无备份、机电合一、动态工作、工作环境恶劣等特性。极易受到各种因素的影响而发生故障，一旦发生故障将会直接威胁到牵引供电系统以及列车系统的正常运行，甚至长时间中断列车运行。所以，提高接触网工的维护检修及事故抢修技能水平，确保能够在最短时间内完成任务，不仅是企业对于接触网工的要求，也应成为学校电气化铁道相关专业的人才培养目标。
1．2 铁路高职院校电气化专业现状
对目前铁路相关职业院校的统计表明，为数不多的高职院校开设了电气化铁道或城市轨道交通供电专业，而且实习实训设备普遍陈旧，实习实训方式单一，尤其是兼备高速铁路和城市轨道交通接触网实训功能的实训基地更是屈指可数。学生在校期间基本上只能完成理论知识的学习和进行少量的实际动手训练，初次就业后还需通过企业组织短期强化训练，才能获得上岗资格，无形之中给企业增加了成本。整体上看，现有的接触网校内实习实训设备和培养方式很难满足轨道交通领域对于接触网技能人才的需求。
1．3 突出高职特色，与现场无缝对接
实训是高等职业技术教育中最为闪光的特色，具有实验中“学校能控”、实习中“着重培养学生职业技术性”的显著特征。而校内实训基地有别于实验室、实习车间，是介于两者之间的一种人才培养空间，主要功能是实现课堂无法完成的技能操作，有目的、有计划、有组织地进行系统、规范、模拟实际岗位群的基本技能操作训练。
铁路高职院校作为接触网技能人才的重要来源地，应突出自身优势，大力发展接触网校内实训基地。建立完备的实训体系，强化实训环节，丰富实训基地内涵，从而提高电气化铁道相关专业学生的职业能力与职业素养，进而达到与现场无缝对接、节省企业人员培训成本的目的。
2 接触网校内实训基地建设的目标和要求
2．1 建设目标
《教育部关于推进高等职业教育改革创新引领职业教育科学发展的若干意见》（教职成〔2011〕12号）一文中，明确提出了高等职业教育要“系统设计、实施生产性实训和顶岗实习，探索建立‘校中厂’、‘厂中校’等形式的实践教学基地，推动教学改革。强化教学过程的实践性、开放性和职业性，鼓励学校提供场地和管理，企业提供设备、技术和师资，校企联合组织实训，为校内实训提供真实的岗位训练、营造职场氛围和企业文化。”为贯彻教育部这一要求，湖北铁路运输职业学院接触网校内实训基地建设总体目标确定为：根据电气化铁道技术和城市轨道交通供电专业人才培养方案，以满足生产一线所需技能为目标，突出对学生职业能力和职业素养的培养，努力把实训基地建设成为集教学、教研、培训和职业技能鉴定于一体的综合性开放实训教学基地。
2．2 建设要求
高职院校接触网实训基地建设应满足供电专业学生在校期间理论学习与实践学习的需求，同时应能够满足技能鉴定和在岗职工培训的需求。规模以满足50人班级开展实训为宜。必须兼顾高铁接触网和城市轨道交通接触网的常见悬挂形式，柔性、刚性、第三轨三种形式接触网应合理配置。实训场地应充分利用校内已有资源，如非电化股道，实训楼一楼周围外挑梁等。还应按相关检修规程规定配置安全防护用具、常用工具及常用零部件备品，工具柜均配双开门与锁。
另外，可以考虑引入虚拟现实技术，开发接触网仿真实训系统。学生按“认知设备，模拟操作，实际训练”的三部曲（见图1）进行实训，每个实际训练之前都先进行模拟仿真操作，只有通过模拟操作考核的学生才能进入下一步实际训练环节；实际训练完成之后，也可再次通过模拟仿真训练加以巩固。这样虚实有机结合的实训方式，可以最大限度上提高设备利用率、减少消耗，同时提高学生的学习兴趣。
3 接触网校内实训基地建设的建设内容
接触网校内实训基地建设主要针对电气化铁路接触网工与城市轨道交通接触网工两大专业岗位。两者之间既有区别，又有联系。例如柔性接触网方面较为相似，刚性接触网近几年才开始现在铁路接触网系统，而地铁中常用的第三轨在我国铁路系统中没有应用。
3．1 电气化铁路接触网
电气化铁路接触网结构形式的选择主要遵循以下几个原则：一是能否满足速度目标值的要求；二是能否满足能量的可靠传输；三是是否有足够的使用寿命；四是能否满足接触网系统评价标准。
目前，我国电气化铁路正线（包括普速铁路和高速铁路）以全补偿简单链形悬挂及弹性链形悬挂为主，侧线及车场线一般为带弹性吊索的简单悬挂；多股道一般用软横跨，高铁线路多股道以硬横跨为主。弹性链形悬挂在结构上比简单链形悬挂复杂，但在速度适应性和能量传输可靠性方面要优于简单链形悬挂，故在高铁线路得到广泛应用。
3．2 城市轨道交通接触网
城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、现代有轨电车等多种形式，具有行车密度大，客流密度大，安全可靠性要求高等特点，其中地铁正线主要采用地下敷设方式，隧道净空较小。这就要求接触网系统具有结构紧凑，跨距小，电压较低，载流量大等特点。
我国早期建设的城市轨道交通系统以第三轨和柔性悬挂为主。第三轨式接触网在安装精度要求和交叉作业安全防护方面存在劣势。而在隧道中使用柔性悬挂使得建设期隧道土建成本巨大，运营维护工作量大，且存在断线隐患。所以近年来建设的地铁系统，在隧道区段多采用刚性接触悬挂。这种悬挂形式具有结构紧凑、净空要求低、维护工作量较少、载流量大、无断线之虞等优点。
轻轨和有轨电车方面则以柔性悬挂和第三轨形式为主，其柔性悬挂在结构上与铁路接触网相似，第三轨则多采用下接触式。
3．3 建设方案
下面以湖北铁路运输职业学院新校区接触网实训基地建设方案为例具体说明。建设方案分硬件设备、仿真实训系统两部分。
3．3．1 硬件设备部分（见表1）
3．3．2 仿真实训系统部分
