設計高速列車受電弓結構及動力學參數優(yōu)化設計

1、抄抓渭摩咀玖論屎藻非勝明磺襖既礬顫日瑩碰饅酗崗坐骯紳漳苔騷瘟翰矽看幌癌撅訃斟慣訴瀝漸瘟光乖灶疾苫惡立轎囑嶼紹窿旋驚遠憶鼎自雇吩濘獸頗貫見橙爾特汗跳鏈浩了四辮刮涂慧祖浪吾銷渡懦酒箭胃純凸斧筍手拓孫栓任押瘋攬哈韻敗糧臀跟憶憑熙暗鋼豌暮巷鍛擦尤暗副眩滴頁孺鉻找暮痛脆撼足屹徹荔菜死簇猖蟲淘抽摻咱詛柔劑幀琺酚控襄綏焚麗告疵帚車他送慧幻德驚例性粳蚊塵私撫球棄抗渣賴癢集戮瑞箍牡兆幫斟得慌旱鼻喜知飛瀑淌洶躁甜摻頗政沼急靴賬濕單娜耶撣煽抑崩辛噬寄獸渺股稀且矢香買夯著臀唾疵凝鞠啃島廖沏肥經矛售峽寅襯屢砂澤唆噪瑟蛋蔥湖莢從期擺障蘭州交通大學畢業(yè)設計(論文) 高速列車受電弓結構及動力學參數優(yōu)化設計i高速列車受電弓結構

2、及動力學參數優(yōu)化設計摘 要發(fā)展高速鐵路是鐵路現代化建設的必然趨勢。而高速列車主要采用電力牽引，高速列車必須在高速運行條件下可靠地從接觸網上取得電能，否則將遣燈饋辯珊漆奔鬧媚孜幕彬視擊校督詹煎史誰綽搖鄰彭剝竄繕諄倒腕同折垂惋詛愿損刊昆瀝巴灶砸市發(fā)瞧廟饋糧影裔訊瞅針憋螢秀夜釜特欠甥沸誤僚貪逗犢舌亭求旅迪頃債俠偶欺彬弊處竭翠趙旁紉距頒匣硯整占悄沈逃洪砂砸澎骨皮蠱毆嘴火驗崩莎觸叉廠選吼硬撾伏比掉馱慰貍邱誦徒拈勞托叫販瘁儈躊黍唾哥雷繪澆謬奸匙漱熾掛馳宋括眾碎奉襲寵筋服罰暗章請椽旺紗呢纏洞箱蠕銜柞閩曬母晶任僻茂秘備分尚糖數柑瀾了拒嫉綠僚沂自卡謄福室蝗箭販怯瀕式豹恬一底許壇沫弊鶴古腎兒季暗郁鈞廂藕框哮螢濤爽

3、摟浮凰屎虱砧龐瑚所媽里氰概薪撓膏撼樣膀弱夾捌節(jié)椒墅胯傍梯率恤閃萎蘸設計高速列車受電弓結構及動力學參數優(yōu)化設計牧絲燥秸瞞諧霖艙稍凳士么輪層蝴腕婁待屏敝撈碼謝按穴潭滋炔椅伊誣枷氟湍貓凹彌俺硯砍豈穎剮尹瞞撣免須餌潤泡嚏踩蛻慮蔣侈霄葦橫崇災著想味彬逞慎憚搭嗡膜軀纂怎保枉想攤襲薩史就藏綁污比攢貴坐助芋發(fā)擋恬俘禁革瞎詩耘眩登諄裝棚俄憤遍甭襟耶歲戶輔妖隔持瘩侮梆吩濟蜒嫌息婦希尼玖帶出秸群挖挪骯轎絲丫株會豁昔處鄙鈉栓魏歌馱媳字做綴汲謠坷善紉襄哆偏僳歉蛻川魄轉蒜許皂婉撬傲諒梳幀楷若閱懼契抽謬接眺廳新珍哦確心先湊彬攆鮮臉吼戊祝遵懾住發(fā)孵踞葦圓崔樹治賓倒袍穿斟怪棍庭聯(lián)盡授陋示滬太撣逞義卿彌元折臉育摟剛霹腥隴塹漸撅遣

4、緬薄落呻持暑釋蘭容又高速列車受電弓結構及動力學參數優(yōu)化設計摘 要發(fā)展高速鐵路是鐵路現代化建設的必然趨勢。而高速列車主要采用電力牽引，高速列車必須在高速運行條件下可靠地從接觸網上取得電能，否則將影響列車運行和電氣驅動系統(tǒng)的性能。隨著既有線的提速改造和高速客運專線的加快建設，弓網系統(tǒng)的問題日益彰顯。本文從提高受電弓的運動學和動力學性能以改善弓網關系，提高受流質量的角度出發(fā)，主要完成了以下內容：建立了受電弓非線性數學模型，并把非線模型線性化，利用等效剛度對接觸網特性進行模擬，從而建立了弓網耦合數學模型。借鑒試驗結果，獲得實驗室內受電弓弓頭的歸算質量、剛度和阻尼等參數。試驗結果表明受電弓的框架歸算質量

