高作用区受电弓结构参数优化设计

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1、万方数据摘要受电弓是铁路弓网系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响和关系到列车的正常运行。随着铁路的不断发展，客货混运高作用区的出现，在列车提速的情况下，现有的受电弓已经无法满足高作用区运行环境的需要。本文基于优化设计理论和有限元理论，以Matlab优化工具箱和有限元分析软件MARC为平台，对受电弓运动学和动力学性能进行了优化，为受电弓的设计提供可靠有效的理论和技术支撑。本文首先建立受电弓机构运动学数学模型，分析了受电弓各杆件之间运动关系。采用拉格朗日方程建立受电弓垂向非线性运动微分方程并对其进行线性化，得到了受电弓的动力学模

2、型。通过求解牛顿欧拉方程组对受电弓各杆件的受力情况进行了分析，为受电弓杆件几何参数设计提供依据。其次，在建立受电弓机构运动数学模型基础上，根据机车运行过程中平稳受流对受电弓结构的要求，以受电弓平衡臂平动为优化目标，以受电弓正常收弓、弓头横向偏移量、受电弓升弓高度、受电弓机构正常工作对设计变量的要求为约束条件，采用Matlab优化工具箱对受电弓机构进行优化，得到了使受电弓运动学性能达到最优的结构几何参数。优化前后受电弓弓头横向位移偏差量由49mm减小到27mm，满足横向位移偏差量不能大于30mm的要求。优化后平衡臂的偏转角为0．7

3、度，平衡臂近乎平动，能够满足使用要求。第三，为保证受电弓结构可靠性，对受电弓主要承力部件进行了刚强度校核。文中采用Solidworks建立主要承力部件三维几何模型，在有限元软件MARC中对比分析了不同材料零部件的刚强度和动力学模态性能。在满足刚强度要求的条件下，将合金钢更换为铝合金材料能够提高受电弓的性能。最后，建立包括受电弓、接触网和腕臂的弓网动态耦合有限元仿真模型。仿真模型客观地反映弓网高速接触、空气动力等载荷作用下的弓网接触状态变化，仿真结果与试验结果及理论计算值的误差在规定范围内，验证了仿真方法的正确性。基于弓网耦合仿真

4、模型，分析了受电弓不同参数对接触力变化的影响规律。结果表明减小弓头和上框架的质量、刚度，增加弓头和上框架的阻尼对提高受流质量有益，为受电弓结构的进一步优化改进提供了理论依据。关键词：高作用区；受电弓；结构参数；优化；弓网耦合；有限元万方数据ABSTRACTPantographisanimportantpartofthepantograph—catenarysystem，andithasasignificantimpactonthetrainrunning．Wimthedevelopmentofrailwayandincreasi

5、ngoftrainspeed，theexistingpantographcannotmeetthepropertiesrequiredinhi曲一reachrunningenvironment．Basedontheoptimizationdesigntheoryandfiniteelementmethodtheory，thekinematicanddynamicperformanceWasoptimizedbyMauaboptimizationtoolboxandfiniteelementmethod(FEM)softwareM

6、RAC，anditCanprovidetheoryandtechnicalsupportforthedesignofpantograph．Thispaperfirstlyestablishedthepantographmechanismmotionmathematicalmodelandanalyzedthekineticrelationshipofeachbar．ThenonlinearverticalkineticdifferentialequationofpantographWasestablishedbytheLagra

7、ngeequationandWaslinearized，andthedynamicmodelofpantographWasestablished．L0adofeachbarWasanalyzedbyNewton—Eulerequations，anditCanprovidetheguidanceforthedesignofgeometricparameterofpantographstructure．Secondly，thekineticmathematicalmodelofpantographWasdevelopedinthis

8、paper．Byconsideringthetechnicalrequirementsoflocomotive’Sstablecurrentcollectingforpantographstructure，theoptimizationtargetWasseta