仿真系统应能实现三种接触网基本结构认知、工作场景巡视和现场作业模拟三个功能。系统中应涵盖三种形式接触网的主要结及应用环境；还应包括材料库、工具库、值班室等在内的接触网工区3D场景。模拟作业系统应能实现绝缘子检查与装配、腕臂装配等技能的训练。任务模式下可模拟接触网中典型故障发现和排除任务，学生以角色扮演的方式操作完成任务，严格按照实际工作程序和过程操作，将相应的安全规章、检修规程融入到其中，最后由系统或教师完成评价。
目前，国内针对高铁接触网（柔性）的虚拟仿真实训系统已较为成熟，然而覆盖地铁常见的刚性和第三轨式接触网形式的虚拟仿真系统还处于空白状态，所以需进行全新开发。新开发的地铁接触网仿真实训系统应在高铁接触网仿真实训系统成熟架构的基础上，按照国内常见地铁接触网形式进行开发。除了基本结构之外，应重点对以下几个关键节点进行仿真处理。①刚性接触网部分：贯通式刚柔过渡段、交叉道岔形成的线岔、外包式中间接头、膨胀元件、中心锚结、分段绝缘器等。②第三轨部分：电连接中间接头、膨胀接头、端部弯头、中心锚结等。
仿真系统安装于接触网一体化教室计算机中，设置8台学生工作站，2台教师工作站。虚拟仿真实训系统采用C／S，架设独立的数据库服务器，负责历史数据的存储，参数配置及保存，数据运算等功能；教师工作站设为主工作站，各学生计算机为普通工作站。为了保证系统稳定可靠运行，整个系统采用单100M以太网结构，服务器可根据需要配置双网卡，绑定冗余运行。
具体结构如图3所示。
3．4 内涵建设
如果说先进的设备和仿真系统是实训基地的“硬条件”，那么完善的管理制度、合格的实训指导教师、实用的实训教材以及优秀的实训文化等则是实训基地的“软实力”。如果没有强大“软实力”，实训基地硬件设备再先进，也只能是摆摆空架子，无法发挥其在高职人才培养中的作用。因此在实训基地的建设中，必须坚持“软”与“硬”兼修并重的原则。
发挥校内实训基地作用最终要通过专业课程的实施来实现。因此，推动专业课程改革，完善专业课程标准，开发专业课程资源，尤其是要开发与实训基地相适应的实训指导书，提升教师队伍的实践能力是校内实训基地“内涵”建设的重要内容。建立完善的管理制度，尤其是建立切实可行的和“接触网实训管理办法”，则是做实各个实训教学项目的重要保证。
在“内涵”建设中，基地文化的建设也非常重要。每个专业所针对的行业企业都有其独特的企业文化，接触网专业除具有轨道交通行业共有的“高、大、半”（即高度集中、大联动、半军事化）的行业特点外，还具有“三高”（即高空、高压、高速）等风险，工作多以小组作业和夜间作业为主，对员工的“两纪一化”（作业纪律、劳动纪律和作业标准化）要求严格，企业管理特别突出“四种意识”（即安全意识、质量意识、责任意识和规范意识），形成了轨道交通企业特有的管理文化。实训基地建设过程中，要将这种文化融入其中，构建更加真实的职业环境。比如文化墙的建设，安全警示标语的建设等。同时在制度建设中也要将校园文化中倡导的独立、探索、求真、务实的精神融入到基地的文化建设中，努力形成独具特色的校内实训基地文化与浓厚的职业氛围，更加有效地培养学生良好的职业素养。
本文探讨的接触网校内实训基地建设方案，涵盖了当前轨道交通系统三种常见的接触悬挂形式，选择了最具代表性的结构，讨论了虚拟现实技术在接触网实训中的应用及实训基地的内涵建设，形成了较完整的实训基地建设方案。这种具有多样性的接触网校内实训基地，对电气化铁道技术和城轨供电专业学生的实操训练以及企业员工的培训具有重要意义，可作为今后类似工程的有益借鉴。
参考文献
1 张齐坤． 铁路高职院校校内实训基地建设研究［D］．天津：天津大学，2010
2 李晓艳，王语园． 以高铁实训基地为基础的接触网实训基地建设方案研究［J］．电子质量，2013（5）
3 周艳秋．接触网实训基地建设方案研究［J］． 成功（教育），2012（12）
4 李壮．高职电力外线实训基地建设方案研究［J］．辽宁高职学报，2014（2）
5 王靖满，黄书明．城市轨道交通供电系统技术［M］．上海：上海科学普及出版社，2011
电气化铁道论文范文3
关键词： 以岗导学 电气化铁道技术专业 课程体系构建
一、引言
随着我国电气化铁道的飞速发展，铁路部门对电气化铁道技术应用型人才的需求数量和质量日益提高，因此，作为和铁路行业紧密联系的高职院校，在人才培养中必须融入铁路行业特色，这就需要在人才培养的重要环节――课程体系的构建中体现与时代特色相符的理念实施和完善。基于“以岗导学”的人才培养模式正是将高职教育与企业特色及需求紧密结合的一种职业教育理念。
二、基于以岗导学课程体系构建的思路与步骤
（一）企业岗位调研
职业教育的主要目的是对受教育者通过专门的训练使其具备从事某种职业所必需的职业技能。在这一过程中，课程内容成为职业技能训练的重要载体和手段，因此，构建基于以岗导学的课程体系时，课程的内容必须来源于企业岗位的调研和分析。企业岗位调研主要包括三方面内容。
1.划分岗位群。划分岗位群是构建以岗导学课程体系的基础工作，为后面典型工作任务的分析归纳、确定学习领域提供依据。经过调研后得知，一般适宜电气化铁道专业毕业生在铁路系统就业的主要工种有：接触网工、电力线路工、牵引变电所值班员、电气值班员、变电检修工、继电保护工、电气试验工、轨道车司机八个岗位。
2.确定岗位核心技能。所谓岗位核心技能，就是胜任这个岗位应该具备的专业技术技能，在调研中要以上述八个岗位的实际工作内容为基础，结合中国铁路总公司的岗位培训规范和行业指导委员会提出的专业培养要求确定岗位的核心技能需求，例如接触网中级工的岗位核心技能如表一所示。
