畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-電力機(jī)車受電弓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與桿組的強(qiáng)度計(jì)算

電力機(jī)車受電弓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與桿組的強(qiáng)度計(jì)算電力機(jī)車受電弓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與桿組的強(qiáng)度計(jì)算摘要高速鐵路的發(fā)展是建設(shè)現(xiàn)代化鐵路的必然要求。高速鐵路的電力機(jī)車均采用電力牽引，高速列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下必須穩(wěn)定可靠的從接觸網(wǎng)上接受電能來驅(qū)動(dòng)高速列車。高速電氣化鐵路的受流裝置—受電弓對電力機(jī)車在高速運(yùn)行時(shí)的受流質(zhì)量有重要影響，受電弓的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析對于提高受電弓的性能具有重要意義。為了保證良好的受流質(zhì)量，受電弓采用大量輕質(zhì)合金來減輕自身質(zhì)量，但是這也會(huì)導(dǎo)致受電弓強(qiáng)度和剛度的不足。因此，在滿足受電弓強(qiáng)度和剛度的前提下，研究受電弓的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，改善弓—網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能。本文運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)對電力機(jī)車受電弓的框架幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，得到了改善電力機(jī)車受電弓性能的幾何參數(shù)，并對得到的幾何參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，得到了受電弓升降過程中良好的運(yùn)行軌跡。還對受電弓進(jìn)行了深入的力學(xué)分析，根據(jù)力學(xué)分析的結(jié)果，對電力機(jī)車受電弓進(jìn)行基機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)受電弓幾何參數(shù)和開發(fā)過程，利用Proe軟件對電力機(jī)車進(jìn)行了三維模型，建立受電弓的有限元模型，對受電弓的整體和零部件強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞：受電弓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾何參數(shù)優(yōu)化三維建模有限元強(qiáng)度校核StrengthcalculationandstructuredesignofthepantographandtherodoftheelectriclocomotivegroupABSTRACTThedevelopmentofHighspeedrailwaytheinevitablerequestthatconstuctsamodernrailroad.TheelectricpowermotorcycleofallHighspeedrailwayadoptselectricpowertomove,andthehigh-speedlocomotivehavetoacceptelectricpowerstablyfromCatenarytodriveitselfCirculatinginthehighspeedstate.ThefloweddeviceofHigh-SpeedElectricRailway——pantographhaveasignificantimpactontheflowqualitywhenhigh-speedlocomotivescirculateinthehighspeed.Thewholestructuredesignsandanalysisofpantographisimportanttoimprovingperformanceofpantograph.Toguaranteethegoodflowquality，thewideuseofnewalloymaterialsforpantographcanalsothedeficiencyofstrengthandstiffness.Consequently,howtoensuresufficientmechanicalstrengthandstiffnessisimportanttostudyonthekinematiccharacteristicsofthepantographandimproveThedynamicperformanceofthepantographcatenary.Pantographframestructuregeometryparametersofelectricpowerlocomotiveareoptimizedbyusingoptimizatiaontechniquesinthepaper.zationThestructuregeometryparametersofpantographofimprovedperformanceareobtained.Thenbycaculatingwiththegeometryparameters,wegetwelltrajectoryinthepantographliftingprocess.Thepantographmechanicalperformancegotdeeplyanalyzed.Thepantograph’smechanicalstructureiddesignedbymechanicalanalysisresults.Accordingtothegeometricparametersofthepantographanddevelopmentprocess,thethree-dimensionalsimulativemodelwassetupbyusingProetocheckthestrengthandrigidityofthewholestructureandcomponentsandparts.Keywords:PantographStructuredesignOptimizationofstrutureparametersThree-dimensionalmodelingFiniteelementStrengthcheck目錄第1章論文綜述11.1設(shè)計(jì)課題背景21.2受電弓研究現(xiàn)狀31.2.1德國受電弓61.2.2法國受電弓71.2.3日本受電弓81.2.4國產(chǎn)受電弓91.3設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法10第2章受電弓結(jié)構(gòu)介紹及幾何參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化112.1受電弓概述112.2受電弓的基本結(jié)構(gòu)122.3受電弓及和運(yùn)動(dòng)分析122.3.1計(jì)算模型132.3.2受電弓幾何運(yùn)動(dòng)分析142.4受電弓幾何參數(shù)優(yōu)化152.4.1框架幾何參數(shù)優(yōu)化模型的建立162.4.2優(yōu)化方法的選擇182.4.3目標(biāo)函數(shù)和約束條件的確定202.4.4數(shù)學(xué)模型的尺度變換222.4.5優(yōu)化結(jié)果252.5運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算26第3章受電弓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