（载运工具运用工程专业论文）受电弓系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 发展高速铁路是铁路现代化建设的必然趋势。而高速铁路均采用电力牵 引，高速列车必须在高速运行条件下可靠地从接触网上取得电能，否则将影 响列车运行和电气驱动系统的性能。高速电气化铁路关键技术之一是如何保 证在高速运行条件下具有良好的受流质量。随着既有线的提速改造和高速客 运专线的加快建设，弓网系统的问题日益彰显。 本文从提高受电弓的运动学和动力学性能以改善弓网关系，提高受流质 量的角度出发，主要完成了以下内容： 首先，用拉格朗日方程推导了受电弓的垂向非线性运动微分方程，对非 线性的受电弓模型进行了线性化处理，并研究了各杆件参数对框架归算参数 的影响规律。通过对各个杆件受力分析，运用牛顿定律推导牛顿一欧拉方程， 求解此方程得到杆件内力，为受电弓杆件几何参数设计提供依据； 其次，在建立受电弓框架结构的几何关系模型的基础上，根据列车平稳 受流对受电弓机构提出的具体要求，以弓头平衡杆的平动为目标，以受电弓 机构正常工作所要满足的条件为约束，对受电弓机构几何参数进行了优化， 得到了使受电弓性能达到最优的几何参数。通过优化提高了受电弓的运动学 性能。 第三，为保证良好的受流质量，新型高速受电弓大量采用轻型合金材料 制作，这可能导致机械强度和刚度的不足。文中结合受电弓的开发过程，建 立三维模型，利用有限元计算软件a n s y s ，进行受电弓的横向刚度分析、整 体强度和动力特性分析，对受电弓的设计具有指导意义。通过对受电弓有限 元分析，进行虚拟设计，首次进行高速受电弓的整体结构特性分析。 最后，本文结合高速受电弓开发设计过程，为考虑受电弓上框架结构柔 性的影响，利用f e m b s 产生多体仿真需要的柔性体数据文件，借助有限元软 件a n s y s 和多体系统动力学软件s i m p a c k ，建立接触网受电弓耦合仿真平 台，比较了在不同速度下全刚体模型和考虑上框架弹性模型的接触力响应。 本文多体系统动力学技术首次建立了考虑上框架弹性的弓网耦合模型，取得 了有益的研究成果。 关键词：受电弓接触网；动态受流；刚柔耦合；多体动力学；有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 一_ _ 一 a b s t r a c t h i g h s p e e dr a i l w a y i sa ni n e v i t a b l et r e n do ft h er a i l w a ym o d e r n i z a t i o n c o n s t r u c t i o n a n dh i g h s p e e dr a i l w a ya l la d o p t se l e c t r i ct r a c t i o n t h ep a n t o g r a p h m u s to b t a i ne l e c t r i cp o w e rd e p e n d a b l y , w h i c hc a ni n f l u e n c et h et r a i nr u n n i n ga n d p e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cd r i v es y s t e m h o wt om a k et h ec u r r e n tc o l l e c t i n gq u a l i t y w e l li sak e yt e c h n i q u eo fh i g h s p e e de l e c t r i c a lr a i l w a y t h es e r i o u sp r o b l e mo f p a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e mi s o b v i o u sa f t e rt h er a i l w a yr e c o n s t r u c t i o nf o rs p e e d u p g r a d i n ga n dt h ec o n s t r u c t i o n o fh i g h s p e e dd e d i c a t e dp a s s e n g e rr a i l w a yi n c h i n a f r o mt h ea s p e c t so fc h a n g i n gt h er e l a t i o n s h i po fp a n t o g r a p ha n dc a t e n a r y i m p r o v i n gt h ec u r r e n tc o l l e c t i n gp e r f o r m a n c e ，t h ef o l l o w i n gm a i na s p e c t s a r e d i s c u s s e di nt h e s i s ： a b o v ea l l ，t h en o n l i n e a rp e r p