3.了解企业的培养要求。员工作为企业的关键部分，在对其准员工的培训中要注意所就业企业文化、企业内涵及非智力因素等需要的需求，在课程体系的建设中要处理好素质、知识、能力与技能的关系。
（二）典型工作任务分析与归纳
岗位工作任务的分析与归纳主要是描述一项完整的工作行动，包括计划、实施、评估整个行动过程。在实际工作过程中，岗位工作任务繁杂而又零碎，不能全部照搬至教学过程中，因此，在学校的教学设计需要邀请企业专家，会同专业教师对教学过程中开展的工作任务进行归纳总结。而在总结时，要紧扣“典型”二字进行，即典型工作任务分析与归纳的来源依据是繁杂而又零碎的岗位实际工作任务，但是要将岗位工作任务进行科学合理的汇总、归纳、合并等。并且归纳后的典型工作任务应与后续学习情境的设计相关，使“典型工作任务”成为贯穿全课程的实际工作项目，成为课程知识教学开展的重要载体，例如，接触网工岗位的典型工作任务如表一所示。
（三）划分行动领域和转化学习领域
分析与归纳典型的工作任务后，首先应通过整合，将工作任务划分为行动领域，然后以此为基础开发学习领域。行动领域是某一类典型工作任务的集合和集中体现。行动领域的划分即将某一类工作过程、方法、对象、成果相似的典型工作任务进行归类并对其进行描述，例如接触网网工岗位的典型工作任务有21项，但经过归类划分后形成了6个行动领域，如表一所示。通过对行动领域进行工作内容分析和所需具备的能力分析，则可相应开发与之对应的学习领域。开发学习领域即开发课程，具体就是为了形成相应的行动领域的职业能力，确定学习目标和学习内容。
（四）构建课程体系
各岗位所对应的专业学习领域确定后，就可以整合构建专业课程体系。课程体系包括基本素质课程、职业能力培养课程、职业素质拓展课程和职业综合能力课程，如图一所示。
基本素质课程的设置主要是促进学生全面发展为其职业生涯打下坚实的发展基础，并为后续课程提供支撑。电气化铁道技术专业基本素质课程包括公共素质课程和专业基础课程。公共素质课主要由语文、高等数学、计算机基础、外语等课程组成。专业基础课主要由机械制图、电路分析基础、电子技术基础、铁道概论、高电压技术、电气工程CAD、钳工技能实训等组成。
职业能力培养课程是学生从事各职业岗位工作任务、掌握岗位核心技能的基础。在课程的归纳和整合中，按照岗位核心能力描述典型工作任务归纳与分析确定行动领域转化学习领域的思路进行。电气化铁道技术职业能力培养课程包括接触网、牵引变电所、牵引供电系统分析、变电所综合自动化技术、配电线路、牵引供电系统继电保护、电机与电气控制技术等。
职业综合实训课程是为学生综合掌握专业面向工作岗位体系的技能及具体岗位完整的工作行为而进行的综合性技能训练。电气化铁道技术专业职业综合实训课程包括接触网工技能考证培训、电力线路工技能考证培训、接触网综合实践、牵引变电所综合实践、顶岗实习等。
职业素质拓展课程主要为学生提供各方面的选修课程，为学生就业和就业后岗位升迁、拓展所需的知识、技能提供必要的知识储备。电气化铁道技术专业职业素质拓展课程主要包括牵引供电规程与规则、电工考证实训、动车组技术。
三、结语
构建适合专业特色的课程体系是制定人才培养方案的重中之重，因此，作为岗位特色非常明显的高职电气化铁道技术专业，在专业构建时应以毕业生面向的工作岗位为基础，以“以岗导学”的人才培养理念为理论依据，通过企业调研、典型工作任务分析与归纳、划分行动领域和转化学习领域、构建课程体系等步骤构建课程体系。
参考文献：
[1]黄欣萍.用“以岗导学、岗学融合”原则构建高职铁道通信技术专业课程体系[J].郑州铁路职业技术学院报，2014，26（01）：53-56.
电气化铁道论文范文4
【关键词】接触网；故障分析；可靠性
1.接触网主要故障分析
1.1空间结构尺寸方面故障
接触网不仅要保障向电力机车提供的电流质量良好，而且还要保证在规定的空间几何位置上接触悬挂能牢固地接触，保证受电弓从接触线上取流能平滑并且质量良好。由于机车受电弓有限的宽度和愈来愈快的运行速度，一旦接触网的技术参数发生变化或接触悬挂上零件脱落的情况发生，就会给电力机车或电动车的运行带来很大障碍，严重的情况下还会造成弓网故障。受当时条件限制，建设初期标准偏低的接触网已经不能很好适应当今铁路发展形势，导线质量不一，时常发生断线状况，疲劳耗损较为严重。
1.2绝缘方面故障
绝缘是接触网这一特殊的高压供电设备的重要技术指标之一，接触网不同于地方的供电线，距离机车近且悬挂高度较低，常常遭到环境和混合牵引的机车的污染，具有相当大的绝缘难度。根据绝缘介质来划分，接触网的绝缘主要包括绝缘体绝缘和空气间隙绝缘两种，接触网的正常运行会受到任何一方面放电的影响。鉴于我国设计方面和特殊的自然环境的原因，整个故障占比例较高的就是绝缘方面的故障，其影响范围也较广，应该得到较为严肃认真的对待。
1.3电气联结方面故障
因事先难以发现并且具有严重的危害性，电气烧伤故障作为铁路电气化接触网设备的一类故障，已引起供电运营检修部门的高度重视。由于接触网设备主要在力与电的双重作用下工作，所以接触网故障的主体由机械故障和电气烧伤故障构成。由于接触网运行时间长久和不断增加的牵引运能，越来越突出设备的电气烧伤现象已得到检修部门的关注。供电运营单位为确保供电安全的一个重要任务就是预防和防治接触网设备发生电气烧伤故障。
2.接触网可靠性发展状况