)273.1底架組裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸283.2下臂桿組裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸293.3上臂桿框架結(jié)構(gòu)及主要尺寸303.4驅(qū)動(dòng)裝置主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸303.5阻尼器組裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸30第4章受電弓受力分析314.1力學(xué)分析334.2計(jì)算結(jié)果34第5章受電弓強(qiáng)度分析345.1有限元模型的建立355.2受電弓結(jié)構(gòu)載荷355.3受電弓靜強(qiáng)度仿真35第6章結(jié)論36結(jié)束語37參考文獻(xiàn)38第1章論文綜述1.1設(shè)計(jì)課題背景中國鐵路網(wǎng)中的第一輛交流電器鐵路是1958年開始修建的寶成鐵路寶雞——鳳州段，長約91km，1961年8月15日開始投入使用。寶鳳段電氣鐵路的建成，標(biāo)志著中國鐵路邁出了牽引動(dòng)力革新的第一步。2008年4月18日，京滬高速鐵路全線開工，舉世矚目，只是世界上第一次建成路線最長，標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路，也是新中國建國以來第一次投資開建的最大規(guī)模的項(xiàng)目。京滬高速鐵路線路全長1320公里，最高試驗(yàn)速度高達(dá)400公里以上，以350公里每小時(shí)持續(xù)運(yùn)營，最高運(yùn)營速度達(dá)到400公里每小時(shí)。高速鐵路的發(fā)展，除了要研制高速列車和線路構(gòu)架也即接觸網(wǎng)系統(tǒng)外，還要研究解決電氣列車在高速運(yùn)營時(shí)受電弓在接觸網(wǎng)下的受流問題，研究受電弓的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能、空氣動(dòng)力學(xué)性能和強(qiáng)度問題。只有這樣列車才能在高速是穩(wěn)定可靠的從接觸網(wǎng)獲取電力，從未驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)。目前滿足上述速度要求的受電弓尚未有商業(yè)應(yīng)用先例，受電弓的設(shè)計(jì)和特性對弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量具有舉足輕重的影響，高速的接觸網(wǎng)如果不與合適速度的受電弓進(jìn)行匹配，就不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期設(shè)計(jì)的結(jié)果；反而言之，也不可用用高速受電弓與普通接觸網(wǎng)配合使用，否則，就不能提高高速鐵路的運(yùn)行速度。因此，研究和設(shè)計(jì)高速受電弓是發(fā)展高速鐵路技術(shù)的必經(jīng)之路。受電弓的形式繁多，按照傳動(dòng)系統(tǒng)的工作方式可分為彈簧操作式受電弓和非彈簧操作式受電弓；按照臂桿的結(jié)構(gòu)形式可分為單臂式受電弓和雙臂式受電弓，雙臂式受電弓又可細(xì)分為四腕交叉型雙臂受電弓、四腕菱形雙臂受電弓和二腕菱形雙臂受電弓；按照運(yùn)行的速度可分為高速受電弓和普通受電弓；按使用的場合可分為直流受電弓和交流受電弓；按受電弓框架的層數(shù)可分為單層受電弓和雙層受電弓等。減小離線率和提高受電弓的受流質(zhì)量對受電弓結(jié)構(gòu)特性有如下要求：=1\*GB2⑴受電弓活動(dòng)部分（包括框架結(jié)構(gòu)和弓頭部分）歸算質(zhì)量要小，也就是受電弓運(yùn)動(dòng)時(shí)受電弓所具有的全部動(dòng)能轉(zhuǎn)換為受電弓支架上一個(gè)=集中質(zhì)量垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能，根據(jù)動(dòng)能相等定理求出的質(zhì)量要小。歸算質(zhì)量小，升降弓過程中的慣性就小，受電弓追隨接觸線高度變化的能力就越好，離線率就越小。=2\*GB2⑵要有良好的靜壓力。這就要求受電弓在整個(gè)工作范圍內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)在各個(gè)工作高度的靜壓力幾乎保持不變。靜壓力值得大小不能變化太大。當(dāng)靜壓力越小時(shí)，受電弓追隨接觸線高度變化的性能變差，容易使接觸電阻變大導(dǎo)致離線、拉弧、異常發(fā)熱；相反，當(dāng)靜壓力值越大時(shí)，接觸電阻越小追隨接觸線高速變化的性能越好，但是接觸力過大會(huì)導(dǎo)致碳滑板磨損加劇。=3\*GB2⑶要根據(jù)接觸網(wǎng)系統(tǒng)接觸線高度的變化來設(shè)計(jì)受電弓在升降弓過程中的工作范圍。=4\*GB2⑷受電弓在運(yùn)行過程中，弓頭軌跡在前進(jìn)方向的縱向偏移量盡量小。=5\*GB2⑸受電弓在運(yùn)行過程中，弓頭應(yīng)該保持水平。因?yàn)槭茈姽墓^高度在工作過程中隨接觸線高度的變化而變化，在弓頭高度發(fā)生改變時(shí)，弓頭要一直保持基本水平，這樣才能使碳滑板前后受力均勻，減少碳滑板磨損。=6\*GB2⑹框架結(jié)構(gòu)的底座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。在整個(gè)工作過程中，受電弓幾乎每時(shí)每刻都在振動(dòng)和搖晃，而這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，活動(dòng)件和桿件之間連接大多鉸接，受電弓安全工作的基礎(chǔ)是在滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度下進(jìn)行的，所以，是受電弓具有一定機(jī)械強(qiáng)度和剛度與較小的歸算質(zhì)量統(tǒng)一起來是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。=7\*GB2⑺升弓特性和降弓特性較好。弓頭上升到最高工作過程中能夠保持平滑、穩(wěn)定，不會(huì)對接觸線造成過大的沖擊。為了避免降弓時(shí)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，這就要求受電弓在任何工作高度內(nèi)降弓開始都必須迅速，降弓終了動(dòng)作緩慢，不能產(chǎn)生沖擊損傷。=8\*GB2⑻滑板的工作條件非常嚴(yán)峻，成了承受正常的機(jī)械摩擦和電氣磨損外，還可能承受強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊的強(qiáng)熱流侵蝕u，高速運(yùn)行的受電弓，滑板具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、較小的電阻率、自潤滑性能、良好的耐熱、耐電弧性能。=9\*GB2⑼空氣動(dòng)力學(xué)性能良好。高速運(yùn)行過程中的空氣阻力較小，有合適的氣動(dòng)抬升力。1.2受電弓應(yīng)用現(xiàn)狀1.2.1德國受電弓DSA350型受電弓時(shí)德國鐵路高速受電弓的代表之一。德國ICE高速列車使用DSA350型受電弓。整備質(zhì)量140千克，接觸壓力為50牛頓至130牛頓，采用的驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)升弓，有阻尼降弓。鐵制的弓頭和碳滑板焊接在一起形成一個(gè)整體滑板，壽命很長，更換時(shí)需要一起更換，費(fèi)用較高，更換周期一般達(dá)到150000km，即使在惡劣情況下也可以達(dá)到65000km，不涂石蠟或黃油。