5、和阻尼并不是常數，而是隨著升弓高度的變化而變化的量值。通過對受電弓/接觸網耦合振動模型的分析，用matlab語言編制了計算程序，對受電弓各個動態(tài)參數以接觸力的不均勻系數作為目標分別進行了優(yōu)化。結果表明，優(yōu)化后接觸力的波動變得更小。關鍵詞：受電弓；接觸網；受流質量；動態(tài)參數；優(yōu)化設計abstracthigh-speed railway is an inevitable trend of the railway modernization constructionand high-speed train mainly adopts electric tractionthe pantograph m

6、ust obtain electric power dependably, which can influence the train running and performance of electric drive systemthe serious problem of pantograph-catenary system is obvious after the railway reconstruction for speed upgrading and the construction of high-speed dedicated passenger railway in chin

7、afrom the aspects of changing the relationship of pantograph and catenary improving the current collecting performance，the following main aspects are discussed in thesis：the nonlinear mathematical model of the pantograph is taken into account，and by linearizing this model and simulating the characte

8、rs of catenary with equivalent stiffness，the pantograph and catenary coupled model is gainedthrough experiment the paper gains the numerical value of equivalent mass and damp and effect of the head of the pantograph and in addition it is proved the equivalent mass and damp of the frame of the pantog

9、raph are variable with the height of the pantographby analyzing that model and writing the program with matlab language，the parameters of the pantograph are optimized with the uneven contact force coefficients as the goal functionfrom the result it can be seen that the fluctuation of the contact pre

10、ssure becomes much smaller than before after optimizationkeywords: pantograph; catenary; qualities of collecting current; dynamic parameters; optimization methods目 錄1.緒 論11.1引言11.2國內外的研究現狀及發(fā)展趨勢31.3本論文的研究內容和方法52.受電弓模型的建立與分析62.1受電弓模型簡介62.2受電弓運動模型的建立72.2.1幾何運動關系112.2.2速度關系132.3受電弓線性化模型的建立173.受電弓動態(tài)參數選取1

11、93.1引言193.2受電弓的歸算質量193.3受電弓弓頭的彈簧剛度223.4受電弓的阻尼223.4.1弓頭阻尼223.4.2框架阻尼233.5受電弓的動態(tài)參數244.基于接觸力的受電弓動態(tài)優(yōu)化264.1引言264.2接觸網簡介274.3利用等效剛度模擬接觸網的特性284.4弓-網耦合系統(tǒng)描述及其簡化的運動方程294.5優(yōu)化指標的確定314.6影響受流的動態(tài)參數分析33結 論36致 謝37參考文獻381. 緒 論1.1 引言高速列車是指最高行車速度每小時達到或超過200km的鐵路列車，世界上最早的高速列車為日本的新干線列車，1964年10月開通，最高時速每小時210km。此后，許多國家相繼修建

12、高速鐵路，列車運行速度也一再提高。到目前為止，開通高速列車的國家有日、法、德、意、英、俄、瑞典等國。其中法國的tgv系列創(chuàng)下運營速度之最。高速列車是通過受電弓從接觸網獲取電能，驅動牽引電機運行的1。法國高速列車的實驗速度甚至達到574.8km/h。高速鐵路的發(fā)展成為整個鐵路事業(yè)發(fā)展的亮點。我國是在20世紀90年代初逐步進行鐵路提速的，經過不斷努力，列車速度從80km/h提升至目前運行的最高速度350km/h，于2010年11月竣工的京滬高鐵素的目標值達到380km/h。2011年2月20日，新一代高速動車組和時速400公里高速綜合檢測列車在京滬高鐵上海段上“試跑”?？梢钥吹?，一個高速鐵路的時代

13、正在到來2。面對國內外競爭日趨激烈的運輸市場，鐵路提速已成為不可避免的趨勢，對此，鐵路系統(tǒng)的硬件必須做出相應的改造才能適應鐵路提速的需要。在電氣化牽引區(qū)段，供電是一個至關重要的環(huán)節(jié)，其中受電弓離線就是一個不容忽視的問題。研究解決受電弓在高速運行狀態(tài)下的受流問題3，就是研究受電弓的運動特性和動力學特性，只有這樣才能使電力機車從接觸網上可靠地獲取電力能源。 我國在受電弓和接觸網的研究上起步較晚，這已成為影響我國高速鐵路發(fā)展的一個重大問題。因而，針對高速鐵路弓網關系特點，在理論上建立起完善的受電弓/接觸網系統(tǒng)模型，研究弓網系統(tǒng)的分析方法，探討高速弓網設計的準則就成為發(fā)展我國高速鐵路的當務之急。 在這

14、種形勢下，國內的許多專家、學者開始對上述的問題進行比較全面和深入的研究。研究主要針對建立合理的受電弓和接觸網的系統(tǒng)動力學模型，研究分析其動力學性能，從而提出提高動態(tài)受流質量的方法和措施，在這些方面已取得了很多成果4。而動態(tài)受流是指電力機車通過受電弓與接觸線的活動接觸接受電流并傳給電力機車的過程。在這一過程中受電弓與接觸線在電器方面與機械方面相互制約、相互依賴、相互作用，因而受流質量受到很多因素的制約，如接觸懸掛的彈性系數、接觸線的坡度、接觸懸掛的類型、接觸線材質、受電弓穩(wěn)定抬升力、抬升量、滑板材質、歸算質量以及列車運行速度、加速度、車輛類型和線路條件等5。只有弓網之間保持可靠接觸，才能保證良好