“受流质量、安全可靠、景观设计”是接触网需要解决的三大问题，可靠性列在其中。高速铁路由于具有系统本身结构复杂、设备繁多、任务繁重等特点，一旦出现事故，波及范围及社会政治经济影响都很大，研究接触网的一项重要课题就是研究其供电可靠性。高速铁路的供电可靠性也因高速客运专线铁路的大规模兴建而倍受关注。可靠性工作受到国外的电气公司与各种国际机构（如IEC、IEEE等）的高度重视，专职的可靠性工程师在一些著名的电气公司或可靠性管理部门非常常见。不管有些产品有无规定可靠性指标，公司内部都会开展可靠性研究工作，国外各公司间竞争的一个非常重要的手段就是产品可靠性的高低。国外也有着活跃的可靠性学术交流，目前国际上已将传统的可靠性评估扩展为RAMS评估。该项评估包括对系统可靠性（reliability）、可用性（availability）、可维护性（maintenance）和安全性（safety）的全面评估。现在有关铁道的RAMS国际标准已由最早的EN50126：1999上升为IEC62278：2002。有许多涉及到可靠性的国际学术会议，例如，IEEE霍姆接触会议（每年召开一次）、国际可靠性物理学会议（每年召开一次）、国际电接触会议（每年召开一次）、国际可靠性与维修性会议（每年召开一次）等等。
可靠性理论在我国只有30年的引进历史。我国于1976年了第一个可靠性行业标准《可靠性名词术语》。第一个可靠性国家标准于1979年。80年代，我国在IEc/Tc56有关标准和美国军工标准作为参照下，制定了一批可靠性标准，基本完成了可靠性基础标准配套工作。90年代以来，产品的可靠性工作受到机械工业系统的高度重视，产品的可靠性标准（包括可靠性试验方法）和质量标准中的可靠性指标已经得到普遍使用。1990年，机械电子工业部在《加强机电产品设计工作的规定》第二十四条作出明确规定：新产品鉴定定性时，必须有可靠性试验报告和设计资料。在铁道方面，制定了（113/T1335―1996）《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》。进入21世纪后，（G1150068-2001）《建筑结构可靠度设计统一标准》在建筑领域正式形成。将可靠性原理方法与供电系统科学结合，电气化铁道的供电可靠性评估采用最科学经济的方法充分发挥电气供电设备的潜力，保证铁路运行所需的连续不断电力。
3.接触网可靠性分析的方法
人们根据可靠性分析结果对系统进行评价，发现了许多可靠性分析方法。确定性方法和概率性方法是计算可靠性方法的两大类。概率性方法按照所使用的数学工具又可以分为：解析法和模拟法。确定性方法可用于在预期故障发生的情况下研究系统可靠性水平。以前常用的系统N-1或N-K安全性检验，就是评价确定性可靠性的常用方法。此方法具有考察的状态数有限、能详细而精确的描述每个考察状态的优点。缺点是在于这些状态表的生成受技术人员的经验的决定，有可能漏掉状态，而且状态的严重程度也可能不能察觉的随时间变动。对系统的安全性进行粗略估计可以采用确定性方法的计算结果，改进薄弱环节，但它只能进行一些故障阶数较少的故障类型的事故后果的预想，而且不能预测事故发生的可能性具体有多大。近年来，概率性分析方法已逐渐取代确定性可靠性评估方法。
根据零部件故障和修复的统计值，概率性方法可以计算出系统和节点的运行参数变化区间和风险指标，从而对系统的可靠性作出较为全面和客观的评价。概率性可靠性评价方法分为解析法和模拟法两种。解析法对零部件或系统的寿命过程进行合理的理想化，并将这一寿命过程用数学模型描述，如用指数分布等。再通过运算来求解，得出可靠性指标。网络法、状态空间法和故障树分析法是解析法的常用方法。
在系统设计过程中，通过对系统各组成部分的潜在的故障模式分析，对系统功能的影响分析，按严酷程度对每一个潜在故障模式进行归类类，总结出可采取的预防措施来促进系统可靠性的提高。
4.结语
随着列车不断提速以及电气化铁道运营范围的不断扩大，对接触网可靠性有着越来越高的要求。因此，分析我国的接触网系统故障情况并探讨如何提高接触网系统可靠性显得极为重要。
【参考文献】
[1]李雪，吴俊勇，杨媛.京津城际高速铁路接触网可靠性维修研究[C].2010铁路电气化新技术学术年会论文集，2010.
电气化铁道论文范文5
关键词：牵引供电系统；城市轨道交通；贯通供电；交流传动
中图分类号：F407文献标识码： A
Primary Study on ANew Type of Traction Power Supply System
Abstract: Based on the research achievements on AC and DC traction power supply system,to analyze the existent problems, a new type of traction power supply system was proposed.The basic structure, selection of voltage level and frequency were presented. By analyzing the performance and future development of this system, a conclusion was obtained: the system which couldovercome the shortcomings of stray current, negative-sequence current and phase splitting in the existing traction power supply system.