最大允許的電流為0.8kA，瞬時(shí)電流可達(dá)到1.3kA，最高運(yùn)行速度為280km/h。圖1-1DSA350型受電弓在試驗(yàn)時(shí)，SBS65型單臂受電弓與Re250接觸網(wǎng)組合使用。運(yùn)行速度為250km/h，接觸力測得最大值為82~89N,在同樣實(shí)驗(yàn)條件下和同區(qū)段運(yùn)行時(shí)速度為160km/h，接觸壓力測得的最大值為125N，平均值為46~50N。SBS65型單臂受電弓在200km/h的運(yùn)行速度下，每公里離線2次，離線時(shí)間為9μs/m1.2.2法國受電弓20世紀(jì)80年代初，法國建成了東南高速線。東南線TGV-PSE型高速動(dòng)車組采用的是由Faiveley公司生產(chǎn)的MADE型單臂受電弓。共投產(chǎn)股僅為1450mm，滑板長度也只有800mm。AMDE型受電弓為雙層小開度型兩級(jí)Z型受電弓（也稱做子母弓），上部受電弓跟蹤接觸線振動(dòng)，下部受電弓跟蹤接觸線高度變化而變化。靜態(tài)接觸力平均為70~80N，歸算質(zhì)量為9kg，使用碳滑板。電氣列車運(yùn)行時(shí)速為270km/h時(shí)，受電弓受流質(zhì)量良好，弓網(wǎng)離線率良好，但隨著運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高，其氣動(dòng)抬升力則會(huì)快速增長。從1991年性能得到優(yōu)化的受電弓在法國高速鐵路投入使用，由Faiveley生產(chǎn)的CX受電弓采用了兩種新技術(shù)控制抬升力：一是采用電子控制和空氣伺服閥的反饋控制技術(shù)；二是在一定速度范圍內(nèi)采用多級(jí)控制技術(shù)對抬升力進(jìn)行改善。2007年4月3日，CX25型受電弓的V150實(shí)驗(yàn)型列車創(chuàng)造了574.8km/h的輪軌鐵路速度的世界紀(jì)錄。CX25型受電弓弓頭長度為1450mm，裝有一根800mm長，約60mm寬的碳滑板，高速運(yùn)行時(shí)可以集取700~800A的電流的大小為700~800A。在550km/h運(yùn)行速度運(yùn)行時(shí)，受電弓收到的平均氣動(dòng)抬升力大約為250N。圖1-2MADE型受電弓圖1-3CX25型受電弓1.2.3日本受電日本新干線上采用的手電型號(hào)為PS200系列受電弓。該系列受電弓為雙臂菱形結(jié)構(gòu)，采用彈簧升弓和氣動(dòng)降弓的操作方式，滑板采用銅基粉末冶金材料，一個(gè)弓頭，上下框架均采用異型鋼管焊接，沿鐵列車運(yùn)行方向的縱向折疊尺寸為850mm，追蹤范圍為500mm，在受電弓基座覆蓋整流罩。弓頭結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，能滿足時(shí)速200km/h列車運(yùn)行時(shí)的受流要求，并且很好地抑制了電弧的產(chǎn)生。PS200A型受電弓為雙臂菱形、下臂交叉型受電弓，采用彈簧式操作系統(tǒng)，選用具有雙向作用的阻尼器。受電弓弓頭長度為1800mm，滑板長度為1110mm，弓頭高度為234mm。受電弓伸展范圍為800mm，工作范圍為500mm，靜態(tài)接觸力為54+15N，弓頭的歸算質(zhì)量為6.93kg，框架歸算質(zhì)量為9.17kg。離線率是衡量受電弓好壞的主要指標(biāo)之一，日本受電弓的改進(jìn)主要是抓住了離線率。受電弓的改進(jìn)始終都是為了降低離線率。使離線率減小的重點(diǎn)是減小受電弓頂部的歸算質(zhì)量。圖1.4所示為700系電動(dòng)車組上使用的翼型弓頭V型單臂受電弓。這種瘦點(diǎn)功能有效減少空氣阻力和噪聲，弓頭質(zhì)量更小。圖1-4翼型弓頭V型單臂受電弓1.2.4國產(chǎn)受電弓SS7型電力機(jī)車采用的制動(dòng)方式為再生制動(dòng)，受電弓的特性要求較高，弓網(wǎng)接觸性能更加可靠，受電弓結(jié)構(gòu)與其他韶山型受電弓不同。韶山7型電力機(jī)車上裝載了兩臺(tái)TSG-400/25型單臂受電弓。受電弓基座、受流運(yùn)動(dòng)部件都裝于T字型底座上，底座具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。底座通過三個(gè)三角布置的絕緣子固定在列車頂部，因此，受電弓具有一定耐電壓的電氣性能。受電弓在氣路中安裝了緩沖閥，使得受電弓在工作范圍內(nèi)的任何工作高度在降弓初期時(shí)反應(yīng)迅速，降弓終了動(dòng)作緩慢，避免產(chǎn)生機(jī)械碰撞損傷。該型號(hào)受電弓而定電壓25kv，最高運(yùn)行速度為100km/h，額定電流400A，額定工作氣壓500KPa，最小工作氣壓450KPa，最大升弓高度大于2.6m，工作高度為0.5m至2.5m，在工作高度范圍內(nèi)，靜態(tài)壓力值大小為60N至80N，升弓時(shí)間小于等于8s，降弓時(shí)間小于等于7s，質(zhì)量為248kg。TSG18C型受電弓由株洲電力機(jī)車有限公司生產(chǎn)，主要組成如圖1.5圖1-5TSG18C型受電弓額定電壓為DC1500V，工作電壓范圍SC1000-1800V,額定工作電流為1500A，運(yùn)行速度為120km/h，靜態(tài)接觸力大小約為120N左右。從以上介紹各國的受電弓的各種技術(shù)條件的結(jié)構(gòu)特性來看，各國的受電弓各有各的特點(diǎn)。在滿足受流質(zhì)量良好和較小的的離線率情況下，符合各自國家的發(fā)展需求。日本新干線受電弓以減少受電弓弓頭歸算質(zhì)量為目標(biāo)，對受電弓不斷進(jìn)行優(yōu)化，具有流線型，結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。法國、德國受電弓技術(shù)條件已經(jīng)滿足時(shí)速300km/h的設(shè)計(jì)運(yùn)行要求，將受電弓從接觸網(wǎng)的可靠受流作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，注重實(shí)用性。我國受電弓的起步較晚，因此，我國受電弓的設(shè)計(jì)應(yīng)借鑒國外受電弓的優(yōu)點(diǎn)，既要滿足良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，也要保證良好的受流質(zhì)量，研制出滿足鐵路需求的高性能受電弓。1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法本文通過研究研究國內(nèi)外受電弓，進(jìn)行方案對比，選擇合適的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行幾何參數(shù)優(yōu)化、受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、弓頭軌跡計(jì)算、強(qiáng)度分析等。根據(jù)上述研究方法，本文結(jié)構(gòu)安排如下：=1\*GB2⑴利用優(yōu)化技術(shù)對受電弓框架幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得出了優(yōu)化后具有良好運(yùn)動(dòng)軌跡的幾何參數(shù)，然后根據(jù)幾何參數(shù)對受電弓進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證計(jì)算。=2\*GB2⑵根據(jù)受電弓的計(jì)算模型，對受電弓進(jìn)行受力分析，考慮各種工況，受電弓兩種工作高度，對受電弓進(jìn)行整體強(qiáng)度校核。