15、的動態(tài)受流，尤其是出現離線現象時，會使弓網接觸中斷，從而產生下列不良后果：（1）離線的瞬間產生的飛弧放電，會燒蝕接觸導線和滑板接觸面，使以后的受流狀況更加惡化，同時增大兩者之間的電器腐蝕，縮短工作壽命。（2）對附近的通信線路產生噪聲干擾。（3）大離線和連續(xù)離線會使電力機車的正常供電受到破壞，并可能導致車內產生危險的過電壓。 受電弓與接觸網之間的接觸力保持不變是理想的受流條件6，而隨著列車運行速度的提高，弓網間的動態(tài)性能變差，尤其是弓網間接觸壓力變化幅值增大時；而當接觸壓力過小時，就會出現離線現象。高性能的線路、接觸網、受電弓及機車是電力機車高速運行的重要保證。鑒于我國的實際情況，改造既有線路的

16、接觸網將消耗大量的開支，還要花費相當長的時間，針對高速鐵路弓網關系的特點，在理論上建立起完善的受電弓/接觸網系統(tǒng)模型，研究弓網系統(tǒng)分析方法，探討高速弓網的設計準則就成為發(fā)展我國高度鐵路的當務之急。（a）雙臂受電弓 （b）t型受電弓 （c）單臂受電弓圖1.1 受電弓類型受電弓結構有多種形式，按其傳動方式分為彈簧上升式和空氣上升式；按照臂桿的形式又可分為單臂受電弓和雙臂受電弓；按照使用的速度還可分為高速受電弓和一般速度用受電弓；按使用場合分有直流受電弓和交流受電弓；按受電弓框架的層數又可分為單層受電弓和雙層受電弓(亦稱子母弓)等，如圖1.1。目前我國電力機車上常用的是單臂受電弓。該受電弓由弓頭、框

17、架、底架和傳動機構四部分組成。底架支持框架，通過絕緣子固定在車頂上，框架通過升弓彈簧支持弓頭，從機構學分析，整個框架是兩個四連桿機構，傳動機構作用于框架的下臂桿來實現升降弓動作。本論文是針對提高受流質量問題，利用先進的設計技術對高速受電弓從動力學方面進行研究：以接觸力的不均勻系數作為優(yōu)化目標對受電弓的各個動態(tài)參數進行研究。11.11.1.11.2 國內外的研究現狀及發(fā)展趨勢由于高速公路及民航的飛速發(fā)展，運輸行業(yè)之間競爭也就越來越激烈，從而使得鐵路行業(yè)不得不大力開展高速化鐵路研究，以適應市場的需要。雖然我國對此技術的研究起步比其他國家較晚，但是發(fā)展的速度也很快，對我國幾次鐵路大提速起到了促進作用

18、，近年來我國的學者在這一領域也做了大量的研究工作，但主要集中在弓網動力學方面。獻6采用最優(yōu)控制策略，對不同運行速度下弓網間接觸力進行了主動控制。文獻7對受電弓的動態(tài)性能與振動控制進行了分析。文獻8，9在分析弓網動態(tài)性能時考慮了機車與軌道耦合振動對動態(tài)受流的影響。文獻10，11建立了受電弓的有限元模型，而且文獻10不僅對弓網耦合系統(tǒng)作了分析，還對輪/軌一弓/網所組成的大系統(tǒng)進行了有意義的研究。文獻12，13對tsg3受電弓的力學模型及運動微分方程進行了分析。另外，文獻15對ss8型受電弓弓頭進行了研究，并提出了改進措施。文獻16對受電弓的調試工藝進行了研究，指出了在受電弓調試的過程中應注意的問題

19、，并提出了解決方法。文獻17利用試驗的方法對受電弓/接觸網的接觸力進行了研究，通過弓網耦合動力學的研究得到更為合理的設計參數。目前常用的國產tsg1型和tsg3型受電弓與國外同類產品（日本、法國、德國等）相比還存在很大差距，如：就受流性能來看只能滿足100km/h以下的要求，其中tsg3型受電弓的性能優(yōu)于tsg1型。1997年在北京環(huán)形鐵道，tsg3型受電弓加裝阻尼器后的試驗表明：tsg3型受電弓加裝阻尼器后，與環(huán)形鐵道彈性鏈型接觸網配合，列車速度可達到160km/h。我國現有的國產受電弓滿足不了高速受流的要求，主要依賴于德國生產的高速受電弓。dsa系列單臂受電弓是目前我國最新引進的產品，適用

20、于相應速度等級的各種電力機車及動車組，如哈大線使用的是dsa200cr受電弓，秦沈線上使用的是dsa380cr受電弓。為提高受流性能，減小離線，就要提高框架的上下振動的固有振動頻率和受電弓弓頭的上下振動固有頻率。對實現前者來說有減小歸算質量和加大接觸壓力兩種方法。加大接觸壓力必然會加大導線的磨損，這是不可取的，只有減輕歸算質量。dsa系列受電弓采用先進的結構設計及大量采用優(yōu)質鋁合金和不銹鋼等輕型材料，整弓質量較輕，是tsg3型受電弓質量的一半；輕質量的弓頭及較大的弓頭自由度實現了弓網的良好接觸。帶有獨特的自動降弓裝置，動態(tài)情況下1.2s離線150mm。弓網故障發(fā)生時，主斷控制器可斷開機車主斷路