Key words：traction power supply system；urban rail transmit；transfixion power supply；AC drive
0 引言
随着我国城市化进程的不断推进，城市公共交通拥挤和环境污染问题将越来越严峻。在这特定历史条件下，城市轨道交通成为了必然选择。城市轨道交通包括地铁、轻轨和有轨电车等公共交通方式。目前，城市轨道交通项目大多采用电力牵引。为了缓解能源需求和环境污染的矛盾，如何提高电力牵引运行效率成为了当下的一大研究热点。
自1879年第一条电气化铁路问世以来，经过一个多世纪的发展，电力牵引供电技术已经相当成熟。电力牵引供电主要有直流、三相交流、单相低频交流和单相工频交流四种电制。然而，以上各种电制都存在一定的弊端。因此本文提出了一种介于单相工频电流电制和直流电制之间，而又区别于传统低频交流电制的，能扬长避短并根据自身需求可选择供电频率的低压低频牵引供电系统。该系统既克服了直流电制存在杂散电流（大地迷流）的电化学腐蚀和直流电弧不易切断两大难题，又解决了工频交流电制产生的负序电流和电分相问题。此外，低频供电可大大降低牵引网的电压损失，有效地提高了电力牵引的运行效率。
1 牵引供电系统现状分析及存在问题
世界上第一条电气化铁路采用150V直流电制，在此后的发展历程中，电力牵引供电制式经历了低压直流、三相交流、单相低频交流和单相工频交流的演变过程。其中形成了以750V、1500V和3kV三个电压等级为主的直流牵引供电制式。1915年后，法国、瑞士采用了3.6kV三相交流电制，以及以德国、瑞典为代表的北欧国家开始采用11kV、15kV的16 2/3Hz单相低频交流电制。1932年，匈牙利在布达佩斯-黑基也什霍洛姆铁路上首次采用了16kV的单相工频交流电制。此后以电压等级为25kV的工频单相交流电制在电气化铁路中占据了主导地位，在世界电气化铁路历程中所占比高达39%。
我国电气化铁路发展起步较晚，主要是吸收了国外电气化铁路发展的经验。目前，干线电气化铁路普遍采用25kV单相工频交流电制；在城市轨道交通领域主要采用750V、1500V直流电制，其中对于大运量线路大多采用1500V，中小运量线路采用750V。20世纪80年代以后，我国大力建设电气化铁路，迄今为止，我国电气化铁路里程以跃居世界前列。自1998年以来，我国先后开工建设了20多个轨道交通项目。为了有效推动城市轨道交通的发展进程，1999年国家计委提出城市轨道交通全部车辆和机电设备的平均国产化率要确保不低于70%。在国产化政策的带动下，我国城市轨道交通建设也进入了飞速发展的阶段。预计到2020年，我国铁路运营里程将达到12万公里，其中电气化铁路比重将达到60%；城市轨道交通线路达到177条，总里程6100公里。
目前我国已基本掌握干线电气化铁路和城市轨道交通电气化设计、施工、技术维护，但现存牵引供电系统仍存在一些问题。为了深刻理解单相低频交流供电制式带来的优势，对直流和交流供电制式进行分析，分别总结两种电制存在的不足之处。其中直流电制主要存在以下两个方面的问题[1-5]：
（1）杂散电流的影响。选择直流电制，采用钢轨回流，则必然产生杂散电流。杂散电流对道床钢筋结构、隧道内钢筋结构和沿线的金属管线等金属设施都将产生电化学腐蚀。此外，杂散电流还可能对地下石油管道、天然气管道等造成潜在安全隐患。尽管，目前对于杂散电流有一定的防护措施，但是治理和维护的难度大、成本较高，并且无法根本消除杂散电流的不良影响。
（2）直流保护成本问题。直流电弧灭弧一直是直流保护的技术难题。由于直流电不存在过零点，导致直流灭弧技术难度较大。目前，ABB、Siemens和Schneider等几大电气设备生产商已经具备生产高压直流断路器的能力。但是直流断路器结构复杂，造价高，使用寿命短。目前为止，我国直流断路器主要是依赖进口。
对于交流供电制式，包括低频交流和工频交流，其中低频交流需要独立电源，这种供电制式不符合中国国情。目前我国所采用的是25kV工频交流电制，主要存在着以下三个方面的问题[6-10]：
（1）负序电流及谐波对公共电网的影响。由于电力牵引负荷具有非线性和不对称性的特点，它将产生的三相不平衡负序电流和高次谐波注入到三相对称的公共电网中，会导致发电机转子过热、电力变压器寿命缩短、输电线路损耗增加和电缆寿命缩短、继电保护装置误动、安全自动装置无法正常切投等一些列不良影响。
（2）牵引网电压稳定性问题。电力机车对牵引网电压水平的要求一般为19～29kV。实际上牵引网电压波动很大，往往超出了网压水平的要求范围，其中电力机车负荷冲击对网压波动的影响最为明显，牵引网电压损失也是影响网压水平的重要因素之一。这对于电力机车正常运行将造成不利影响。
（3）电分相问题。受供电臂距离的影响，由于各供电臂相位不一致，所以设有相间绝缘保护段，即电分相，该供电死区长度约为30m。电力机车在经过电分相时，需要退级、关辅助机组和主断路器，惰行通过供电死区后逐项恢复。列车运行中每隔20km左右就需要通过一个电分相，如此频繁复杂的操作这对于司机而言难度较大。此后，便产生了自动过分相技术和同相供电技术。前者或技术复杂或性能一般且可靠性较差；后者则价格昂贵，可靠性也需进一步提高。
由此可见，无论是采用直流电制还是工频交流电制，都将面临一系列的难题。虽然在克服这些难题的领域上取得了长足进步，但问题仍没有得到理想的解决。因此，在吸收了现有牵引供电系统优点的基础之上，本文提出了一种新型低频牵引供电系统，有效地规避了上述种种问题。
2 低压低频牵引供电系统
2.1 低压低频牵引供电系统结构