e n d i c u l a rk i n e t i cd i f f e r e n t i a le q u a t i o n o f p a n t o g r a p h i sd e r i v e df r o mal a g r a n g ee q u a t i o n t h en o n l i n e a rm o d e lo f p a n t o g r a p hi sl i n e a r i z e da n dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a sa r eo b t a i n e d a tt h es a m e t i m e ，t h en o n l i n e a rm o d e lo fp a n t o g r a p hi s l i n e a r i z e dt oe s t a b l i s ht h ef u n c t i o n e x p r e s s i o n o ft h ee q u i v a l e n tp a r a m e t e r s ，a n de a c hm e m b e rb a rp a r a m e t e r s i n f l u e n c e se x e r t i n go nt h ee q u i v a l e n tp a r a m e t e r sw a ss t u d i e d t h e nn e w t o n - e u l e r e q u a t i o n i so b t a i n e df r o mn e 叭o n st h e o r yb yt h ea n a l y s i s s c h e m a t i co f p a n t o g r a p h ，a n dt h ee q u a t i o ni ss o l v e dt og e tc o n s t r a i n tf o r c eo fp i v o tp o i n t n e x t ，t h eg e o m e t r i cr e l a t i o nm o d e lo fh i g h s p e e dp a n t o g r a p hf r a m es t r u c t u r e i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h ed e t a i l e dd e m a n d s o fl o c o m o t i v e ss t a b l e c u r r e n tc o l l e c t i n gf o rp a n t o g r a p hm e c h a n i s m ，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o no ft h e t r a n s l a t i o no fp a n t o g r a p h h e a db a l a n c i n gb a ra n dt h ec o n f i n i n gc o n d i t i o n so f t h e d e m a n d sw h i c ht h ep a n t o g r a p hm e c h a n i s mm u s tm e e tt ow o r kp r o p e r l y , a r e d e t e r m i n e d t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h es i n g l eo b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e a n das e r i e so fp a r a m e t e r so b t a i n e do p t i m i z e d t h e p a n t o g r a p hp e r f o r m a n c e a l s o ，t h eo p t i m i z a t i o n r e s u l ti s a n a l y z e dt h o r o u g h l y k i n e t i cp e r f o r m a n c ei si m p r o v e db yt h eu s eo fo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e t h i r d l y , i n o r d e rt oe n s u r eb e t t e rc u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t y b e t w e e n p a n t o g r a p ha n dc a t e n a r y , t h ew i d eu s eo fn e wa l l o ym a t e r i a l s f o rh i g h 。