【正文】 （）式中，v為機車速度，m/s；L為接觸網(wǎng)跨距，m；k0為平均剛度，N/m；ε為剛度差異系數(shù)。因此在本章中利用了等效剛度法模擬接觸網(wǎng)特性，來建立弓/網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學模型。這種模型比前兩類模型的計算有所簡化。：（1）小撓度變形；（2）拉力T為常數(shù)；（3）不考慮剪切變形；（4）錨段的端點處理為鉸接點；（5）承力索和接觸線處理為連續(xù)體，質量均勻分布；（6）吊弦視為彈性元件，其質量分別集中在吊弦兩端的接觸線和承力索上；（7）限位器和支撐也集中在接觸線和承力索上。從實際情況看，構成整個接觸網(wǎng)的元件數(shù)目眾多，物理特性復雜，其組成元件有彈性體、剛體和柔性體，在整個系統(tǒng)內有許多非補償平衡重 承力索 支柱 吊弦 支撐 補償平衡重接觸線 限位器 簡單鏈型懸掛接觸網(wǎng)的結構簡圖線性因素和復雜的約約條件，所以難以建立準確的數(shù)學模型，為此，很多學者根據(jù)不同的分析目的，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)作了不同的簡化和假設、建立了不同種類的模型，以及德國Link的有限元模型等。在支柱上設有支撐和限位器，分別對承力索和接觸網(wǎng)線的位置進行限制。相比之下，簡單鏈型懸掛接觸網(wǎng)費用低，速度較高，因此得到廣泛應用，我國使用最多的也就是簡單鏈型懸掛接觸網(wǎng)。根據(jù)線路運行速度的不同，接觸網(wǎng)的結構形式也不盡相同，就目前的情況來看，接觸網(wǎng)的類型可分為簡單懸掛接觸網(wǎng)、簡單鏈型懸掛接觸網(wǎng)、彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)、復合鏈型懸掛接觸網(wǎng)等。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(wǎng)動態(tài)特性的目的。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(wǎng)關系中，表現(xiàn)得更為明顯、更為突出，產(chǎn)生了許多預先沒有想到的結果。這種高速階段的特殊性能產(chǎn)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(shù)、結構及單位長度質量有關。為本章的弓網(wǎng)動態(tài)參數(shù)研究奠定基礎。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(wǎng)和受電弓滑板的磨損，產(chǎn)生無線電信號千擾，損壞機車電氣，嚴重時會造成巨大經(jīng)濟損失；而受電弓和接觸網(wǎng)相互耦合，相互作用，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。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。本章為下一章對受電弓動態(tài)參數(shù)的研究奠定了基礎。s/m。m1174027953950411255135061550718003. 受電弓的動態(tài)參數(shù)由上幾節(jié)可以得到試驗用受電弓的動態(tài)參數(shù)。電壓信號/mv 弓頭自由振動曲線時間/s 升弓高度L=900mm框架自由振動曲線電壓信號/mv時間/s 升弓高度L=1125mm框架自由振動曲線 受電弓框架阻尼測試結果序號升弓高度/mm阻尼比阻尼/N將加速度傳感器固定在支撐弓頭的傳動軸上，錘擊上框架使其自由振動，記錄其時間歷程圖。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，分析計算得到ξ=，c=。由于阻尼系數(shù)c=ξccγ，其中cc為臨界阻尼系數(shù)，cc=2km，因此可以通過測試阻尼比，從而確定阻尼系數(shù)。設阻尼比為ξ，則 （）式中， ；A0為參考點振幅；An為與A0間隔n個完整周期的振幅。得到彈簧剛度k=，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：k1= 弓頭彈簧力變形測試序號受力/N變形/mm剛度/N 受電弓歸算質量實測參數(shù)升弓高度/mm74080085095095010001125138515251800周期/s框架歸算質量/kg框架歸算質量/kg升弓高度/mm 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。實測結果表明，不同升弓高度框架的歸算質量不同。利用機械振動的公式，可以得到受動弓的歸算質量。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。利用自由振動法測試框架歸算質量。其中，接觸網(wǎng)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，這個質量塊的質量就是歸算質量。 實驗中的受電弓3. 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(shù)。為第四章基于接觸力的受電弓動態(tài)優(yōu)化奠定了基礎。其中， ，圖中，mkc1分別為弓頭的歸算質量、歸算剛度、歸算阻尼；FC0為靜接觸壓力；mkc1分別為框架的歸算質量、歸算剛度、歸算阻尼；FC為弓頭激勵。令y2=ΔYE；y1=ΔYH。由 ,可得 （） （）式中， 。計算會非常復雜。（4）框架運動微分方程根據(jù)拉式方程及以上各式可得框架的運動微分方程為： （）式中：（5）弓頭運動微分方程 弓頭由于考慮的比較簡單，： （）式中，mkcBh—弓頭質量、剛度、阻尼、干摩擦；Fc—弓網(wǎng)間的接觸力； YHE0—彈簧原長。122.1.2. 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=TV，其中T為系統(tǒng)總動能，V為系統(tǒng)的總勢能。取下臂桿的轉角α為自變量來推導出其他的運動關系。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 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。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。弓頭(包括碳滑板和支架部分)通過拉簧懸掛在框架上。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。下臂桿、上框架和弓頭采用不銹鋼焊接而成。傳動機構作用于下臂桿以實現(xiàn)升弓動作。底架支持框架，通過絕緣子固定在車頂上。1.2.1.2. 受電弓運動模型的建立下圖是單臂受電弓結構圖；。所以，有必要建立受電弓的非線性模型。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。本文采用二元歸算質量模型。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(jù)集總質量的數(shù)目課分為一元、二元、三元和多元弓模型。