该低压低频牵引供电系统是在现有直流牵引供电系统的基础上，借鉴了交流电制的优点而提出的。目前，直流牵引供电系统是从三相公共电网取得电能后，通过牵引变压器降压后再由多脉波整流器转换为750V/1500V直流电，并由牵引网进行电能传输，电力机车通过受电弓从牵引网上获取电能[11]。低压低频牵引供电系统是将多脉波整流器换成了三电平变频器，由它转换为低频的单相交流电为电力机车供电，电压等级应根据大功率变频器技术水平和设备成本而定，其供电网络的结构流程图如图1所示。公用电网三相交流电网经过牵引变压器降压之后经变频器变频为单相低频交流电在牵引网上传输，机车受流后通过车载变压器降压给交流电机供电。
图1 低压低频牵引供电网络结构流程图
2.2 电压等级的确定
电压等级是指牵引网电压的大小，它对于机车动力、供电距离和工程造价有重要影响。确定电压等级不仅仅要考虑经济因素，还需要综合实际线路的运量以及设备的可靠性和技术水平等因素[12]。随着城市规模的不断扩大，城市轨道交通线路客流越来越大，对于机车运量的要求也越来越高。由于城市轨道交通线路多为地下隧道且车站属于开放式，出于对绝缘水品和安全性的考虑，城轨不宜采用过高的电压等级。综合以上种种因素，牵引网电压等级应确定在3000V～4000V左右。如此所需的变电所数量较少，可减少设备用房和设备投入；同时具有较长的驱动距离，即使是特大城市中站间距离较长的远郊线路，也能满足其供电要求。
2.3 频率的确定
低压低频牵引网交流电流频率主要由机车调速系统特性、继电保护故障切除时限和牵引网阻抗等决定的。为了保证机车正常运行和降低牵引网感抗，将牵引网供电频率确定在1/10~1/3工频之间，且满足：牵引网故障切除时限=继电保护动作时间+半个周波。采用低频供电，相比于工频电制，牵引网感抗可降低数倍，能有效减少网络损耗和提高电压水平。2.4 性能分析
低压低频交流供电系统主要是适用于城市轨道交通领域。与现有牵引供电技术相比，具有以下几个方面的效益：
（1）利用变频器的三相变流技术，不在公共电网产生不对称负序电流和谐波等污染。
（2）利用变频器对公共电网和牵引侧的隔离作用可以把各个牵引变电所的牵引网联通，实施贯通供电，不存在电分相的问题。
（3）克服了直流电制存在杂散电流及其对沿线的金属设施产生电化学腐蚀、故障时直流电弧不易切断等固有技术问题，避免杂散电流治理费用和直流断路器的高额投入。
（4）正常工作时，采用低频可大大降低牵引网的电抗，从而减小电压损失；故障情况下，牵引网的电抗可抑制短路电流及其对供电设备的冲击。
（5）采用3000V～4000V左右的等级可减小工作电流，降低牵引网电压损失，增大了供电距离，减少牵引变电所的数量和建造成本。
低压低频交流牵引供电系统继承了交、直流两种电制的优点，同时规避了它们各自的不足之处。
3发展低压低频交流牵引供电系统的有利条件
在技术层面，如今电力电子技术不断革新，尤其是高压大功率变频器和交流传动技术水平的飞速发展为低压低频交流牵引供电系统的实施提供了技术支持[13]。目前，6000V大功率变频器技术成熟，设备可靠性较高，可实现大规模应用。1979年，德国开发了世界第一台大功率交流传动电力机车。交流电机具有体积小、质量轻、功率大、制造和维护成本低、牵引性能优异等优势。因此交流传动在欧洲等发达国家迅速推广，目前在全世界已得到广泛应用。在以变流器为主电路的交流传动技术的今天，采用低频交流供电也符合社会发展的趋势[14]。
在政策层面，我国不断推进城市轨道交通建设进程，在线路建设和机电设备国产化方面投入大量资金。我国自主研发的DJ2型“奥星”、DJF1型 “中原之星”、DJJ2型“中华之星”、“天梭”电力机车、国产化地铁列车等都采用交流传动技术[14]。北京利德华福公司开发的7500kW/10kV高压变频器已在济南钢铁投入运行。由此可见，若低压低频交流牵引供电系统得以实施，机车与机电设备都将可基本实现国产化。此外，该系统符合国家打造“绿色交通”的理念，适应社会的发展潮流。
低压低频交流牵引供电系统具有良好的适应性，具体体现在两个方面：该系统适用于地铁、轻轨和有轨电车等城市轨道交通供电，既可采用一线一地式又可采用双线式；可对既有线进行相应改造，也适用于新线建设。
随着设备的国产化和规模化生产，低压低频交流牵引供电系统的设备成本必将大大降低，同时还省去了昂贵的直流断路器，以及杂散电流防护等一系列设备，使得该系统具有较好的经济性。低压低频交流牵引供电技术较好地解决了现有牵引供电系统存在的技术难题，同时又能有效提高运行效率，降低运营成本，是一种理想的城市轨道交通牵引供电系统[15-17]。美中不足的是存在工作电流较大（相对于电力电子设备而言）的问题，在变流技术和制造技术进一步发展以后，可采用4000V甚至更高的电压等级，可一定程度上减小工作电流同时减少牵引变电所的数量。
4实施低压低频交流牵引供电系统面临的关键问题
低压低频交流牵引供电系统具有明显的技术优势，但是要实施该系统仍将面临以下三个关键问题：
（1）缺乏工程实施经验和相关规范。
（2）要实施贯通供电，需要解决长距离分布式变频器同步控制的难题。
（3）采用低频交流供电，机车变频调速系统需要做相应调整，改善调速系统在低频状态下的调速特性和动态品质指标，以保障机车的低频运行性能。
5结论
低压低频交流牵引供电系统这一构想全面解决了现有牵引供电系统存在的难题。本文从技术条件、性能指标、经济性等方面进行论证，得出了以下结论：
（1）该系统作为理想的城市轨道交通牵引供电系统，具有一定的研究意义。
（2）以目前的技术水平，该系统具有一定的可实现性，同时具有较高的现实意义。
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电气化铁道论文范文6
关键词:电磁型悬浮列车;动力学;综述;弹性轨道