s p e e d p a n t o g r a p hc a na l s oc a u s et h ed e f i c i e n c yo ft h em e c h a n i c a ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 h o wt oe n s u r es u f f i c i e n tm e c h a n i c a ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s sb u ts m a l le q u i v a l e n t q u a li t yt oi m p r o v et h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h ep a n t o g r a p hc a t e n a r ys y s t e mi sa s e r i o u sp r o b l e mo ft h ep a n t o g r a p hd e s i g n i nt h ed e s i g np r o c e d u r eo fp a n t o g r a p h ， t h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i v em o d e lo ft h ep a n t o g r a p hw a ss e tu pt oc h e c kt h e s t r e n g t ha n dr i g i d i t y , a n ds t u d yo nd y n a m i cp r o p e r t y , b yu s eo fa n s y s r e s e a r c h o nd y n a m i cp r o p e r t yi st or e a c ho p t i m u md e s i g np u r p o s eo fp a n t o g r a p hs t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n dc o n t r o li t sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e s ，s oi th a sag u i d a n c e m e a n i n gf o rt h ed e s i g no fp a n t o g r a p h t h ev i r t u a ld e s i g no ft h ep a n t o g r a p hw a s d o n eb yu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dt h ew h o l es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h eh i g h - s p e e dp a n t o g r a p ha r ea n a l y z e df o rt h ef i r s tt i m e a n df i n a l l y , i no r d e rt ot a k ea c c o u n to ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ee l a s t i c u p p e ra r m ，t h ei n t e r f a c ep r o g r a mf e m b sb e t w e e nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc o d e s a n dsi m p a c ki su s e dh e r et og e n e r a t ei n p u td a t af o rf l e x i b l eb o d i e sf o rm bs s i m u l a t i o n b yu s i n ga n s y s a n ds i m p a c k ( d y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r eo ft h e m u l t i b o d ys y s t e m ) ，r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n ga n a l y s i sp l a t f o r m o ft h e p a n t o g r a p h c a t e n a r yc o u p l i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e di nt h ed e s i g np r o c e d u r eo f h i g h - s p e e dp a n t o g r a p h n