=3\*GB2⑶根據(jù)受電弓的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用Proe三維制圖軟件對受電弓的底座、框架和弓頭部分進(jìn)行了精確的三維建模，模型如實(shí)反映受電弓的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立各部分的可視化模型，并進(jìn)行裝配，形成了受電弓的可視化模型。=4\*GB2⑷建立受電弓的三維模型，再通過接口軟件將建立的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，對受電弓各零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。第2章受電弓結(jié)構(gòu)介紹及幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1受電弓概述受電弓是安裝在電氣列車上的一種從一根或幾根接觸線上集取電流的專用設(shè)備，由弓頭、框架、底架和傳動(dòng)系統(tǒng)等幾部分組成，其幾何形狀可以改變。它通過絕緣子安裝在電力機(jī)車或者電動(dòng)車組的車頂上，當(dāng)受電弓升起時(shí)，其滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線直接接觸，從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上受取電流，通過車頂母線或電纜傳送到機(jī)車內(nèi)部或高壓機(jī)器箱，供機(jī)車或電動(dòng)車組使用。受電弓靠滑動(dòng)接觸而受流，是電力機(jī)車\電動(dòng)車組與固定供電裝置之間的連接環(huán)節(jié)，其性能的優(yōu)劣直接影響到電力機(jī)車、電動(dòng)車組工作的可靠性。隨著電力機(jī)車\電動(dòng)車組運(yùn)行速度的不斷提高，對其受流性能也提出了更高的要求。其基本要求是：滑板與接觸導(dǎo)線接觸可靠；磨耗??；升、降弓時(shí)不產(chǎn)生過分沖擊；運(yùn)行中受電弓動(dòng)作輕巧、平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好。技術(shù)在近10年得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。高速受電弓作為高速動(dòng)車上的關(guān)鍵設(shè)備,是弓網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分,一旦弓網(wǎng)接觸不好,將直接影響弓—網(wǎng)間的受流特性,進(jìn)而影響列車的牽引供電性能;更加嚴(yán)重的是,如果受電弓結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中破壞不僅會(huì)中斷受流,還常常引起接觸網(wǎng)系統(tǒng)的破壞。所以鐵路高速化中,除了要研制高速機(jī)車車輛和線路結(jié)構(gòu),還必須研制能夠在高速條件下保持良好受流,并安全可靠運(yùn)行的高速受電弓。受電弓的分類：=1\*GB2⑴臂式：雙臂式集電弓乃最傳統(tǒng)的集電弓，亦可稱“菱”形集電弓，因其形狀為菱形。但現(xiàn)因保養(yǎng)成本較高，加上故障時(shí)有扯斷電車線的風(fēng)險(xiǎn)，目前部分新出廠的鐵路車輛，已改用單臂式集電弓；亦有部分鐵路車輛（例如新干線300系列車）從原有的雙臂式集電弓，改造為單臂式集電弓。=2\*GB2⑵單臂式：除了雙臂式，其后亦有單臂式的集電弓，亦可稱為“之”（Z）（ㄑ）字形的集電弓。此款集電弓的好處是比雙臂式集電弓噪音為低，故障時(shí)也較不易扯斷電車線，為目前較普遍的集電弓類型。而依據(jù)各鐵路車輛制造廠的設(shè)計(jì)方式不同，在集電弓的設(shè)計(jì)上會(huì)有些許差異。=3\*GB2⑶垂直式：除了上述兩款集電弓，還有某些集電弓是垂直式設(shè)計(jì)，亦可稱成“T”字形（亦叫作翼形）集電弓，其低風(fēng)阻的特性特別適合高速行駛，以減少行車時(shí)的噪音。所以此款集電弓主要用于高速鐵路車輛。但是由于成本較高，垂直式集電弓已經(jīng)沒有使用（日本新干線500系改造時(shí)由垂直式集電弓改為單臂式集電弓）。=4\*GB2⑷石津式：日本岡山電氣軌道的第六代社長，石津龍輔1951年發(fā)明，又稱為“岡電式”、“岡軌式”。圖2-1雙臂受電弓圖2-2雙單臂受電2.2受電弓的基本結(jié)構(gòu)受電弓的結(jié)構(gòu)依賴于電氣列車的運(yùn)行速度、負(fù)荷大小、接觸網(wǎng)的狀況，并因各個(gè)國家的制造經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)習(xí)慣不同而有所不同，但概括起來，并不外乎于弓頭、框架、底架、和傳動(dòng)系統(tǒng)等四個(gè)基本部分組成。常用單臂受電弓的結(jié)構(gòu)如圖所示：圖2-3單臂受電弓的結(jié)構(gòu)框架（2）底架（3）弓頭（4）滑板（5）弓角（6）弓頭長度（7）弓頭寬度（8）弓頭高度（10）滑板長度（11）下部工高度（12）上部工作位置高度（13）受電弓的工作位置范圍（14）落弓高度以DSA-350型受電弓進(jìn)行結(jié)構(gòu)說明：DSA-350型受電弓主要由底架、阻尼器、升弓裝置、下臂、弓裝配、下導(dǎo)桿、上臂、上導(dǎo)桿、弓頭、滑板及升弓氣源控制閥板等機(jī)構(gòu)組成。升弓裝置安裝在底架上，通過鋼絲繩作用于下臂。上臂和弓頭由較輕的鋁合金材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。1-底架；1-底架；

2-阻尼器；

3-升弓裝置；

4-下臂；

5-弓裝配；

6-下導(dǎo)桿；

7-上臂；

8-上導(dǎo)桿；

9-弓頭；

10-滑板。圖2-4DSA-350型受電弓=1\*GB2⑴底架：通過支持絕緣子和3個(gè)安裝座將受電弓安裝到車頂上。底架上有3個(gè)電源引線連接點(diǎn)和升弓用氣路，還裝有自動(dòng)降弓用快速排氣閥、試驗(yàn)閥和自動(dòng)降弓用關(guān)閉閥。=2\*GB2⑵阻尼器：裝在底架和下臂之間，它使得機(jī)車運(yùn)行速度變化大時(shí)受電弓和接觸網(wǎng)壓力變化不大。=3\*GB2⑶升弓裝置：升弓裝置是受電弓的動(dòng)力裝置，由氣囊式氣缸和導(dǎo)盤組成，其導(dǎo)盤通過鋼索連接在下臂鋼索軌道上，進(jìn)氣時(shí)氣囊脹大，推動(dòng)導(dǎo)盤向其前方運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)盤和鋼索軌道間拉緊的鋼索帶動(dòng)下臂繞軸向上轉(zhuǎn)動(dòng)，受電弓升起。排氣時(shí)氣囊式氣缸回縮，受電弓降弓。=4\*GB2⑷下臂：為鋼管支撐受電弓重量，傳遞升弓力矩，其長度決定了受電弓的工作高度。其一端固定在底架上，另一端通過鉸鏈和上臂相連。其上設(shè)有鋼索導(dǎo)軌，通過鋼索和升弓裝置相連，升弓裝置帶動(dòng)下臂繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其內(nèi)有空氣管路，通過管接頭和軟管連接，作為自動(dòng)降弓裝置氣的路。=5\*GB2⑸弓裝配：在受電弓落弓時(shí)起防護(hù)弓頭的作用。=6\*GB2⑹下導(dǎo)桿分別接在上臂一端和底架上，用于調(diào)整最大升弓高度和滑板運(yùn)動(dòng)軌跡。=7\*GB2⑺上臂為鋁合金框架，用于支承弓頭重量，傳遞向上壓力，保證受電弓工作高度。=8\*GB2⑻上導(dǎo)桿一端接在下臂，另一端接在弓頭支架的幅板下方，其作用是調(diào)整滑板在各運(yùn)動(dòng)高度均處于水平位置。=9\*GB2⑼弓頭：弓頭安裝在受電弓框架的頂端，直接與接觸網(wǎng)接觸，匯集電流。它主要由滑板座、幅滑板、4個(gè)拉伸彈簧、2個(gè)橫向彈簧及其附屬裝置組成，如下圖。兩個(gè)滑板座與兩個(gè)幅板相連，組成相對堅(jiān)固的弓頭支架。弓頭支架垂懸在4個(gè)拉簧下方，兩個(gè)橫向彈簧安裝在弓頭和上臂間，滑板安裝在弓頭支架上。