在磁悬浮列车系统中,列车和轨道是互相作用的,稳定的悬浮状态[1]。1939年,Braunbek对此作了物理悬浮气隙的变化量由气隙传感器测出传给控制系统,剖析:唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁控制系统调整磁铁电压,使电磁力相应变化,实现悬浮结构与相应的磁场分布实现稳定悬浮[2,3]。为使磁力气隙调整。正常运行时,电磁型悬浮列车的悬浮高度能够用于稳定的自由悬浮,必须根据物体的悬浮状态不超过1cm,对气隙的波动非常敏感。然而,由于负连续不断地调节磁场。利用受控的磁吸引力来进行悬载变化、驱动加速度或减速力、空气动力、轨道弯度、坡浮是由Graeminger首次提出的。电磁型悬浮列车是道和不平整等原因产生的外部扰动力,以及控制系统利用受控直流电磁铁进行悬浮,这一技术是目前世界本身固有的非线性及传感器的测量误差等原因产生的上最先进的。它不仅用于磁悬浮列车系统,还可用在内部扰动力,都会引起气隙的变化。因此,将磁悬浮列轴承、陀螺以及磁悬挂天平等磁悬浮装置中。车和轨道作为一个整体来研究是十分必要的。下面就电磁型悬浮列车在车体内装有电磁铁,轨道为导电磁力、转向架、列车与轨道耦合动力及稳定性方面的磁体,车辆和轨道构成长定子同步电机,车辆为转子,问题阐述如下。电磁铁绕组中的电流大小根据气隙传感器的信号进行调节,悬浮力的大小与车速无关,任何速时均能保持稳定的悬浮。车身前进的动力由直线感1842年,Earnshow证明了仅仅用永久磁体是不应电机(或直线同步电机)提供。因此,电磁铁的电磁能使一个铁磁体在所有6个自由度上都保持在自由、力和力矩特性对列车的影响是基本的。
1磁场与承载能力
1.1波器的输出电流;另外,热损耗、漏磁通、磁心和导轨中的磁阻也会影响单铁力的大小。文献[4]针对轨道转弯处或轨道不平处电磁铁与导磁轨发生倾斜的情况,提出了小滚动下电磁铁的计算公式。文献[5],以保角变换和无穷级数理论为基础,在电磁铁为无限大导磁率的非饱和磁性材料、电磁铁与反应板表面磁势为常值的假设下,提出了在较大滚动条件下升力、侧向力及滚动力矩计算的新方法。
2转向架
磁悬浮列车进入实用阶段,不可避免的问题是转向问题。日本关于HSST21001型磁悬浮列车进展报告中[6],有近1/4的篇幅涉及转向架机构,但目前几乎看不到有关的理论分析和设计资料,仅有一些概述[7,8]。悬浮系统与车厢的支撑关系,经历了3个研究阶“飞行器结构”“磁轮结构”及“转向架模块结段:、构”[9]。早期的悬浮理论是建立在飞行器的运行原理上,把磁悬浮列车看作为刚体自由度运动,在车厢底板上直接固定4块电磁铁,用偏航、仰俯、滚动等概念来描述和控制磁浮列车运动。德国的TR201型、日本的HSST201型、我国的KDC2I型都采用了这种理论。这种结构在低速时,矛盾并不突出,但速度稍有提高时,问题就很严重,如TR204型,原设计速度为250km/h,但速度临近200km/h就发生严重的振动、摇摆,出现悬浮不稳定的现象。“磁轮结构”的磁浮列车,每个悬浮单元在悬挂方向上是自由的,可由悬浮控制系统独立控制,能够适应不同的轨道平面,如德国的TR205型、TR206型磁浮列车。“磁轮”结构完全保证了电磁铁之间的运动解耦,同时也保证了车辆的曲线通过能力。在一定程度上,
“磁轮”概念是在“飞行器结构”概念碰壁以后从一个极端走到另一个极端。“转向架模块结构”是前二者的折衷,如HSST型的悬浮系统,在悬浮方向和导向方向无机械的约束,日本HSST203型实现了5个自由度模块悬挂。TR207型和TR208型也采用了这一概念。
H.Yoshioka等在文献[10～13]中介绍了山梨磁悬浮试验线MLX01型磁浮列车车辆结构的有关细节,给出了试验车辆转向架简图,并进行了两组车试验,分析了车辆动力学性能,包括悬浮性能、横向定位及稳定性能。
赵志苏等分析比较了磁悬浮列车3单元、4单元、5单元转向架的几何结构和转弯时的运动关系[14],认为:①在同一车厢长度的条件下,应选用5单元结构转向架;②从简化结构和缩短导向滑槽长度角度,应选用3单元结构转向架;③从减小进入弯道时的冲击角度应选用4单元结构转向架。上海磁悬浮列车是德国TR208型的改进型,每节车由4个完全相同的磁浮架连接而成,每个磁浮架由2个相同的模块组成,每个模块上由4个电磁铁和一个推进电机组成,具有独立悬浮、导向与推进功能[15～17]。
3磁悬浮列车2轨道动力学
在磁悬浮列车推进技术研究中,人们发现许多磁悬浮列车特有的现象,例如:德国的TR204型及日本的HSST204型在实验中发现:①运行时车体发生结构振动;②双面直线电机引起侧向不平衡;③在钢架桥上悬浮时与桥架一起振动,而在混凝土桥上则无此现象[18,19]。上海磁悬浮试验车在调试时,就发现了车辆与钢梁共振的现象。
认为轨道是刚体,列车悬浮系统与轨道之间没有耦合关系,故不考虑轨道对车的影响,这在轨道刚度系数很大的实验室内模型车分析时具有足够的精度。但实际线路中,轨道是有弹性的,轨道存在振动。引起振动的原因有:①当磁浮车通过轨道时,引起轨道在垂直方向上的静态弯曲;②由于轨道梁和悬浮系统间相互作用而引起的轨道动态弯曲;③由于轨道梁的连接和轨道表面引起的几何不规则。因此,轨道的弹性振动和动态变形必须要考虑。
评定磁悬浮列车运行品质的一个重要指标是保证磁悬浮列车能够在各种扰动作用下具有平衡稳定的悬浮。由于磁浮列车的车厢是通过弹簧、阻尼系统与磁悬浮转向架联结的,分析测试悬浮体与二次悬挂体质量、运行速度、轨道长度、磁轮长度、轨道阻尼等对磁悬浮系统的动力特性的影响,研究车厢、悬浮转向架与弹性轨道之间的耦合动力特性是必要的。
轨道的弹性变形对列车的安全和动力特性的影响是目前磁浮列车研制中所关注的主要问题之一。悬浮力作用下的轨道动力学问题最初由Chiu等人[20]提出,Meisenholder及Wang[21]和Katz等人[22]做了初步研究,给出了轨道变形特性。Chu和Moon[23]提出考虑横向2自由度(横移和摇头)的模型,理论和实验证明出现了离散现象。Chiu等[24]和Katz等[25]研究了磁力作用下轨道梁的特性。Cai等人[26,27]又在Katz模型基础上建立了多体、多载磁悬浮列车与弹性轨道耦合的动力学模型,定量揭示了车体垂向加速度、车体所装磁体组数、列车车体个数及运动速度等对轨道动力变形和列车动力特性的影响规律。在这些研究中,悬浮磁力多数是通过等效线性悬浮刚度来描述的,弹性轨道对动力控制稳定性及其动力特性的影响还不清楚,未能完整地反映出磁悬浮系统的动力特性。谢云德等在分析EMS列车系统结构特性的基础上,建立了铅垂方向的动力学模型,仿真分析了弹性轨道、悬浮电磁铁、弹簧及液压阻尼对系统频带和刚度的影响[28]。