a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h er i g i db o d yc h a n g ew i t ha r c h s t i f f n e s si nd i f f e r e n to p e r a t i o n a lh e i g h tw e r er e s e a r c h e d ，a n dc o m p a r i s o no fr i g i d a n dr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm o d ea tt h es a m eo p e r a t i o n a lh e i g h tw a ss e tu p t h e r e s p o n s eo fc o n t a c tf o r c ea n dv i b r a t i o no fr i g i da n dr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gt h e p a n t o g r a p h - c a t e n a r ys y s t e m u n d e rd i f f e r e n t r u n n i n gs p e e d w a sc a l c u l a t e d r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm o d e lo ft h ep a n t o g r a p hw a ss e tu pf o rt h ef i r s tt i m eb a s e d o nm u l t i b o d yd y n a m i c s a n du s e f u lr e s u l t sw e r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：p a n t o g r a p h - c a t e n a r ys y s t e m ；d y n a m i cc u r r e n tc o l l e c t i n g ； r i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g ；m u l t i - b o d yd y n a m i c s ；f i n i t ee l e m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：暑异垒 日期： 铆勺、 黧师警弘呼 日期：c l 卯，j df l 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本论文首次采用混合罚函数法对受电弓框架几何参数进行优化，并且 将这一方法运用到新型高速受电弓的设计中； 2 本论文充分考虑受电弓各个杆件之间的铰接关系，首次利用a n s y s 对受电弓进行横向刚度分析、整体静强度分析和动力特性分析； 3 本论文首次利用s i m p a c k 和a n s y s 建立考虑受电弓上框架弹性的弓 网耦合模型，并对受电弓动力学参数进行分析。 学位论文作者签名：宕茅兰 日期： 砟、f 、汐7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，我国电气化铁路发展呈现出生机勃勃的繁荣景象【l - 2 1 。自1 9 6 1 年8 月1 5 日第一条电气化铁路一宝成线的宝鸡至凤洲段开通至今，4 0 多年来 电气化铁路营运里程已突破2 4 0 0 0 公里。9 0 年代来，我国先后修建了广深准 高速电气化铁路，对哈大线进行电气化改造，接着又修建了秦沈客运专线， 如今又在修建时速达3 0 0 - - 一3 5 0 k m h 的京沪高速铁路。2 0 0 4 年1 月国务院批准 了中长期铁路网规划，包括北京一上海等1 l 条高速客运专线共1 2 万公里 的建设【3 j ，其中”十一五”期间将修建高速铁路7 0 0 0 公里。“十一五”期间，既 有线电气化改造将完成1 5 0 0 0 公里，2 0 1 0 年底，电气化线路可达3 5 0 0 0 公里。 高速客运专线均采用高速动车组，这对铁路电气化提出了更高的要求。 高速铁路均采用电力牵引，高速列车必须在高速运动条件下从接触网上 取得电能，而且必须保证其供电的绝对可靠和不间断，否则将影响高速列车 运行和电气驱动系统的性能。所以，高速电气化铁路的关键技术之一是如何 保证在高速运行条件下具有良好的受流质量，即在列车高速运行时保持稳定 的动态受流 4 1 。 动态受流是指电力机车通过受电弓在与接触线相对运动的条件下，通过 弓网接触点接受电流并传给列车的过程。这一过程中受电弓与接触线在电气 方面与机械方面相互制约、相互依赖、相互作用，因而受流质量受很多因素 的影响，如接触悬挂的弹性系数、接触线的坡度、接触悬挂的类型、接触线 材质、受电弓稳定抬升力、抬升量、滑板材质、归算质量以及列车运行速度、 加速度、车辆类型和线路条件等【5 7 j 。为了获得稳定的受流，受电弓的弓头滑 板与接触线之间要有一定的接触压力。