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。（4）有足夠的剛度和強度。（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。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。（2）有良好的靜壓力特性。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。（4）傳動機構。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?？蚣芤话惴殖缮舷聝刹糠?，中間用鉸連接。（2）框架。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。（1）弓頭。概括起來不外乎由弓頭。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。12121.2. 受電弓模型簡介受電弓是電力機車從接觸網(wǎng)上受取電流的專門裝置，它工作的最大特點是動態(tài)接觸。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。然后在第三章實驗結果的基礎上對弓網(wǎng)系統(tǒng)進行動態(tài)特性的研究，分析了各歸算參數(shù)與接觸力的關系，給出個動態(tài)參數(shù)與接觸力的關系，并采用接觸力不均勻系數(shù)最為動態(tài)受流好壞的評價指標，將各歸算參數(shù)進行優(yōu)化。第四章借鑒文獻[14]所建立的接觸網(wǎng)模型，建立了受電弓/接觸網(wǎng)耦合系統(tǒng)的數(shù)學模型，列出了耦合系統(tǒng)的振動方程。11. 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(shù)據(jù)，再對受電弓線性模型的各歸算參數(shù)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(shù)的計算公式，為本文后邊的內容打下基礎。當前日本國鐵采用PS系列及AM18型受電弓，弓頭質量為7~10kg，滑板采用粉末冶金材料[20]。對受電弓的改進始終都是為了降低離線率。經(jīng)過努力，日本鐵路機車運行速度提高的很快。該模型主要考慮了接觸網(wǎng)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。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。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]。其高速受電弓技術處于世界領先水平，被法國人視為驕傲。經(jīng)過大量實驗，他們得到大量有價值的數(shù)據(jù)，建立了弓網(wǎng)耦合特性數(shù)據(jù)庫。1988年5月1日Re250加強型接觸網(wǎng)在維爾茨堡富爾達區(qū)段。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。由于如本、法國和德國等國家的受電弓/接觸網(wǎng)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(wǎng)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研制和生產(chǎn)高速受電弓的步伐。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。此系列受電弓采用氣囊驅動來升弓。弓網(wǎng)故障發(fā)生時，主斷控制器可斷開機車主斷路器，從而避免了帶負載降弓時弓網(wǎng)之間產(chǎn)生拉弧而損壞受電弓和接觸網(wǎng)。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(xiàn)了弓網(wǎng)的良好接觸。對實現(xiàn)前者來說有減小歸算質量和加大接觸壓力兩種方法。DSA系列單臂受電弓是目前我國最新引進的產(chǎn)品，適用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。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(wǎng)配合，列車速度可達到160km/h。文獻[17]利用試驗的方法對受電弓/接觸網(wǎng)的接觸力進行了研究，通過弓網(wǎng)耦合動力學的研究得到更為合理的設計參數(shù)。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[10，11]建立了受電弓的有限元模型，而且文獻[10]不僅對弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)作了分析，還對輪/軌一弓/網(wǎng)所組成的大系統(tǒng)進行了有意義的研究。文獻[7]對受電弓的動態(tài)性能與振動控制進行了分析。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，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(wǎng)動力學方面。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(shù)作為優(yōu)化目標對受電弓的各個動態(tài)參數(shù)進行研究。該受電弓由弓頭、框架、底架和傳動機構四部分組成。（a）雙臂受電弓 （b）T型受電弓 （c）單臂受電弓 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(shù)又可分為單層受電弓和雙層受電弓(亦稱子母弓)等。高性能的線路、接觸網(wǎng)、受電弓及機車是電力機車高速運行的重要保證。（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(chǎn)生危險的過電壓。只有弓網(wǎng)之間保持可靠接觸，才能保證良好的動態(tài)受流，尤其是出現(xiàn)離線現(xiàn)象時，會使弓網(wǎng)接觸中斷，從而產(chǎn)生下列不良后果：（1）離線的瞬間產(chǎn)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。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。 我國在受電弓和接觸網(wǎng)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。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?？梢钥吹剑粋€高速鐵路的時代正在到來[2]。我國是在20世紀90年代初逐步進行鐵路提速的，經(jīng)過不斷努力，列車速度從80km/h提升至目