這種結(jié)構(gòu)使滑板在機(jī)車運(yùn)行方向上移動(dòng)靈活，而且能夠緩沖各方向上的沖擊，達(dá)到保護(hù)滑板的目的。圖2-5弓頭結(jié)構(gòu)=10\*GB2⑽滑板中有氣腔，同有壓縮空氣，如果滑板出現(xiàn)磨損到限或斷裂時(shí)，自動(dòng)降弓裝置發(fā)生作用，受電弓會(huì)迅速自動(dòng)降下。更換滑板后，要重新啟動(dòng)自動(dòng)降弓裝置。（11）鉸鏈機(jī)構(gòu)：由兩個(gè)四鉸鏈機(jī)構(gòu)組成。下部四鉸鏈機(jī)構(gòu)由下臂、上臂的T形部分、推桿和底架組成，其作用是當(dāng)下臂轉(zhuǎn)動(dòng)角Φ角時(shí)使弓頭上升或下降并保持其運(yùn)動(dòng)軌跡基本上為一鉛垂線。上部四鉸鏈機(jī)構(gòu)由上臂框架部分、弓頭導(dǎo)桿及弓頭支架組成，其作用是使滑板在整個(gè)運(yùn)動(dòng)高度保持水平狀態(tài)。2.3受電弓幾何運(yùn)動(dòng)分析2.3.1計(jì)算模型包括簡化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和以弓頭軌跡為目標(biāo)的幾何參數(shù)分析。受電弓第一個(gè)滿足的要求就是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，否則機(jī)構(gòu)就不能滿足四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求。當(dāng)受電弓滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求時(shí)，才能對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、受力分析、強(qiáng)度校核等，從未最電力機(jī)車受電弓的設(shè)計(jì)，以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。受電弓的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析后設(shè)計(jì)定型。對高速受電弓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其基本流程如下：圖2-6受電弓幾何設(shè)計(jì)流程受電弓是由框架（平衡桿、下臂桿、上臂桿、平衡臂、下臂桿）以及公投等幾部分組成的空間結(jié)構(gòu)，其幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但在實(shí)際中可以用等效的而為結(jié)構(gòu)來表述其運(yùn)動(dòng)。一下就針對受電弓的升弓系統(tǒng)—即升弓框架及株洲和升弓彈簧系統(tǒng)進(jìn)行研究。為此，選定垂直于主軸和各軸鏈的對稱平面作為研究平面。將受電弓升弓系統(tǒng)中各元件向該平面內(nèi)投影并將各鉸鏈間簡化成桿件。下面就針對這種情況，建立如圖3-1所示的計(jì)算模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析圖2-7受電弓幾何關(guān)系計(jì)算模型2.3.2受電弓幾何運(yùn)動(dòng)分析考慮到下臂桿為主動(dòng)件，不妨以點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向左方向?yàn)閤軸正方向，垂直向上為y軸的正方向。根據(jù)坐標(biāo)與夾角的關(guān)系可以得到鉸鏈A和鉸鏈B之間的距離和AB與x軸正方向成的夾角lAB=xBε=arctg(2-2)在△ABD中，根據(jù)余弦定理可得BD兩點(diǎn)之間的距離l=(2-3)根據(jù)三角形內(nèi)角和外角的關(guān)系，可以得到γ的計(jì)算公式γ=∠CBD+∠BCD-∠ADB-α-δ=arccos+arccos-arccos-α-δ（2-4）在△ABD和△CBD中，可以得到∠ABD=arccos（2-5）∠CBD=arccos（2-6）所以，β=-∠CBD-∠ABD-ε=-arccos-arccos-ε（2-7）根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，我們可以得到點(diǎn)E、G的坐標(biāo)X=-lcos(-∠DAG)X=-lcos+lcosγY=-lsin(-∠DAG)Y=-lsin+lsinγ（2-8）根據(jù)E、G兩點(diǎn)的坐標(biāo)，可以得到EG的距離公式lEG=（2-9）在△EGF中，由余弦定理得∠EGF=arccos(2-10)從而根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系可得λ=arctg-∠EGF=arct-arccos（2-11)根據(jù)幾何關(guān)系，我們可以得到F點(diǎn)的坐標(biāo)x=x+lcosy=y+lsin（2-12）所以，由夾角與坐標(biāo)之間的關(guān)系可以得到平衡臂與水平方向的夾角-arctg>0μ==0（2-13）-arctg<02.4受電弓幾何參數(shù)優(yōu)化2.4.1框架幾何參數(shù)優(yōu)化模型的建立受電弓由弓頭、框架、底架和傳動(dòng)系統(tǒng)四部分組成。底架支持框架，通過絕緣子固定在車頂上?？蚣芡ㄟ^升弓彈簧支持弓頭，從整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析，整個(gè)框架可以簡化為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)作用于下臂桿的扇形區(qū)域來實(shí)現(xiàn)升弓動(dòng)作。為了使工頭的上下運(yùn)動(dòng)軌跡近似垂直，下框架只有專門的拉桿作為補(bǔ)助腕。為了保障弓頭滑板面在受電弓工作范圍內(nèi)始終保持水平狀態(tài)，上框架附近設(shè)有專門的平衡桿件。如圖是單臂受電弓的機(jī)械幾何關(guān)系模型，下臂桿ADG為主動(dòng)件，升弓彈簧推動(dòng)鉸鏈A的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)受電弓的升弓和降弓動(dòng)作。為使受電弓在工作范圍內(nèi)弓頭E的縱向偏移小，因而需要設(shè)計(jì)確定圖3-2中機(jī)構(gòu)的11個(gè)參數(shù)：X1、X2…圖2-8單臂受電弓幾何關(guān)系模型表2-1受電弓設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量含義 x/mm拉桿BC的長度x/mm上臂桿CD的長度x/mm下臂桿AG的長度x/mm下臂桿AD的長度x/mm上臂桿DE的長度x/mm平衡桿FG的長度x/mm平衡桿EF的長度x/mm固定鉸支座AB中心距x/rad上框架CD桿與DE桿夾x/rad下臂桿AG與AD間夾x/radAB中心線與X軸夾角通過對圖3-2中所示模型的運(yùn)動(dòng)分析，可以得到以下幾何關(guān)系：E點(diǎn)坐標(biāo)x=acos-acosy=asin+asin(2.14)(2)F點(diǎn)坐標(biāo)x=acos(-a)-acosy=asin(-a)+asin(2.15)（3）平衡桿EF的偏轉(zhuǎn)角-arctg>0μ==0(2.16)-arctg<02.4.2優(yōu)化方法的選擇混合罰函數(shù)法簡稱混合法。由于內(nèi)點(diǎn)法容易處理不等式約束問題，而外點(diǎn)法又容易處理等式約束問題，因而可將內(nèi)點(diǎn)化與外點(diǎn)法結(jié)合起來，處理同時(shí)具有等式約束和不等式約束的優(yōu)化問題。在求解約束非線性規(guī)劃問題時(shí)常用混合罰函數(shù)法，而受電弓幾何參數(shù)的優(yōu)化，屬于典型的玉樹非線性連續(xù)變量最優(yōu)化問題。