对弓网系统来说，接触力的变化幅度 越小，受流越稳定，动态性能越好。当接触压力过小和接触电阻大时，将产 生大的能耗和电热，特别是接触压力过小，常易造成离线，即受电弓弓头脱 离接触线而产生电弧，造成弓网接触界面的烧伤；但是接触压力过大时，过 大的接触线抬升量，将使接触线局部弯曲，引起接触线疲劳损伤，同时使受 电弓弓头滑板和接触线磨耗增大，严重时造成弓网事故。随着机车运行速度 的提高，弓网间的动态性能变差【8 j 。 发展高速铁路，除了要研制高速机车车辆和线路结构外，还必须研究解 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 决受电弓在接触网下的高速受流问题，研究受电弓的运动学特性和动力学特 性，只有这样才能使列车从接触网上可靠地获取电力能源。我国在受电弓和 接触网的研究方面起步较晚，在2 0 0 k m h 以上的高速线路上所应用的还是进 口产品。因而，研究高速受电弓成为发展我国高速铁路的当务之急一j 。 受电弓结构有多种形式，按其传动方式分为弹簧上升式和空气上升式： 按照臂杆的形式又可分为单臂受电弓和双臂受电弓；按照使用的速度还可分 为高速受电弓和一般速度用受电弓；按使用场合分有直流受电弓和交流受电 弓；按受电弓框架的层数又可分外单层受电弓和双层受电弓( 亦称子母弓】等等 如图1 1 。目前我国电力基层上常用的是单臂受电弓。该受电弓由弓头、框架、 底架和传动机构四部分组成。底架支持框架，通过绝缘子固定在车顶上，框 架通过升弓弹簧支持弓头，从机构学分析，整个框架是两个四连杆机构，传 动机构作用于框架的下臂杆来实现升降弓动作。 ( a ) 菱形璺电弓( b ) 单臂登电弓( c ) t 彤登电弓 图i - 1 受电弓类型 良好的受流对受电弓结构特性的要求可以总结如下： 1受电弓活动部分( 包括弓头) 归算质量要小。归算质量越小，升降运动的惯 性力就越小，受电弓追随接触线高度变化的性能就越好，接触也就越可靠； 2有良好的静压力特性。要求弓头在整个工作范围内具有几乎不变的静压力 值。静压力值不宜过大或过小。静压力越大，接触电阻就越小，走行起来 弓网接触就越可靠。但压力过大，受电弓滑板和接触线的磨耗增大。相反， 静压力过小，受电弓追随接触线的系能变坏，易产生接触电阻大引起电热、 离线、拉弧； 3有足够的高度范围来满足线路接触导线高度变化的需要； 4弓头在机车前进方向上的纵向偏移量应尽量小； 5弓头在运动中要保持水平。由于受电弓弓头的工作随接触网的高度的变化 而变化，在工作高度变化时，应保证弓头基本水平，如果由于受电弓机构 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 无法保持弓头的水平运动，将引起前后滑板接触不均匀，造成弓头偏磨和 离线； 6 具有足够的机械强度和刚度。受电弓的整个工作过程几乎都是在振动和摇 晃中进行的，而活动关节和杆件又特别多，机械强度和刚度又是受电弓安 全工作的基础。所以，如何使一定的机械强度和刚度与小的归算质量统一 起来就成为受电弓设计中一个重要的问题； 7 具有比较好的升弓特性和降弓特性。即能平滑、稳定地上升到最大工作高 度，对接触导线不产生过大的冲击。降弓时为避免拉弧，要求在工作范围 的任何高度降弓初期动作迅速，降弓终了动作缓慢，不易引起损伤的冲击； 8 受电弓滑板有足够长的使用寿命和自润滑性能，对接触导线不产生过份的 磨耗，且更换方便，紧固牢靠； 9 长期使用性能稳定； 1 0 制造、维修方便，成本低。 当前我国在受电弓的研究上起步较晚，在2 0 0 k m h 的准高速线路上所应 用的还是进口的受电弓或者是引进国外的图纸在国内进行的生产。近年来虽 然进行自主创新设计，但多是在引进国外的受电弓，在别人的基础上进行的 消化、吸收，而且受电弓设计多采用经验设计的方法，没能在受电弓设计形 成自己的特点，制造出符合中国铁路国情的高速受电弓。 1 2 受电弓应用现状 1 0 - 1 9 】 1 2 1 国产r s g 。6 3 0 2 5 型受电弓 ( a ) 结构示意图( b ) 原理简化图 1 - 弓头；2 弓头支架：3 平衡杆；4 上框架：5 铰链座；6 下臂杆；7 缓冲阀；8 - 传动风缸；9 - 活塞； l o 降弓弹簧：1 1 - 拉杆绝缘子：1 2 滑环；1 3 支持绝缘子；1 4 升弓弹簧：1 5 底架；1 6 推杆 图1 2t s g 36 3 0 2 5 型单臂受电弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 t s g 3 6 3 0 2 5 型受电弓是我国运行于( 准) 高速线路上的主型受电弓，为 适应1 6 0 k m h 的运行速度要求。s s 8 型电力机车上安装有2 架t s g 36 3 0 2 5 型 单臂受电弓，它是以法国f a i v e l e y 公司的a m 5 1 u f 型受电弓为基础的国产化 产品，见图1 2 。 该受电弓底座上安装有2 组升弓弹簧和1 个阻尼器，升弓弹簧和阻尼器 的另一端均安装在铰链机构的下臂杆上。缓冲阀通过控制进、出传动风缸的 压缩空气流量来控制受电弓升、降弓动作的快慢。