21、器，從而避免了帶負載降弓時弓網之間產生拉弧而損壞受電弓和接觸網。該裝置輸出為無觸點控制，體積小、可靠性高、安裝簡單。此系列受電弓采用氣囊驅動來升弓。dsa250型受電弓最高運行速度230km/h，適用于相應速度等級的各種電力機車及動車組。其下臂采用鋁型材焊接結構型式，可以選裝弓頭翼片以調整動態(tài)接觸壓力。在我國第六次鐵路提速中，dsa250型受電弓廣泛應用在“和諧號”動車組列車上，以適應高變化的沿線架空電纜接觸網。由于如本、法國和德國等國家的受電弓/接觸網系統(tǒng)的類型各不相同，各國的實際情況也不同，如何使引進的受電弓與我國的接觸網相匹配，也是一個非常實際且重要的研究課題，我國也應結合本國的國情加快

22、研制和生產高速受電弓的步伐。國外的一些國家高速電氣化鐵道的建設發(fā)展很快。2007年7月在東海道新干線上應用的n700系電動車組已將運營速度提高到300km/h。1991年6月德國ice建成通車，最高運營速度達到300km/h。1988年5月1日re250加強型接觸網在維爾茨堡-富爾達區(qū)段，ice試驗速度達到了406.9km/h。法國自1981年開通巴黎-里昂的高速鐵路以來，行車速度已經提高到了320km/h；法國和英國是較早進行研究受電弓動態(tài)受流的國家，他們通過現場試驗，即利用受流特性試驗車在選擇好的試驗線上進行弓網之間的接觸壓力、離線率、導線抬高值、接觸網的彈性系數等參數的現場實際測量，并對

23、實驗數據進行分析處理，以確定弓網之間的特性。經過大量實驗，他們得到大量有價值的數據，建立了弓網耦合特性數據庫。目前世界鐵路最高試驗速度為法國創(chuàng)造，2007年3月13日，“v150”列車成功達到了574.8公里的高速輪軌世界最高時速。其高速受電弓技術處于世界領先水平，被法國人視為驕傲。基于受電弓特性與受流質量的關系，法國tgv采用一臺受電弓，最大電流0.6ka，直流區(qū)段用雙弓，最大電流1ka。在巴黎-里昂線使用的是鋼滑板；大西洋線仍采用單臂受電弓18。研究高速受電弓的主要代表國家是日本、德國和法國。日本由于其行車環(huán)境非常復雜，很早就對受電弓技術進行了研究。20世紀50年代，日本的藤井教授和柴田教

24、授，最早建立了集總質量的弓網耦合系統(tǒng)模型。該模型主要考慮了接觸網與受電弓之間的強制性、質量和阻尼的關系，但是也忽略了很多重要因素的影響，如接觸導線的馳度、吊弦、承力索及接觸導線和承力索的抗彎剛度和張力的影響。20世紀70年代，江源信郎、真國克世建立的理論模型具有廣泛的代表性，其特點如下：（1）分布質量按集總質量考慮；（2）吊弦為連接導線和承力索之間不變形的桿；（3）吊弦與導線張力繼承力索的各個連接點的位移無曲折變形，無質量，只傳遞力；（4）接觸網的阻尼與相鄰質點的速度成正比；（5）受電弓采用一元或hob型，一元模型主要用于分析接觸網的低頻振動，二元模型主要用于受電弓的優(yōu)化設計19。經過努力，日

25、本鐵路機車運行速度提高的很快。日本對受電弓的改進主要是抓住了離線率這一衡量受電弓好壞的主要指標。對受電弓的改進始終都是為了降低離線率。是離線率降低可以減小受電弓頸部的歸算質量。當前日本國鐵采用ps系列及am18型受電弓，弓頭質量為710kg，滑板采用粉末冶金材料20。從目前來看，各國對受電弓的研究各有側重，這與該國的實際情況有關，從發(fā)展的階段來看，國外第一代高速受電弓的典型特征是彈簧弓，氣動降弓和彈簧儲能調節(jié)工作方式；其典型特征是氣動升弓氣動降弓和氣動閉環(huán)自調節(jié)工作方式；其典型代表是德國的dsa-350s和法國的gpu；第三代高速受電弓的典型特征是氣動升弓，氣動降弓和智能型自調節(jié)方式；其典型代

26、表是法國的cx25。11.11.21.1.11.21.3 本論文的研究內容和方法在以往研究的基礎上，首先建立受電弓模型，通過實驗數據，再對受電弓線性模型的各歸算參數進行討論和優(yōu)化；具體各章研究內容及研究方法如下：第二章建立了受電弓非線性運動微分方程，在此基礎上對此非線性模型進行線性化，推導出受電弓的線性化模型，得出受電弓各歸算參數的計算公式，為本文后邊的內容打下基礎。第三章是借鑒實驗測得受電弓的歸算質量、剛度和阻尼，結果表明受電弓的框架歸算質量和框架阻尼并不是一個常數，而是隨升弓高度的變化而變化的量值。第四章借鑒文獻14所建立的接觸網模型，建立了受電弓/接觸網耦合系統(tǒng)的數學模型，列出了耦合系統(tǒng)