2.4.3目標(biāo)函數(shù)和約束條件的確定為了保證機(jī)車在運(yùn)行的過程中平穩(wěn)受流，受電弓機(jī)構(gòu)在工作過程中必須滿足一定的運(yùn)動(dòng)要求：（=1\*alphabetica）弓頭E點(diǎn)在升弓和降弓的運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡近似垂直，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在工作范圍（受電弓上部工作位置與下部工作位置高度之差）在水平方向上的偏差盡量小，不能超過30mm；（b）在受電弓工作高度范圍內(nèi)，應(yīng)盡量保持弓頭平衡桿EF平動(dòng)，有利于弓頭前后滑板在工作工程中受力均勻。（1）目標(biāo)函數(shù)的確定而平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式為：F=3n-（2pl+ph）（其中，n代表活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目，pl代表平面低副的個(gè)數(shù)，ph代表平面高副的個(gè)數(shù)，圖3-2中受電弓機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型中有5個(gè)活動(dòng)桿件，7個(gè)低副，0個(gè)髙副，所以根據(jù)自由度的計(jì)算公式得該模型自由度為F=35-27-0=1，所以該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，即角度α。由以上的運(yùn)動(dòng)及和分析可知，當(dāng)下臂桿AD繞鉸鏈A旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們就可以唯一確定弓頭E點(diǎn)的軌跡和平衡桿與水平方向的夾角，即：x(i)=x(x,x,,...,x)y(i)=x(x,x,,...,x)i=1,2,3,...,n（2-18）(i)=(x,x,,...,x)式中：x(i)為弓頭E點(diǎn)軌跡曲線離散點(diǎn)的橫坐標(biāo)；y(i)為弓頭E點(diǎn)軌跡曲線離散點(diǎn)的縱坐標(biāo)；(i)為平衡桿在低i個(gè)位置與水平方向的夾角；n為所去離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)。根據(jù)以上要求來看，為了使受電弓得到良好的工作條件，EF桿應(yīng)盡量保持平動(dòng)，且弓頭E在水平方向X有較小的位移。由此得，這是一個(gè)有兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化問題?？紤]到在多目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化問題中各目標(biāo)的重要程度不一樣，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中顯然首先先考慮主要目標(biāo)，同時(shí)兼顧次要目標(biāo)兼顧。主要目標(biāo)法時(shí)以此為指導(dǎo)思想，該法首先將多目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化問題中n個(gè)分目標(biāo)按重要程度做出排列，將最重要的排列在最前面，然后依次將各分項(xiàng)目標(biāo)函數(shù)極小化。為保證受電弓的正常工作，前后滑板受力均勻，并保持弓頭在垂直方向上運(yùn)動(dòng)在受電弓升降過程中，弓頭平衡桿必須盡量保持平動(dòng)。因而受電弓平衡桿的平動(dòng)顯得更為重要。因此把平衡桿EH平動(dòng)作為主要目標(biāo)，把E點(diǎn)的橫向位移這一目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件，所以受電弓優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：min?(x)=(x)=∣90-(i)∣（2-19）（2）約束條件的確定為了保證優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)，各個(gè)設(shè)計(jì)變量應(yīng)該滿足如下設(shè)計(jì)要求：（=1\*ROMANI）受電弓在正常工作范圍內(nèi)，弓頭軌跡橫曲線橫向位移偏差應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)，其偏差最大不能超過30mm，即：G(i)=max(x)-x(i)-30<0i=1,2,...,n（2-20）其中，max(x)是E點(diǎn)橫坐標(biāo)的最大值。（=2\*ROMANII）為保證正常升降弓及桿件干涉條件，應(yīng)能滿足：x+x-l(i)>0x-x+l(i)>0x+l(i)-a>0x+x-l(i)>0i=1,2,3,...nx-x+l(i)>0x+l(i)-x>0（2-21）（=3\*ROMANIII）受電弓正常工作時(shí)，弓頭E的豎坐標(biāo)即受電弓工作高度在工作范圍300-2800mm內(nèi)，于是產(chǎn)生了兩個(gè)約束條件:G(n7+1)=y(1)-300>0G(n7+2)=y(n)-2800<0（2.22）（=4\*ROMANIV）各個(gè)設(shè)計(jì)變量的上下限值。（長度單位：mm；角度單位：rad）由于各個(gè)設(shè)計(jì)變量為受電弓機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，所以他們的組成四桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)，并且設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)應(yīng)該能滿足受電弓正常工作應(yīng)該滿足的基本工作要求，于是對各個(gè)設(shè)計(jì)變量取值范圍進(jìn)行約束：1000<x<1400250<x<6001500<x<16501550<x<17001600<x<20001600<x<1800（2-23）80<x<150600<x<9002.09<x<30<x<0.03120<x<0.72.4.4數(shù)學(xué)模型的尺度變換按照上述的方法和原則，確定了優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件后，為了加快優(yōu)化的收斂速度、提高數(shù)值變化的靈敏性和運(yùn)算的穩(wěn)定性還需要對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行尺度變換。所謂的尺度變換，是指通過或縮小各個(gè)坐標(biāo)的比例尺從而改變數(shù)學(xué)模型性態(tài)的一種技巧。（1）設(shè)計(jì)變量的尺度變換從上面選取的設(shè)計(jì)變量我們可以看到，所選取的三個(gè)變量的單位為角度：rad，而其他設(shè)計(jì)變量的單位為長度：mm，量綱的不同使它們的數(shù)量級(jí)差別變得很大，因此，重新選取設(shè)計(jì)變量，以保證選取的各個(gè)設(shè)計(jì)變量保持在同一數(shù)量級(jí)，即：x=(x,...,x,10x,10x,10x)（2.21）(2)約束條件的尺度變換同一問題中的各個(gè)約束條件約束函數(shù)值的數(shù)量級(jí)差別較大容易導(dǎo)致約束函數(shù)對數(shù)值變化反映的靈敏度有較大相差，從而使得約束函數(shù)值在優(yōu)化時(shí)所起的限制作用也相去甚遠(yuǎn)。靈敏度低的約束幾乎得不到考慮，相反，靈敏度高的約束在極小化過程中首先得到滿足。