其主要技术参数如下：最 高运行速度17 0k m h ，传动风缸下作气压5 2 0 , 1 0 0 0k p a ，最大升弓高度大于 2 6m ，工作高度o 5 - - 2 2 5m ，在工作高度范围内，滑板对接触导线的静压力 7 0 士1 0n ，0 1 8m 间升弓时间6 8s ，1 8 0m 间降弓时间5 7s 。 1 2 2 引进的d s a 系列受电弓 随着电气化铁路的发展，我国现有的国产受电弓满足不了高速受流的要 求，主要依赖于德国生产的高速受电弓。d s a 系列单臂受电弓是目前我国最 新引进的产品，适用于相应速度等级的各种电力机车及动车组，如哈大线使 用的是d s a 2 0 0 c r 受电弓，秦沈线上使用的是d s a 3 8 0 c r 受电弓。为提高受流 性能，减小离线，就要提高框架的上下振动的固有振动频率和受电弓弓头的 上下振动固有频率。对实现前者来说有减小归算质量和加大接触压力两种方 法。加大接触压力必然会加大导线的磨损，这是不可取的，只有减轻归算质 量。d s a 系列受电弓采用先进的结构设计及大量采用优质铝合金和不锈钢等 轻型材料，整弓质量较轻，是t s g 3 型受电弓质量的一半；轻质量的弓头及较 大的弓头自由度实现了弓网的良好接触。带有独特的自动降弓装置，动态情 况下1 2 s 离线1 5 0 m m 。弓网故障发生时，主断控制器可断开机车主断路器，从 而避免了带负载降弓时弓网之间产生拉弧而损坏受电弓和接触网。该装置输 出为无触点控制，体积小、可靠性高、安装简单。此系列受电弓采用气囊驱 动来升弓。 d s a 2 5 0 型受电弓最高运行速度2 3 0 k m h ，适用于相应速度等级的各种电 力机车及动车组。其下臂采用铝型材焊接结构型式，可以选装弓头翼片以调 整动态接触压力。在我国第六次铁路提速中，d s a 2 5 0 型受电弓广泛应用在“和 谐号”动车组列车上，以适应高变化的沿线架空电缆接触网。如图1 3 所示的 d s a 2 5 0 型受电弓，由弓头、上框架、下臂杆、拉杆、平衡杆等部分组成，它 们通过各种铰链座铰接。各铰接处都装有滚动轴承并采用金属软管编织线进 行短接，以防止电流对轴承的烧损，平衡杆的作用是保证弓头滑板面在受电 弓整个工作高度范围内，始终保持基本水平状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 充气弹簧2 一下臂杆3 一平衡杆4 一平衡臂5 一弓头6 一上框架7 拉杆8 阻尼器 图卜3 d s a 2 5 0 型受电弓 123 法国t g v 型受电弓 法国国铁( s n c f ) 所采用的1 6 0 k n g h 以上的受电弓有： 图1 - 4 是a m d e 型受电弓。法国东南新干线采用a m d e 型受电弓于1 9 8 1 年2 月2 6 日，创造了3 8 0 k m f a 的当时的世界记录，a m d e 型受电弓为双层小 开度型( 或称子母弓) 受电弓，接触压力为7 0 n 8 0 n ，采用碳滑板，归算质 量为9 k g 。 图1 5 是g p u 型受电弓。为了更好地适应4 0 0 k m h 以上速度的受流需要， f a i v e l e y 公司研制了新式的g p u 型单层受电弓，法国国铁( s n c f ) 在大西洋 新干线采用g p u 型受电弓于i 9 9 0 年5 月18 日，创造了5 1 5 3 k m h 的世界纪 录。 图1 - 6 是c x 型受电弓，它是f a i v e l e y 公司研制的x 系列受电弓的一种 ( x 系列受电弓为：电动车组采用s x 型受电弓，速度在2 2 0 k m h 以上的电力 机车采用a x 或c x 型受电弓) ，它可以随车速的变化而自动调整。为此 f a i v e l e y 公司采用了两种技术，一是在一定速度范围以预先没定的控制技术对 接触压力进行调节；二是采用电子控制和空气伺服阀的反馈控制技术。 f a i v e l e y 公司研制的x 系列受电弓自1 9 9 0 年以来经历了长期的实验过程。这 些受电弓采用合成纤维弓头、重量减轻了3 0 4 0 。x 系列受电弓均采用气 垫支撑装置和高性能空气调整装置关节式结构不受运行速度和方向的影响 为适应特别需要，既可安装高上升度弓头滑板、又可安装低上升度弓头滑板， x 系列受电弓的设计使维修量大为减少。 图1 4 a m d e 型受电弓图i - 5 g p u 受电弓图1 - 6 c x 受电弓 123 德国受电弓 德国i c e 高速列车用d s a ，3 5 0 型受电弓，整体质量1 4 0 k g ，接触压力为 5 0 1 3 0 n ，驱动方式是气动升弓，有一阻尼的降弓。滑板用铁制的弓头上焊着 碳滑板，形成一个整体，更换时一体更换，寿命很长，更换周期通常1 5 1 0 4 k m ， 在条件恶劣情况下也可达6 5 1 0 3 k m ，不涂石蜡或黄油。最大允许电流08 k a ， 瞬时为13 k a ，最高运行速度2 8 0 k m h 。s b s 6 5 型单臂受电弓在试验线上与 r e 2 5 0 接触网配合使用，运行速度为2 5 0 k m h ，测得最大接触压力为1 6 5 2 2 5 n ， 平均值为8 2 8 9 n ，在同样区段和试验条件下速度为1 6 0 k m h ，测得最大接触 压力值1 2 5 n ，其平均值为4 6 5 0 n 。