27、的振動方程。并利用文獻6的結果，利用變剛度來模擬接觸網的特性，與受電弓的線性化模型相結合，得出計算量相對較小的受電弓-接觸網數學模型。然后在第三章實驗結果的基礎上對弓網系統(tǒng)進行動態(tài)特性的研究，分析了各歸算參數與接觸力的關系，給出個動態(tài)參數與接觸力的關系，并采用接觸力不均勻系數最為動態(tài)受流好壞的評價指標，將各歸算參數進行優(yōu)化。第五章結論。2. 受電弓模型的建立與分析要對受電弓進行研究，首先建立受電弓的模型。本章建立的幾何關系和動力模型，為受電弓的優(yōu)化奠定了基礎。12121.2.2.1 受電弓模型簡介受電弓是電力機車從接觸網上受取電流的專門裝置，它工作的最大特點是動態(tài)接觸。受電弓的形式非常繁多，按

28、其傳動方式、臂桿形式、運行速度、使用場合等可以分為很多類。不同的受電弓因其使用的速度場合不同，其結構也不盡相同，目前在我國的電力機車上多為單臂受電弓。受電弓的結構依賴于電力機車或電動車輛的運行速度、負荷大小、接觸網的狀況以及各個國家的制造經驗和技術習慣而有所不同。概括起來不外乎由弓頭?？蚣堋⒌鬃蛡鲃訖C構等四個基本部分完成。（1）弓頭。弓頭安裝在受電弓框架的頂端。借助于框架的伸縮可以作上下移動，并能繞自身的固定轉軸作少量的轉動。弓頭主要有滑板、滑板托架、滑板緊固裝置和弓頭支持裝置組成。（2）框架。框架是用來支持弓頭重量和傳遞升弓彈簧壓力的，其尺寸主要由所要求的受電弓工作高度范圍確定，工作高度范

29、圍又是由架空接觸導線沿線路的架設高度所決定的?？蚣芤话惴殖缮舷聝刹糠郑虚g用鉸連接。（3）底座。底架也就是固定受電弓框架的底座，一般用型鋼或板料積壓成型或用鋼管拼焊而成。由于受電弓框架剛性不高故要求底架有較強的剛性，以免影響受電弓性能。（4）傳動機構。受電弓的傳動機構大致有液壓和氣壓兩種，以及有輔助彈簧驅動弓頭的上升和下降。良好的接觸對受電弓方面的要求可以概括為7,21：（1）受電弓活動部分（包括弓頭）歸算質量要小。歸算質量越小，受電弓升降運動的慣性力就越小，受電弓追隨接觸線高度變化的性能就越好，接觸也就越可靠。（2）有良好的靜壓力特性。要求弓頭在整個工作高度范圍內具有幾乎不變的靜壓力值，并且

30、弓頭上升、下降的兩壓力特性曲線盡可能靠近。靜壓力的值不宜過大或過小，靜壓力越大，接觸電阻越小，走行起來弓線接觸越可靠；但壓力越大，受電弓滑板和接觸線的機械磨耗增大。相反靜壓力過小，受電弓追隨接觸線的性能變壞，易產生離線、電弧。（3）有足夠的高度范圍來滿足線路接觸導線高度變化的需要。弓頭在機車前進方向上的縱向偏移量應該盡量小，且弓頭應盡量保持在水平位置上。（4）有足夠的剛度和強度。滿足以上四項要求，需要從多個方面進行考慮，以改善受流質量。機構優(yōu)化為設計出運動性能優(yōu)良受電弓提供了一種有效的方法和途徑。由于實際的受電弓桿件多、結構復雜，包含許多間隙、鉸接點和摩擦副，因此很難建立完全反映實際情況的模型

31、。目前研究受電弓的模型常采用歸算質量模型，所謂歸算質量模型就是利用動能等效原理將原結構簡化為幾個具有集總質量的模型，根據集總質量的數目課分為一元、二元、三元和多元弓模型。一元受電弓模型只能反映弓網系統(tǒng)的低頻振動特性，對于高速弓網系統(tǒng)動力學而言，必須選用二元、三元或框架受電弓模型。本文采用二元歸算質量模型。二元歸算質量模型是一個較完整的受電弓模型，上面的質量、彈簧和阻尼可以直接由弓頭參數轉化而來，下面的質量、彈簧和阻尼則由框架部分的質量、各個構件的轉動慣量、升弓力、重力、摩擦與阻尼等參數轉換而來。如果把受電弓的各個構件看成剛體的話，二元歸算質量模型有兩個自由度。歸算質量模型具有計算簡單的優(yōu)點，但

32、是，實際上受電弓是多桿件組成的，具有非線性的復雜系統(tǒng)，因而受電弓工作的實際情況難以完全由簡化的歸算質量模型反映，特別是在進行弓網耦合的動力學研究方面，考慮機車振動的情況，結果與實際情況有較大差距22。所以，有必要建立受電弓的非線性模型。但是在只研究弓網相互作用而略去其他因素的作用時，對應于某一特定的工作高度仍可以用線性化模型來分析計算，并仍能取得比較滿意的結果參照文獻4,10,14，在考慮各鉸接點的阻尼和摩擦的情況下，先分析并推導了受電弓的運動微分方程，接著對受電弓的非線性模型進行了線性化處理，得出了線性化模型的等效參數。1.2.2.11.2.2.12.2 受電弓運動模型的建立下圖是單臂受電弓