為了避免這種情況的發(fā)生，對約束條件進(jìn)行尺度變換，使它們保持在同一數(shù)量級(jí)上，具體做法如下：G(i)=max(x)/30-x/30-1<0G(n+1)=y(1)/300-1>0i=1,2,...,n（2.22）G(n+2)=y(n)/2600-1<02.4.5優(yōu)化結(jié)果利用以上建立的受電弓的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件，利用MATLAB編程計(jì)算，其幾何參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表2-2：表2-2受電弓參數(shù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)際值優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果x/mm1224.51271.0472x/mm323.5317.1819x/mm1561.51561.4132x/mm1596.11600.8498x/mm1891.11907.3935x/mm1858.71858.1726x/mm94.2118.6907x/mm712.3670.2878x/rad3.0605432.9463914x/rad0.022076670.0198053x/rad0.20785820.2904003圖圖2-9升弓高度與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系經(jīng)過優(yōu)化后，雖然在500mm以下，平衡桿EF偏轉(zhuǎn)角依然和90度相差較大，但在500mm以上,平衡桿的偏轉(zhuǎn)角很小，在±0.5度變化，所以經(jīng)過優(yōu)化，滿足設(shè)計(jì)要求。2.5運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算計(jì)算模型如圖2-7在△BCD中，由余弦定理得，

θ1=∠CBD=arccosθ2=∠在△ABD中，由余弦定理得，

θ3=∠ADB=arccosx4BD2=x4所以，根據(jù)角度和關(guān)系，得γ=θ1+θ2+根據(jù)坐標(biāo)之間距離和角度的關(guān)系，可得xE=x5yE=x5?計(jì)算結(jié)果：BD=3011996-2146035.5ｘcos表2-3BD值α（°）α+16.6°BD2（mmBD（mm）016.6955401.73997.45521.61016662.561008.301026.61093109.271045.521531.61184159.761088.192036.61289121.601135.392541.61407194.751186.253046.61537481.811239.953551.61678991.121295.764056.61830645.071353.014561.61991289.561411.135066.62159702.531469.595571.62334601.961527.94θ1=∠CBD=arccosθ2=∠BCD=arccos

θ3=∠ADB=arccos表2-4θ1α（°）θ1θ2θ3013.0319.3816.035924.5814.131010.9629.4916.651512.6134.1818.802013.7138.5520.582514.3043.5522.13014.4548.5123.103514.1553.723.824013.4259.5324.414512.1765.8724.665010.3872.8424.7255表2-4受電弓軌跡α（°）γ（°）xE（yE（mm05.18298.7172.258.25292.8413.11012.60284.9694.01516.97279.7965.52020.78278.91224.22524.64282.81471.73028.66287.41751.13532.83291.31952.44037.34289.82185.64542.18281.22412.45047.3263.72627.85552.59240.52826.1圖2-10受電弓軌跡圖從表中數(shù)據(jù)和受電弓軌跡圖可以看出，受電弓具有良好的運(yùn)動(dòng)軌跡，角度當(dāng)α在10°-50°內(nèi)（相當(dāng)于工作高度內(nèi)），在X軸的橫向偏差最大為36mm，合理。第3章受電弓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維模型高速受電弓主要由底架組裝、驅(qū)動(dòng)裝置、阻尼器、下臂桿組、拉桿組、上框架桿組、弓頭組裝的幾部分組成，其外形如圖3-1圖3-1受電弓基本結(jié)構(gòu)外形3.1底架組裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸底架的最大外形尺寸為1240mm（長）ｘ580mm（寬）ｘ60mm（高），主要有兩個(gè)側(cè)梁，兩個(gè)橫梁，一個(gè)下臂底座，一個(gè)升弓氣囊底座，一個(gè)拉桿底座，一個(gè)阻尼器底座和三個(gè)絕緣子座等相關(guān)部件焊接構(gòu)成。其絕緣子做橫向間距為1100mm，縱向間距為800mm，整個(gè)底座選用材料為1Cr13。底架側(cè)梁和橫梁都是箱型鋼，外形尺寸分別為1240mmｘ60mmｘ60mm和580mmｘ60mmｘ60mm，壁厚3mm。圖3-2受電弓底座結(jié)構(gòu)3.2下臂桿組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸下臂桿時(shí)受電弓的主要承載部件，與整個(gè)受電弓結(jié)構(gòu)的上臂桿，底座。驅(qū)動(dòng)裝置，平衡桿相連，由下臂旋轉(zhuǎn)桿筒，阻尼器座，下臂桿轉(zhuǎn)筒支撐，上臂桿轉(zhuǎn)筒和平衡桿座，扇形板等焊接而成。其主體部分是一個(gè)大端外徑110mm，小端外徑100mm長度為1600.85mm，壁厚為4mm的變截面桿件，其右端為長度為480mm，外徑110mm，內(nèi)徑為90mm的等截面圓桿，所選材料為1Cr18Ni9Ti。圖3-3受電弓下臂桿部件鋼軌導(dǎo)索通過焊接和螺栓連接，阻尼器底座采用的材料和下臂桿相同，連接方式為焊接。3.3上臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸上臂桿的結(jié)構(gòu)外形如圖所示圖3-4受電弓上臂桿框架上臂桿組主要由拉桿座、上臂桿框架、連接座、弓頭支撐桿等部件焊接而成，結(jié)構(gòu)對稱布置，其主要支撐桿件為變截面空心桿件度為2094.01mm，由兩部分組成，靠近拉桿座的長度為1300mm，直徑60mm，另一部分長度為794.01mm，直徑為40mm，其厚度為4mm，所選材料為ZL201.弓頭支撐桿選用材料為ZL201鋁合金，兩連接處的距離1000mm，上框架最左端距離為305mm。3.4驅(qū)動(dòng)裝置主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要尺寸驅(qū)動(dòng)裝置的主體主要包含三部分，分別是空氣彈簧、板組焊、支撐架組焊。如圖所示，支撐架的最左端到定位孔件距離為991.11mm，支撐架橫向距離為160mm，凹中間圓孔直徑為120mm，考慮到空氣阻力和噪聲的控制，選用空氣彈簧的型號(hào)為M/31802號(hào)氣囊。圖3-5氣囊部件3.5組裝結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)借鑒以前的阻尼器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們知道阻尼器的組裝主要包括阻尼器、阻尼器套筒、螺栓套筒、氣缸頭螺栓、活塞干透螺栓，其零件個(gè)數(shù)各一個(gè)，還有兩個(gè)放松螺母組成，如圖所示，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的布置來選擇阻尼器的安裝位置，安長度范圍為490mm~667mm，此尼器長度為575.61mm，直徑為55mm。