对离线来说，s b s 6 5 型受电弓在2 0 0 k m h 运行速度下，离线为每公里2 次，离线时间为9j _ t s m 。该型号的受电弓体积小， 重量轻，维护费用低，并具有较好的空气动力学性能。 d s a 3 5 0 s 受电弓是在d s a 3 5 0 受电弓的改进型。d s a 3 5 0 s 型受电弓与 i c e l 型列车运行，运行速度2 5 0 k m b ；d s a 3 5 0 s e k 型又是d s a 3 5 0 s 的改 进型，仅1 0 6 k g ，装有自动降弓装置，受电弓的滑板运行效率较高，在i c e 牵引中每块滑板可以运行1 2 1 4 万公里。d s a 3 8 0 d 和d s a 3 8 0 e 与新一代高 速列车i c e 3 一起使用，运行速度达3 3 0 k m h 。 1 2 4 日本p s 系列受电弓 日本新干线动车组从运营初期的。系到3 0 0 系都采用了棱型受电弓，这 是因为棱形受电弓稳定性高、集电性好。但是，为进一步降低空气动力噪声， 需对受电弓进行改进。经过1 0 年时间的研制，单臂受电弓终于研制成功，并 被用于7 0 0 系新型车辆。图1 7 是3 0 0 系的棱型受电弓；图1 - 8 是7 0 0 系的单 臂型受电弓。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图l 一7 - 3 0 0 系棱型受电弓( t p s 2 0 3 b )图1 - 87 0 0 系单臂型受电弓( t p s 3 0 1 ) 日本新干线动车组从棱型受电弓到单臂型受电弓的发展，主要是为了满 足降低噪声的要求。对棱型受电弓进行风洞试验，找出噪声的发生源，并进 行降低噪声分析，其结果是棱型受电弓囡结构复杂、部件多，实施降噪效果 有限，最多只降了2 d b 。因此，沿用棱型受电弓要想较大幅度地降低噪声是 很困难的。此后，b 本进行了单臂受电弓的研制，进一步降低了噪声，研制 出了t p s 3 0 1 型受电弓，用于7 0 0 系批量车的生产。经风洞试验及现车运行试 验证明，其集电性能和空气动力学性能良好。它不仅降低了噪声，还具有成 本低、轻量化、免维修等优点。t p s 3 0 1 单臂型受电弓与3 0 0 系的棱型受电弓 相比，噪声下降了约1 4 d b 。 从以上国家的高速受电弓介绍来看，各国的高速受电弓都具备各自特点， 在保证高速稳定受流的前提下，又符合自己国家的特点。如日本新干线的高 速受电弓，将降低受电弓的噪声作为研发高速受电弓的一项重要技术指标， 因此，日本的高速受电弓具备流线型优良、结构简单紧凑等特点。 图1 - 9 受电弓气动噪声测试 图1 - 9 是对某受电弓进行气动噪声的测试结果，从图中可看出受电弓的噪 声源主要是底座、弓头和臂杆连接铰处，此弓和日本的高速低噪声受电弓相 比，结构复杂不紧凑、部件多。此外，日本的接触网高度低，这有利于结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 简单且紧凑的单臂受电弓设计。法国和德国的高速受电弓技术已满足时速3 0 0 公里以上的受流要求，且受电弓的工作高度较高，与我国的弓网受流条件接 近，但法国和德国更注重受电弓的实用性，将受电弓的可靠受流作为研发高 速受电弓的目标，对受电弓的空气动力学和空气声学的优化设计并不是十分 注重。因此，与日本的高速受电弓相比，结构较复杂且暴露在空气中的部件 较多，缺乏设计流线型的受电弓底座、绝缘子和弓头来优化受电弓的空气动 力学性能以降低受电弓噪声。 我国高速受电弓的研制应借鉴各国高速弓的优点，既满足高速受流又具 备好的空气动力学特性，达到低阻力、低噪声的要求，研制出满足中国铁路 需求的高性能高速受电弓。 1 3 弓网系统研究现状 下面简要介绍一下弓网系统研究现状： 弓网动力学的主要任务就是要研究并抑制弓网系统有害振动，确保受电 弓与接触网系统相互适应、合理匹配，为不同营运条件( 特别是高速运行) 下的受电弓与接触网结构选型和参数设计提供理论指导。 在受电弓动力学研究方面，张卫华【2 仉3 6 j 推导出受电弓的非线性动力学方 程，并对该方程进行了线性化处理。而且对简单链型悬挂接触网和s s 7 受电 弓，建立了接触网的有限元模型，计算出其固有频率和相关振型，并对受电 弓非线性模型进行线性化处理，从而建立了受电弓接触网垂向耦合动力学模 型。 在受电弓机构学研究方面，刘红娇【37 】利用优化技术对高速受电弓框架结 构几何参数进行了优化，得出了提高受电弓运动学性能的结构参数，并对结 果进行了深入的分析。黄标【38 】基于虚拟样机技术对受电弓的上框架和下臂杆 进行强度计算，并对受电弓的几何参数进行验证。 由于弓网系统非常复杂，机车在运行时受到的干扰不仅仅来自弓网本身， 同样受机车的影响，翟婉明等【3 9 砌】在建立受电弓接触网动态模型时，研究了 机车轨道系统对受电弓接触网系统的振动影响。研究表明，列车在几何状态 不良的线路上运行时，机车与轨道的耦合振动对弓网系统的动态特性影响较 大，高速时更明显。 1 4 本文的研究内容和方法 受电弓设计从功能设计来分，包括三维设计、机构分析，动力学分析、 控制工程、参数优化、强度分析、接触点的摩擦磨损、空气动力学性能、受 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 流性能等不同环节，各环节相互影响。