毕业设计（论文）高速列车受电弓结构及动力学参数优化设计.doc

兰州交通大学毕业设计(论文)摘 要发展高速铁路是铁路现代化建设的必然趋势而高速列车主要采用电力牵引，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：建立了受电弓非线性数学模型，并把非线模型线性化，利用等效刚度对接触网特性进行模拟，从而建立了弓网耦合数学模型借鉴试验结果，获得实验室内受电弓弓头的归算质量、刚度和阻尼等参数试验结果表明受电弓的框架归算质量和阻尼并不是常数，而是随着升弓高度的变化而变化的量值通过对受电弓/接触网耦合振动模型的分析，用MATLAB语言编制了计算程序，对受电弓各个动态参数以接触力的不均匀系数作为目标分别进行了优化结果表明，优化后接触力的波动变得更小关键词：受电弓；接触网；受流质量；动态参数；优化设计AbstractHigh-speed railway is an inevitable trend of the railway modernization construction．And high-speed train mainly adopts electric traction．The pantograph must obtain electric power dependably, which can influence the train running and performance of electric drive system．The 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 China．From 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 characters of catenary with equivalent stiffness，the pantograph and catenary coupled model is gained．Through 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 pantograph are variable with the height of the pantograph．By 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 function．From the result it Can be seen that the fluctuation of the contact pressure becomes much smaller than before after optimization．Keywords: pantograph; catenary; qualities of collecting current; dynamic parameters; optimization methods目 录1. 绪 论 11.1 引言 11.2 国内外的研究现状及发展趋势 31.3 本论文的研究内容和方法 52. 受电弓模型的建立与分析 62.1 受电弓模型简介 62.2 受电弓运动模型的建立 72.2.1 几何运动关系 112.2.2 速度关系 132.3 受电弓线性化模型的建立 173. 受电弓动态参数选取 193.1 引言 193.2 受电弓的归算质量 193.3 受电弓弓头的弹簧刚度 223.4 受电弓的阻尼 223.4.1 弓头阻尼 223.4.2 框架阻尼 233.5 受电弓的动态参数 244. 基于接触力的受电弓动态优化 264.1 引言 264.2 接触网简介 274.3 利用等效刚度模拟接触网的特性 284.4 弓-网耦合系统描述及其简化的运动方程 294.5 优化指标的确定 314.6 影响受流的动态参数分析 33结 论 36致 谢 37参考文献 38III1. 绪 论1.1 引言高速列车是指最高行车速度每小时达到或超过200km的铁路列车，世界上最早的高速列车为日本的新干线列车，1964年10月开通，最高时速每小时210km。

此后，许多国家相继修建高速铁路，列车运行速度也一再提高到目前为止，开通高速列车的国家有日、法、德、意、英、俄、瑞典等国其中法国的TGV系列创下运营速度之最高速列车是通过受电弓从接触网获取电能，驱动牵引电机运行的[1]法国高速列车的实验速度甚至达到574.8km/h高速铁路的发展成为整个铁路事业发展的亮点我国是在20世纪90年代初逐步进行铁路提速的，经过不断努力，列车速度从80km/h提升至目前运行的最高速度350km/h，于2010年11月竣工的京沪高铁素的目标值达到380km/h2011年2月20日，新一代高速动车组和时速400公里高速综合检测列车在京沪高铁上海段上“试跑”可以看到，一个高速铁路的时代正在到来[2]面对国内外竞争日趋激烈的运输市场，铁路提速已成为不可避免的趋势，对此，铁路系统的硬件必须做出相应的改造才能适应铁路提速的需要在电气化牵引区段，供电是一个至关重要的环节，其中受电弓离线就是一个不容忽视的问题研究解决受电弓在高速运行状态下的受流问题[3]，就是研究受电弓的运动特性和动力学特性，只有这样才能使电力机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上起步较晚，这已成为影响我国高速铁路发展的一个重大问题。