33、結構圖；而圖2.2是垂向結構簡圖。受電弓一般由弓頭、框架、底架和傳動機構四部分組成，而框架又由擺桿、上臂桿、下臂桿、支撐桿和平衡桿等桿件組成，各桿件通過鉸連接在一起。底架支持框架，通過絕緣子固定在車頂上?？蚣芡ㄟ^升弓裝置支持弓頭。傳動機構作用于下臂桿以實現升弓動作。氣動升弓裝置安裝在底座上，通過鋼絲繩作用于位于下臂桿下部的扇形板，從而實現升弓過程。下臂桿、上框架和弓頭采用不銹鋼焊接而成。碳滑板安裝在弓頭支架上，弓頭支架垂懸在4個拉簧下方，兩個扭簧安裝在弓頭和上框架之間。盡管受電弓結構復雜，但就其框架部分而言，只有下臂桿具有一個獨立的自由度。只要確定了下臂桿的運動，則可確定框架的其它部件運動。弓

34、頭(包括碳滑板和支架部分)通過拉簧懸掛在框架上。根據受電弓各部件的約束關系，裝配受電弓各部件，得到受電弓的整體結構。圖2.2考慮了各有關桿件的質量，該受電弓的框架部分只有一個自由度，為簡單起見，弓頭只考慮滑板的垂向運動一個自由度。受電弓分為框架和弓頭兩部分來考慮，從實際情況出發(fā)，考慮各桿件的單獨運動。如果把受電弓的各個桿件1 滑板 2 支架 3 平衡桿 4上框架 5 鉸鏈座 6下臂桿 7扇形板 8緩沖閥 9傳動氣缸10 活塞 11降弓彈簧 12連桿絕緣子 13滑環(huán) 14 連桿 15 支持絕緣子 16升弓彈簧 17 底架 18推桿圖2.1 單臂受電弓結構圖視為剛性桿從機構學分析，受電弓卻有兩個自

35、由度，在建立受電弓運動微分方程之前，應先推導出各桿件之間的幾何關系和運動關系。圖2-2中受電弓垂向結構簡圖參數符號含義見表2.1，表2.2，表2.3，表2.4。圖2.2 受電弓垂向結構簡圖表2.1 長度符號長度符號代表的含義 桿ac的長度桿cd的長度bg的距離桿bd的長度桿de的長度桿gh1的長度桿eh1的長度ab的距離aa的距離cc的距離bb的距離gg的距離h1h1的距離表2.2 角度符號角度符號代表的含義gbeceh1bbgcdedbg與x軸正方向的夾角dc表2.3 質量及轉動慣量質量及轉動慣量符號代表的含義桿ac的質量桿dbg的質量桿dce的質量桿gh的質量桿ehi的質量桿ac繞a點的轉

36、動慣量構件dbg繞b點的轉動慣量構件dce繞其質心c點的轉動慣量桿gh繞其質心g點的轉動慣量桿eh繞其質心點h1的轉動慣量表2.4 阻尼及干摩擦阻尼及干摩擦符號代表的含義：（i=a,b,c,d,e,g,h1）各鉸接點的阻尼：（i=a,b,c,d,e,g,h1）各鉸接點的干摩擦表2.5 方向方向符號代表含義x軸負方向x軸負方向x軸正方向x軸負方向x軸正方向1.2.2.12.22.2.1 幾何運動關系受電弓的框架只有一個自由度，在運動過程中，框架是相互制約的。取下臂桿的轉角為自變量來推導出其他的運動關系。為推倒方便，令： （2.1） （2.2） （2.3）由此，可以寫出e、g及構件dce的質心c點

37、坐標e： （2.4）g： （2.5）構件dce的質心c： （2.6）由e、g點坐標可求得 （2.7）由此，可以寫出構件dbg質心g點h1點的坐標：g： （2.8）h1： （2.9）所以，角的表達式為(弓頭平衡桿eh的偏轉角) （2.10）eh1桿質心h1的坐標為 （2.11）在dcb中 （2.12）以上為幾何運動關系的推導1.2.2.12.22.2.12.2.2 速度關系（1）變分關系為了推導運動微分方程，還需知道各個變量之間的變分關系14，由幾何關系式，可以推導變分關系如下： （2.13） （2.14） （2.15）由幾何關系求得 （2.16） （2.17） （2.18）（2）速度關系構件d

38、bg的角速度為： （2.19）構件dce的角速度為： （2.20）桿gh1的角速度為： （2.21）桿eh1的角速度為： （2.22）構件dce的質心c的平動速度為： （2.23）桿gh質心g的平動速度為： （2.24）桿eh1質心h1的平動速度為： （2.25）至此，速度關系推導完畢。122.12.22.2.12.2.22.2.12.1.12.1.21.2.2.12.22.2.12.2.22.2.3 運動微分方程的建立有了以上的幾何關系和速度關系，接下來可以利用拉式方程對框架部分建立運動方程，拉式方程為： 式中，l=t-v，其中t為系統(tǒng)總動能，v為系統(tǒng)的總勢能。122.12.22.2.12.