在完成设计方案后，进行三维实体模 型的构建，然后在三维实体模型的基础上，进行部件强度分析、机构分析和 综合性能测试。 根据上述的研究方法，将本文的结构安排如下： ( 1 ) 建立受电弓的数学模型，推导出其非线性运动微分方程，并在此基础 上对非线性模型进行了比以往更精确的模型的线性化，得出了受电弓归算参 数的计算公式，并研究了各个杆件参数对框架归算参数的影响规律； ( 2 ) , l j 用优化技术对高速受电弓框架结构几何参数进行了优化，得出了提 高受电弓运动学性能的结构参数，并对结果进行了深入的分析； ( 3 ) 根据受电弓的设计方案，建立各部件的可视化模型，然后进行装配， 生成受电弓的可视化模型； ( 4 ) 根据受电弓三维模型，建立受电弓有限元模型。根据国际电工委员会 i e c6 0 4 9 4 2 标准验证受电弓横向刚度，对受电弓整体进行强度计算，并对受 电弓各个零部件进行强度校核。根据受电弓有限元模型进行悬挂模态和结构 模态分析； ( 5 ) n 用多体动力学和有限元的接口程序f e m b s 产生多体仿真需要的柔 性体数据文件，借助有限元软件a n s y s 和多体系统动力学软件s i m p a c k ， 建立受电弓刚柔耦合仿真分析模型，并进行仿真研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章受电弓机构运动学和归算参数研究 在高速电气化铁路中，受电弓模型一直是高速弓网动力学研究的核心之 一，对高速受流质量的好坏起着决定性的作用。目前研究弓网动力学的受电 弓模型一般采用归算质量模型和多刚体模型【4 h 4 1 。所谓归算质量模型，就是 利用能量等效原理，将实际结构简化为几个具有集中质量的等效模型，根据 集中质量的数目又可分为一元、二元、三元及多元模型。对于一元和二元模 型主要适用于受电弓低频特性的研究，三元和多元模型适用的频率范围相对 要高些。 图2 1 列出了一些比较常用的受电弓模型【4 引。 a b d y l y 2 c y i y 2 y 3 图2 1 受电弓模型 本章结合高速受电弓的机构几何参数设计分析过程，先分析并推导了受 电弓的运动学方程，接着对受电弓的非线性模型进行了线性化处理，得出了 线性化模型的等效参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 1 机构运动学设计流程 对于高速受电弓的设计，以运动学设计为基础。受电弓的运动学设计包 括机构运动分析和以弓头运动轨迹为目标的几何参数优化。机构运动学是受 电弓需满足要求的第一个要求。当受电弓满足运动学要求时，才能对其进行 结构设计、气动力学和弓网动力学设计，从而最后设计定型，进行线路试验。 对于高速受电弓的机构设计，其基本流程如图2 2 所示。 机构运动分析 一i 一 机构几何 参数优化 + 弓头运动摆杆与水平 轨迹分析线夹角分析 乍j ii ； ，7 氇早丽d 弋s 夕 i 是 + 升弓高度归算参数 干涉检查 检查分析 盒萎 - 是( 结束 图2 2 受电弓机构几何参数设计流程 2 2 受电弓几何运动分析 2 2 1 计算模型 受电弓是由框架( 下臂杆、推杆、上臂杆、平衡杆、平衡臂) 以及弓头 等几部分组成的空间结构，其结构比较复杂，但在实际中可以用等效的二维 构架来描述其运动。以下就针对受电弓的升弓系统即升弓框架及主轴和 升弓弹簧系统进行研究。为此，选定垂直于主轴和各链轴的对称平面作为研 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 究平面。将升弓系统各元件向该平面投影，并将各铰链之间简化成杆件。下 面就针对这种情况，建立如图2 3 所示的计算模型，作为运动及动力学分析。 图中的o 、0 2 、0 3 、q 4 、0 5 点分别为下臂杆、推杆、上臂杆、平衡杆、平衡 臂的重心。 图2 - 3 受电弓计算模型 2 2 2 几何运动关系 为方便建模，不妨设4 点为坐标原点，水平向右为工轴正方向，垂直向 上为y 轴正方向。 以坐标与夹角的关系可以得到么、雪两点的距离及a b 连线与水平间的夹 角分别为： 仁霉2 2 ( 2 1 ) 在a a d b 中，由余弦定理可以得到a 、d 两点间的距离为： j 。= 属习豕瓦瓦丙i 雨 ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 根据三角形的外角与内角之间关系，可以得到： y = z c a d + - 4 c d - _ b d a - a - # ：a 1 2 d + l j c - l z1 。+ 眦c 。堡盥、1 c 。陲鳖纠一口一万( 2 - 3 ) l2 彳d a c ( 巩如j( 2 爿d k ，j 在a b d 及c a d 中，分别根据余弦定理可以得到： 8 = 瓦一z c a d z b a d s ：万一眦c 。s 任监益 一孤c c 。s 俘垒二纠一占( 2 - 4 ) l 2 i a d i c l 2 i a s l 肋j 根据图中几何关系，很容易得到e 、g 点的坐标： i 石g = 一l mc o s ( g z d a g ) 【y g = ，口gs i