因而，针对高速铁路弓网关系特点，在理论上建立起完善的受电弓/接触网系统模型，研究弓网系统的分析方法，探讨高速弓网设计的准则就成为发展我国高速铁路的当务之急 在这种形势下，国内的许多专家、学者开始对上述的问题进行比较全面和深入的研究研究主要针对建立合理的受电弓和接触网的系统动力学模型，研究分析其动力学性能，从而提出提高动态受流质量的方法和措施，在这些方面已取得了很多成果[4]而动态受流是指电力机车通过受电弓与接触线的活动接触接受电流并传给电力机车的过程在这一过程中受电弓与接触线在电器方面与机械方面相互制约、相互依赖、相互作用，因而受流质量受到很多因素的制约，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]只有弓网之间保持可靠接触，才能保证良好的动态受流，尤其是出现离线现象时，会使弓网接触中断，从而产生下列不良后果：（1）离线的瞬间产生的飞弧放电，会烧蚀接触导线和滑板接触面，使以后的受流状况更加恶化，同时增大两者之间的电器腐蚀，缩短工作寿命2）对附近的通信线路产生噪声干扰3）大离线和连续离线会使电力机车的正常供电受到破坏，并可能导致车内产生危险的过电压。

受电弓与接触网之间的接触力保持不变是理想的受流条件[6]，而随着列车运行速度的提高，弓网间的动态性能变差，尤其是弓网间接触压力变化幅值增大时；而当接触压力过小时，就会出现离线现象高性能的线路、接触网、受电弓及机车是电力机车高速运行的重要保证鉴于我国的实际情况，改造既有线路的接触网将消耗大量的开支，还要花费相当长的时间，针对高速铁路弓网关系的特点，在理论上建立起完善的受电弓/接触网系统模型，研究弓网系统分析方法，探讨高速弓网的设计准则就成为发展我国高度铁路的当务之急a）双臂受电弓 （b）T型受电弓 （c）单臂受电弓图1.1 受电弓类型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为单层受电弓和双层受电弓(亦称子母弓)等，如图1.1目前我国电力机车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。

本论文是针对提高受流质量问题，利用先进的设计技术对高速受电弓从动力学方面进行研究：以接触力的不均匀系数作为优化目标对受电弓的各个动态参数进行研究11.11.1.11.2 国内外的研究现状及发展趋势由于高速公路及民航的飞速发展，运输行业之间竞争也就越来越激烈，从而使得铁路行业不得不大力开展高速化铁路研究，以适应市场的需要虽然我国对此技术的研究起步比其他国家较晚，但是发展的速度也很快，对我国几次铁路大提速起到了促进作用，近年来我国的学者在这一领域也做了大量的研究工作，但主要集中在弓网动力学方面献[6]采用最优控制策略，对不同运行速度下弓网间接触力进行了主动控制文献[7]对受电弓的动态性能与振动控制进行了分析文献[8，9]在分析弓网动态性能时考虑了机车与轨道耦合振动对动态受流的影响文献[10，11]建立了受电弓的有限元模型，而且文献[10]不仅对弓网耦合系统作了分析，还对轮/轨一弓/网所组成的大系统进行了有意义的研究文献[12，13]对TSG3受电弓的力学模型及运动微分方程进行了分析另外，文献[15]对SS8型受电弓弓头进行了研究，并提出了改进措施文献[16]对受电弓的调试工艺进行了研究，指出了在受电弓调试的过程中应注意的问题，并提出了解决方法。

文献[17]利用试验的方法对受电弓/接触网的接触力进行了研究，通过弓网耦合动力学的研究得到更为合理的设计参数目前常用的国产TSG1型和TSG3型受电弓与国外同类产品（日本、法国、德国等）相比还存在很大差距，如：就受流性能来看只能满足100km/h以下的要求，其中TSG3型受电弓的性能优于TSG1型1997年在北京环形铁道，TSG3型受电弓加装阻尼器后的试验表明：TSG3型受电弓。