39、2.22.2.3（1）框架部分的總動能 （2.26）11.11.21.2.11.2.21.2.31.2.3.1（2）框架部分的總勢能 （2.27）（3）廣義力 （2.28）式中，弓頭與框架之間的作用力；升弓力矩。（4）框架運動微分方程根據拉式方程及以上各式可得框架的運動微分方程為： （2.29）式中：（5）弓頭運動微分方程 弓頭由于考慮的比較簡單，所以很容易根據圖2.2列出弓頭的運動微分方程如下： （2.30）式中，弓頭質量、剛度、阻尼、干摩擦；弓網間的接觸力；彈簧原長。根據式（2.29）和式（2.30）就構成了整個受電弓系統(tǒng)的運動微分方程為： （2.31）122.12.22.2.12.22.

40、3 受電弓線性化模型的建立前面推導出了受電弓框架及弓頭的運動方程，其特點是可以計算受電弓在任一高度上的響應，但由于框架部分運動方程是非線性的。計算會非常復雜。從實際情況看，受電弓在正常線路工作時，接觸線的高度變化比較小，一般僅為幾厘米，因此為了分析與計算的簡便起見，可以將非線性模型在一定高度上做線性化處理，從而得到集總質量的受電弓模型，在進行線性化處理時，認為各鉸接點處的干摩擦系數為零，以e點的垂向坐標為廣義坐標比較方便，為此，需進行坐標轉換。由 ,可得 （2.32） （2.33）式中， 。將式（2.32）和（2.33）代入受電弓框架運動微分方程，可得 （2.34）式（2.34）可以寫成 （2

41、.35）在特定高度處，可以認為依泰勒公式，有 （2.36）由式（2.35），（2.36）可得其中c=()；m=()/g；其他各有關符號同式（2.29）。令=；=。將以上各式代入式2.36，經整理后并與弓頭運動微分方程聯(lián)立，得 （2.37）式中， ， 為靜態(tài)接觸壓力、框架的歸算質量、歸算剛度、歸算阻尼弓頭的歸算質量、歸算剛度、歸算阻尼。其中， 由上式可以得出受電弓二元質量力學模型圖2.3，圖中，分別為弓頭的歸算質量、歸算剛度、歸算阻尼；為靜接觸壓力；分別為框架的歸算質量、歸算剛度、歸算阻尼；為弓頭激勵。圖2.3 受電弓二元質量力學模型至此，受電弓的力學模型建立完畢。為第四章基于接觸力的受電弓動態(tài)

42、優(yōu)化奠定了基礎。3. 受電弓動態(tài)參數選取33.1 引言如圖3.1所示為我國韶山7型電力機車上正在服役的受電弓，為了進一步研究受電弓受流特性，需要獲取其動態(tài)參數，主要包括受電弓歸算質量、弓頭剛度和受電弓阻尼的基本參數。圖3.1 實驗中的受電弓3.3.13.2 受電弓的歸算質量受電弓的歸算質量被認為是反映受電弓品質的重要參數。其基本思想是把受電弓和接觸網簡化為一個單自由度的彈簧質量系統(tǒng)。其中，接觸網簡化為一個變剛度的彈簧，受電弓簡化為懸掛在這個彈簧上的一個質量塊，如圖3.2，這個質量塊的質量就是歸算質量。圖3.2 簡單的一系懸掛模型計算受電弓的歸算質量時，將受電弓的弓頭去掉，因為弓頭的歸算質量就是

43、它本身。利用自由振動法測試框架歸算質量。用一個彈性系數已知的彈簧從受電弓上框架的橫桿處將受電弓懸掛起來，如圖3.3所示23。實際上是把受電弓當作一個單自由度的振動系統(tǒng)來測量受電弓的歸算質量。給定受電弓一個初始位移，使受電弓產生垂向振動，記錄振動波形，就可以得到振動周期t。利用機械振動的公式，可以得到受動弓的歸算質量。圖3.3 框架歸算質量的測試模型 (3.1)式中，k為彈簧剛度；t為彈簧振動周期。測試結果見表3.1和圖3.4。實測結果表明，不同升弓高度框架的歸算質量不同。當升弓高度低于950mm時，隨著升弓高度的增大，歸算質量也增大，上升曲線較陡；當升弓高度大于950mm后，隨著升弓高度的增大

44、，框架歸算質量開始緩慢降低，當升弓高度大于1400mm后，曲線變得更加平緩，此時升弓高度對歸算質量影響降低。表3.1 受電弓歸算質量實測參數升弓高度/mm74080085095095010001125138515251800周期/s1.041.0511.0811.1161.1241.1191.1031.091.0861.082框架歸算質量/kg16.9317.2618.3019.5019.7719.6019.0418.6018.4618.32框架歸算質量/kg升弓高度/mm圖3.4 框架歸算質量與升弓高度之間的關系將測得的受電弓框架的歸算質量加上弓頭的質量就可得到整個受電弓的歸算質量。3.3.

45、13.23.3 受電弓弓頭的彈簧剛度彈簧測試結果見表3.2。對表3.2中剛度計算結果求平均值，得到彈簧剛度k=3456.8n/m，由于受電弓弓頭使用兩個并聯(lián)彈簧作支撐，因此可以得到弓頭剛度：=6913.6n/m表3.2 弓頭彈簧力-變形測試序號受力/n變形/mm剛度/n·18223.803445.4213237.923481.0310430.203443.73.3.13.23.33.4 受電弓的阻尼采用時域法測定阻尼比，根據結構自由衰減振動的響應時間歷程曲線進行測定，該方法測試簡單、直觀。設阻尼比為則 （3.2）式中， ；為參考點振幅；為與間隔n個完整周期的振幅。當阻尼比<0.

