一种新型高速受电弓及其轻量化动态设计方法技术

本发明专利技术公开了一种新型高速受电弓及其轻量化动态设计方法。以根轨迹图引领转向架参数优配，降低磨耗轮接触轨动力作用，在统一/规范的轮轨型面匹配条件下将极限速度提高至480km/h；通过车下设备橡胶吊挂参数优化设计，降低整备柔性车体的横向参振质量，在合理科学的修程修制下将构造速度提升至400km/h。为了更好计入高速弓网接触所形成的输入激励，将全柔性受电弓落地模型与整备车辆刚柔耦合仿真模型进行系统集成并构成了轮轨弓网双耦合仿真技术平台。凭借复杂约束及其内力的精准分析，典型案例分析表明：超高速受电弓需要新型的轻量化设计形式，即以鸭蛋圆联接结构来合理分散并降低上臂与下臂之间铰接约束内力及其动荷效应，将高周疲劳转变为静强问题。

A New Kind of High Speed Pantograph and Its Lightweight Dynamic Design Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型高速受电弓及其轻量化动态设计方法
本专利技术属于轨道车辆设计
，尤其涉及一种基于轮轨弓网双耦合的新型高速受电弓及其轻量化动态设计方法。具体地，考虑到磨耗轮轨接触动力作用、碳滑板磨损所形成的横向摩擦扰动以及相关的流固耦合效应3个主要不确定性影响因素，超高速受电弓需要新型轻量化设计形式，合理分散上臂与下臂铰接约束内力并降低其动荷效应，有效回避高周疲劳失效。
技术介绍
轮轨磨耗问题是目前世界高铁运维的技术瓶颈之一。假若磨耗轮轨接触偏离了(近)线性关系，其动力作用则是轮轨弓网双耦合形成的主要关联因素之一。目前高速铁路存在轮轨型面匹配问题，其不可能仅仅凭借轮对不落轮镟或钢轨/道岔打磨处理就能够加以解决的，而是更加需要通过车辆与钢轨专业协同创新努力来维系车轮正常踏面磨耗，回归到统一/规范的轮轨型面匹配条件。为此，车辆专业有必要在合理的轨道窗口内把握轮轨接触的(近)线性与非线性辩证关系，尽可能消除并减轻晃车现象及其对轮轨磨耗和车体振动的负面影响。而在超高速弓网关系研究中不容忽视诸多构造细节所造成的非线性影响。针对弓网耦合的基准算例，相关文献资料表明：目前仿真软件均存在接触力分析误差问题，且有2个主要原因：①可视频响范围(5-20)Hz；②吊线夹与定位器等非线性影响因素。就弓头钢簧悬挂来讲，随着激扰频率加快，其动态刚度会变得越来越软，因而碳滑板磨损较为均匀。但是由于留有设计间隙2.5mm，弓头与平衡架之间产生横向间隙冲击作用，且形成了所谓的弓头横向不稳定问题。为了避免上述弓头横向不稳定问题，目前高速受电弓改进设计大多改用弓头空气悬挂。但是运维实践发现如下2个技术问题：(1)碳滑板两端表面不规则磨损及横向摩擦扰动。与法铁TGV或韩国KTX的铜质接触线情况不同，中国高铁CRH的接触网是以铜包线作为接触线，因而改用弓头空气悬挂通常会造成碳滑板两端表面不规则磨损并产生横向摩擦扰动，其与接触线的松弛度密切相关。具体地，在定位器通过时，接触刚度的不均匀性迫使弓头空气悬挂产生热力学非线性影响。结果上臂扭曲弹性振动使高频参振质量增大，加剧了碳滑板端部磨损。(2)与交叉拉线相关的流固耦合效应及其对转角局部高应力影响。交叉拉线，以80N拉出(7-9)mm，其增强了上臂框架的抗扭曲刚度，从而规避了铰接座实体件与薄壁侧柱管件焊接设计禁忌。但是顶管两端与侧柱转角则形成了局部高应力且呈现交替变化。考虑到在超高速运行下接触线张力很大而弓头压力很小，与交叉拉线相关的流固耦合效应则将会转变成为影响转角局部高应力的敏感因素之一。