圖3-6阻尼器第4章受電弓力學(xué)分析4.1力學(xué)分析通過上述幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析獲得受電弓機(jī)構(gòu)個(gè)桿件幾何參數(shù)，為了繼續(xù)下一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，需初步計(jì)算各桿件載荷信息，因此對受電弓進(jìn)行受力分析，各桿件受力分析圖如圖3.4~3.9，在計(jì)算過程中先不考慮慣性力和中立的影響，為了簡化計(jì)算，將平衡桿和弓頭作為一個(gè)整體處理，將氣動(dòng)抬升力考慮到接觸力Fc中，下臂桿鉸鏈A全約束，即做等效處理（將升弓彈簧和阻尼器等作用于下臂桿的力等效到鉸鏈A）用支座反力或力矩代替。這樣，各桿的在受電弓幾何機(jī)構(gòu)中，平衡桿和拉桿均為二力桿，作用力的方向與桿的中心線方向重合，其他各鉸接處的約束力分別向X、Y軸兩個(gè)方向進(jìn)行正交分解。首先以平衡臂作為研究對象，如圖4-1圖4-1平衡臂受力分析對鉸E，由力矩平衡得，∑ME即Flsin+Flcos-Flsin(+)=0（4-1）∴F=∑FEx根據(jù)合力平衡，各個(gè)分力在X、Y軸的投影合力為零，得 ∑F即F+F+Fcos=0F-F-Fsin=0（4-2）∴F=-F-FcosF=F+Fsin（4-3）其中，F(xiàn)代表接觸壓力；F代表橫梁、碳滑板、彈簧盒等部件等收到的空氣阻力；F、F分別代表上臂桿與平衡臂間鉸力x、y軸方向的分力；F代表平衡桿的作用力。以上臂桿作為研究對象，如圖4-2，圖表4-2上臂桿受力分析對鉸D，有力矩平衡得，∑M即FlsinBCD-Flcos-Flsin=0（4-4）∴F=（4-5）∑FDx根據(jù)合力平衡，各個(gè)分力在X、Y軸的投影合力為零，得 ∑F即F+F+Fcos(BCD--)=0F+F+Fsin(BCD--)=0（4-6）F=-F-Fcos(BCD--)F=-F-Fsin(BCD--)（4-7）其中，F(xiàn)、F分別代表上臂桿與下臂桿之間鉸接處的作用力的在x、y軸方向的分力；F代表拉桿的作用力。以下臂桿作為研究對象，如圖4-3圖4-3下臂桿受力分析對鉸A，由力矩平衡∑M即M+Flcos-Flsin+Flsin(+-DAG)=0∴M=-Flcos+Flsin-Flsin(+-DAG)（4-8）∑FAx根據(jù)合力平衡，各個(gè)分力在X、Y軸的投影合力為零，得 ∑F即F+F-Fcos=0F+F+Fsin=0（4-9）∴F=-F+FcosF=-F-Fsin（4-10）圖表4-4受力分析圖4.2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行守電動(dòng)整體強(qiáng)度分析，在列車運(yùn)行過程中，受電弓除受靜壓外，還有空氣阻力，弓網(wǎng)相互作用力。弓網(wǎng)接觸里表達(dá)式：Fc=式中：Fc0FaMta表示弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力；Mt當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)速V≥200km/h時(shí)，考慮空氣阻力，綜合各種情況，去最大瞬態(tài)接觸力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，F(xiàn)c=600N，取空氣阻力大小FAir在這里，我們?nèi)∈茈姽趦煞N工作頻率較高的工作高度進(jìn)行強(qiáng)度受力計(jì)算，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。受電弓各框架結(jié)構(gòu)各部分材料部件名稱材料彈性模量E/GPa[σ]/MPa下臂桿不銹鋼2001068拉桿不銹鋼2001068上臂桿鋁合金70平衡桿石墨纖維GT50平衡臂鋁合金70工況（1）Fc=600N，F(xiàn)Air=900N，對此工況，受電弓開口運(yùn)行，接觸網(wǎng)采用京滬高速接觸網(wǎng)，次接觸網(wǎng)為國內(nèi)開發(fā)的強(qiáng)度最高的高導(dǎo)接觸線，此時(shí)取弓頭平衡桿在理想情況下與水平線夾角μ=90°，弓頭中心導(dǎo)平衡桿高度為xGyGxEyEλ=arctg（yF=arctg1751.1-F==900×102.5×sin90°+600×102.5×=875.85NF=-F-Fcos=-900-875.85ｘcos27.46°=-1677.17NF=F+Fsin=600+875.85ｘsin27.46°=1003.88NF==1003.88×1907.34×cosF=-F-Fcos(BCD--)=1677.17-942.34×cos（48.51-11.2-27.46）=748.72NF=-F-Fsin(BCD--)=-1003.88-932.34ｘsin(48.51-11.2-27.46)=-1164.37NF=-F+Fcos=-748.72+875.85ｘcos27.46°=28.45NF=-F-Fsin=1164.37-875.85ｘsin27.46°=760.49NM=-Flcos+Flsin-Flsin(+-DAG)=1164.37ｘ1600.85ｘcos30°+748.72ｘ1600.85ｘsin30°-875.85ｘ1561.4ｘsin（30°+27.46°-1.13°）=1075411.902N?mm表4-1α=30°工況（1）下各鉸力統(tǒng)計(jì)結(jié)果FFFExFEyFB875.85N-1677.17N1003.88N952.34N748.72N-1164.37NFAxFAy28.45N760.49N1075411.902N?mm工況（2）Fc=600N，F(xiàn)AirxGyGxEyEλ=arctg（yF=arctg1751.1-F==-900×102.5×sin=-875.85NF=-F-Fcos=900+875.85ｘcos27.46°=1677.17NF=F+Fsin=600-875.85ｘsin27.46°=196.12NF==196.12×1907.34×cosF=-F-Fcos(BCD--)=-1677.17-7605.71×cos（48.51-11.2-27.46)=-9170.76NF=-F-Fsin(BCD--)=-196.12-7605.71ｘsin(48.51-11.2-28.66)=-1839.36NF=-F+Fcos=9170.76-875.85ｘcos27.46°=8395NF=-F-Fsin=1839.36+875.85ｘsin27.46°=2242.85NM=-Flcos+Flsin-Flsin(+-DAG)=1839.36ｘ1600.85ｘcos30°-9170.76ｘ1600.85ｘsin30°+875.85ｘ1561.4ｘsin（30°+27.46°-1.13°）=-3653426.327N?mm表4-2α=30°工況（2）下各鉸力統(tǒng)計(jì)結(jié)果FFFExFEyFB-875.85N1677.17N196.12N7605.71N-9170.76N-1839.36NFAxFAy8395N2242.85N-3653426.327N?mm=2\*GB3②α=50°，即受電弓下臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)到角度為30度時(shí)的工作狀態(tài)，此時(shí)：工況（1）Fc=600N，F(xiàn)Air=900N，對此工況，受電弓開口運(yùn)行，接觸網(wǎng)采用京滬高速接觸網(wǎng)，次接觸網(wǎng)為國內(nèi)開發(fā)的強(qiáng)度最高的高導(dǎo)接觸線，此時(shí)取弓頭平衡桿在理想情況下與水平線夾角μ=90°，弓頭中心導(dǎo)平衡桿高度為xGyG=1561.4×xEyEλ=arctg（yF=arctg2627.8-F==900×102.5×sin90°+600×102.5×=1118.78NF=-F-Fcos=-900-1118.98ｘcos46.01°=-1677.17NF=F+Fsin=600+1118.98ｘsin46.01°=1404.78NF==1404.78×1907.3