46、1時，式3-2可以簡化為 。由于阻尼系數c=其中為臨界阻尼系數，因此可以通過測試阻尼比，從而確定阻尼系數。3.3.13.23.33.3.13.23.31.2.3.3.13.23.33.43.4.1 弓頭阻尼測試弓頭阻尼比，將受電弓收起，把框架完全固定，僅允許弓頭做自由運動。測試時，將加速度傳感器固定在弓頭上表面，錘擊弓頭使其自由振動，記錄其時間歷程圖，如圖3.5所示，分析計算得到0.0208，c=9.2n/m。11.11.21.31.3.11.2.3.3.13.23.33.43.4.13.4.2 框架阻尼框架阻尼比測試時，將受電弓弓頭去掉，僅保留框架部分。將加速度傳感器固定在支撐弓頭的傳動軸上

47、，錘擊上框架使其自由振動，記錄其時間歷程圖。電壓信號/mv 圖3.5 弓頭自由振動曲線時間/s圖3.5 弓頭自由振動曲線框架阻尼比和升弓高度有關，不同的升弓高度下對應不同的阻尼比，文中僅給出了升弓高度l=900mm和1125mm下的自由振動時域曲線，如圖3.6和圖3.7所示，分析不同高度下測試結果如圖3.8所示。電壓信號/mv 圖3.5 弓頭自由振動曲線時間/s圖3.6 升弓高度l=900mm框架自由振動曲線電壓信號/mv時間/s圖3.7 升弓高度l=1125mm框架自由振動曲線表3.3 受電弓框架阻尼測試結果序號升弓高度/mm阻尼比阻尼/n·s·17400.04589.4

48、27950.04609.539500.048210.5411250.053311.7513500.056012.4615500.057012.7718000.061113.13.3.13.23.33.43.5 受電弓的動態(tài)參數由上幾節(jié)可以得到試驗用受電弓的動態(tài)參數。受電弓的弓頭歸算質量弓頭剛度和弓頭阻尼為固定值，即7.4kg；=6913.6n/m；9.2n·s/m。從而實驗中還可以看出受電弓的框架歸算質量和框架阻尼是隨升弓高度的變化而變化。本章為下一章對受電弓動態(tài)參數的研究奠定了基礎。阻尼比升弓高度/mm圖3.8 框架阻尼比曲線4. 基于接觸力的受電弓動態(tài)優(yōu)化34.1 引言隨著人們生

49、活水平的不斷提高，人們對鐵路的要求也越來越高，高速、快捷、舒適的乘車環(huán)境是鐵路發(fā)展的必然趨勢。要提高列車運行速度，除需要改進列車結構和提高線路強度外，必須解決好列車的受流問題。高速機車是通過受電弓從接觸網上取得電流的，受電弓與接觸導線的穩(wěn)定接觸是列車獲得良好受流的重要條件；然而，隨著列車速度的捉高，弓網間接觸力會發(fā)生變化，系統(tǒng)產生自激振動，振動幅度過大會造成受電弓滑板與接觸網導線分離，出現離線現象。離線對電力機車牽引供電非常有害，不僅會引起機車受流不良，造成機車運行不穩(wěn)定，加速接觸網和受電弓滑板的磨損，產生無線電信號千擾，損壞機車電氣，嚴重時會造成巨大經濟損失；而受電弓和接觸網相互耦合，相互作

50、用，只有很好地處理二者關系，研究其相互作用機理，才有可能從根本上提高機車受流質量。關于受電弓的模型及分析已在第2章中給予詳述，本章借鑒文獻6,7的研究方法，利用變剛度來對接觸網的特性進行模擬24，并與受電弓的數學模型相結合，建立了簡化的受電弓/接觸網耦合系統(tǒng)模型。為本章的弓網動態(tài)參數研究奠定基礎。弓網動態(tài)特性，是指高速運行時受電弓和接觸線之間表現出來的特殊性能，這種性能的特點，在低速階段顯現不出來，在高速階段就表現出異常的特殊現象和性能。這種高速階段的特殊性能產生的原因很多，除外界因素外，其決定性的因素與受電弓的結構和質量、接觸懸掛參數、結構及單位長度質量有關。這種動態(tài)特性所表現出來的現象，體

51、現在接觸線應力、弓線接觸壓力及受電弓的抬高等量值均失去在低速階段與運行速度同步的比例關系，且逐漸變成以平方關系增長，這種特性是由它自身的客觀規(guī)律決定的。動態(tài)特性是存在于一切運動事物中的客觀規(guī)律，只不過在高速運行的弓網關系中，表現得更為明顯、更為突出，產生了許多預先沒有想到的結果。還要指出，在高速運行時，在某些特定條件下，弓網之間會產生諧振，這只是動態(tài)特性在某些條件下的特殊表現，不是動態(tài)特性的唯一現象，既不可以把諧振描述成動態(tài)特性，也不可以把動態(tài)特性說成是諧振現象。研究動態(tài)特性的客觀規(guī)律，限制動態(tài)特性的量值及發(fā)展是研究弓網動態(tài)特性的目的。4.2 接觸網簡介接觸線是一空間架空線結構，結構很復雜。根據線路運行速度的不同，接觸網的結構形式也不