针对车厢、悬浮转向架与轨道之间的耦合动力特性,武建军等通过对弹性变形轨道上2自由度磁悬浮列车耦合系统动力特性的数值研究,讨论了系统特征参数(悬浮体质量、运行速度、轨道长度等)对磁悬浮系统的动力学特性的影响方式,并分析了弹性轨道变形特性[29]。根据数值仿真结果,得出系统受控稳定性情况下的控制参数。谢云德等建立了轨道梁有限单元的动力学方程组,对轨道结构参数与频率、振型、极限速度之间的关系作了初步探讨,分析了车轨耦合系统发生自激振荡的原因,并对单铁加载试验过程中出现的自激振荡现象作出解释[30]。Y.Zhang等[31]根据机械悬浮车辆的实际参数,用随机振动理论对HTS型磁浮车进行了动力学分析,建立了简单的模型。这篇文献同样侧重数值仿真。S.Ohashi等[32]计算了有3个车厢、4个转向架的电磁式和电动式磁悬浮列车通过曲线时的位移和扭矩。
文献[33]中,XiaoJingZheng等将车辆的运动、轨道振动和控制系统相结合,针对5个自由度的二次悬挂体系的动力特性做了数值分析,并具体分析了在系统稳定时垂向和摇头运动的干扰范围和控制参数。分析表明,列车与轨道耦合系统的特性若忽略轨道变形,其结果是不同的。
4控制系统动力稳定性分析
磁悬浮列车的稳定性分为悬浮、导向和驱动3个方面。对电磁悬浮列车而言,由于电磁吸力与悬浮间隙的平方成反比关系,使得电磁悬浮系统本身存在固有的不稳定性。同时,磁悬浮列车的负载变化大,工作环境复杂,要求有控制能力强并对模型和参数变化不敏感的非线性控制系统与之相匹配。磁悬浮列车系统是多磁系统,它与单磁系统不同,当电磁铁提供最大升起力时,磁铁处在“力-距离特性曲线”中非线性部分。控制系统的增益与特性曲线上工作点的斜率成正比。因此,工作条件的变化将大大降低系统的瞬时特性,甚至会破坏稳定性。多磁系统还存在机车底盘上的磁铁多种机械解耦和各磁铁控制系统的机械解耦。因此,电磁型磁悬浮列车的稳定控制是很困难的。
在文献[20～22,26]中,动力控制系统往往被简化成等效弹簧,忽略了轨道变形对实际控制系统动力稳定性的影响。Meisenholder和Wang[34]曾用Laplace变换方法研究了刚性轨道的磁浮体铅直运动的稳定性[35]。周又和等[36]研究了悬挂式电磁悬浮体在铅垂方向运动的动力控制稳定性问题,对刚性轨道上的磁浮控制问题给出了控制参数的稳定区域。对于考虑了轨道弹性的磁悬浮动力系统,在对弹性轨道采用了振动模态函数展开后,其动力系统可由周期变系数的线性常微分方程组所描述。目前,对周期变系数线性常微分方程的动力稳定性分析多数是建立在Floquet理论基础上的[37～39]。陈予恕等指出在动力系统中,Lia2punov特性指数作为相邻轨线间的平均指数发散或收敛的指标,在研究系统混沌运动方面有重要作用[40]。
KruzerE发现,Liapunov特征指数等于其系数矩阵特征值的实部,当常系数线性常微分方程动力系统的所有Liapunov指数小于零时,动力系统是稳定的,否则,动力系统是不稳定的[41]。这一方法,避免了求解全部特征值后才能判别动力系统稳定性的不便。但对于由周期变系数线性常微分方程组描述的动力系统,没有给出用Liapunov特性指数判别系统稳定性的依据。周又和等针对这个问题,建立了特性指数与由理论得到的变换矩阵特征值之间的对应关系,并给出了用特性指数判别磁浮列车控制系统稳定性的方法[42]。
5结论
在磁场与承载能力的研究方面,在诸多文献中,单铁力的计算多是简化方法,忽略了漏磁通、磁心和导轨中的磁阻。然而,磁悬浮列车高速运行时产生的电磁阻力,将降低有效悬浮力,产生额外的磁势要求,并影响控制系统。电磁阻力的大小还直接影响到直线电机的驱动功率,对整个系统的运行经济性也有一定的影响[43]。建议:①在单铁力的计算中,考虑热损耗、漏磁通的影响,分析磁阻对有效悬浮力的影响;②在此基础上,建立在轨道平曲线和竖曲线处或轨道不平处,单铁力在垂直方向以外的力和力矩的计算公式和方法。
在磁悬浮列车动力学研究方面,主要集中于分析测试控制参数和系统特征参数对磁悬浮系统的动力特性影响。弹性轨道对动力控制稳定性及其动力特性有影响,这一点已为人们所接受。在研究磁力作用下轨道梁的特性基础上,建立了磁悬浮列车与弹性轨道耦合的铅垂方向的动力学模型。事实上,磁悬浮列车是一个复杂的多体系统,运动规律很复杂,除侧滚外(防侧滚梁限制),还有伸缩、侧移、升降及摇头、点头5个自由度,仅建立铅垂方向的模型不足以反映列车的运动状态。文献[33]中XiaoJingZheng等虽然针对5个自由度的二次悬挂体系的动力特性做了数值分析,但主要侧重于控制方面。
建议:①建立能反应每节车厢由4个完全相同但又独立控制的磁浮架的动力模型;②分别假设车厢为刚性和柔性,数值仿真模型列车通过平面曲线和竖曲线的情况;③分析悬浮列车启动时,列车与轨道共振的力学原理。
控制系统动力稳定性分析方面,主要根据系统动力特性的数值研究、数值仿真结果,得出系统受控稳定情况下的控制参数。在上述文献中,都没有考虑磁阻力的情况,也没有考虑诸如负载变化、强侧风、轨道附近有振(震)动源(诸如建筑工地打桩)、外界磁场波动等对磁浮系统的影响。在磁悬浮气隙不超过1cm,气隙波动控制在1mm的情况下,这些因素是否不予考虑,有待商讨。
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