如单臂高速受电弓，以上臂杆取代上臂框架，进而规避了相关的流固耦合效应。约束内力及其动荷效应是决定结构疲劳损伤的关键因素之一。超高速受电弓不可避免地发生上臂扭曲弹性振动，因而规避高周疲劳失效是其轻量化设计的关键技术问题之一。随机振动有振动开裂、振动疲劳以及高周疲劳3种失效形式，其中，高周疲劳及其形成机理十分复杂，且具有以下2大技术特点：①窄带响应伴随特征，高周循环载荷频次可达数十万或百万以上；②线性疲劳理论不再适用，如Miner线性法则。目前航空航天行业主要采用如下技术途径加以防范：即基于无损探伤的裂纹形成与演变评估方法。具体地，根据关键部件无损探伤结果，应用断裂力学方法，如K因子，研判内部裂纹形成与演变；再结合无损探伤定期检测，评估其结构缺陷及其技术寿命。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术设计的超高速受电弓以新型的轻量化设计来有效规避高周疲劳问题，通过构建轮轨弓网双耦合仿真技术平台，以复杂约束及其内力的精准分析来研判局部高应力及其对结构损伤影响程度，本专利技术采用的技术手段如下：一种新型高速受电弓，包括：弓头与平衡架，所述弓头采用钢簧或空气悬挂，所述平衡架与上臂杆及平衡杆、下臂杆及拉杆以及绝缘底架构成了6连杆机构，在升弓/降弓过程中保持弓头平衡架处于水平状态，且在工作高度下以简易空簧构成弹性支承，其特征在于，下臂杆在继承DSA380的下臂杆根部设计优点的基础上，还设有用于合理分散上臂与下臂铰接约束内力并降低其动荷效应的鸭蛋圆联结结构：在所述鸭蛋圆联结结构的两侧设有2个铰接座，通过所述上臂杆的底管内安装铰接轴，构成了上臂杆与下臂杆的铰接约束，其增大了两侧铰接座的横向跨距，并降低了所述上臂杆与下臂杆的铰接约束内力；所述鸭蛋圆联结结构的上部弯曲使得两侧铰接轴位置抬高，以便落弓时不发生结构干涉，使整体尺寸更加紧凑；所述下臂杆采用铸铝材质，壁厚10mm，鸭蛋圆联结结构与下臂杆根部两者以对接焊缝形式构成，其有效规避了实体铰接座与薄壁侧柱管件焊接设计禁忌，使得最大动应力出现在根部轴承座附近，且动态成分变化幅值很小，均方差(RMS)3σ很低，从而将高周疲劳转变为静强问题。本专利技术还提供了一种新型高速受电弓的轻量化动态设计方法，包括如下5个主要步骤：S1、利用拓扑关系图，合理简化处理复杂约束关系，并构建超高速轨道车辆的整车多体系统MBS(Multi-BodySystem)仿真模型，进而以根轨迹图引领转向架参数优配，避免在车体与走行部之间形成牵连运动关系，降低磨耗轮轨接触动力作用，尽可能提高极限速度；S2、在步骤S1的基础上，根据子结构模态综合法及特征约束模态概念，制定柔性车体对多体系统MBS的接口处理技术对策，并构建整备车辆刚柔耦合系统的仿真模型，其中，柔性车体模型包括车上与车下设备；S3、考虑到弓头额定压力80N以及简易空簧弹性支承，构建全柔性受电弓子系统的仿真模型，其低阶横向弹性模态频率不得低于12Hz，从而获取诸如上臂、下臂及弓头平衡架3者之间铰接约束内力的精准分析结果，以确保模态应力恢复MSR(ModalStressRecovery)的正确性；S4、根据同名覆盖原则，将全柔性受电弓子系统仿真模型集成到整备车辆刚柔耦合系统仿真模型当中，按照弓网常接触和纵向/横向摩擦正交性2个假设条件，以浮动共点恒定/可变刚度的弹性联接方式来定义弓网接触摩擦关系，进而构成包括轮轨弓网双耦合关系的刚柔耦合集成系统仿真模型；S5、在基于有限元FEM(FiniteElementMethod)和多体系统MBS的软件分析综合技术平台支撑下，进一步构建了轮轨弓网双耦合仿真技术平台，以复杂约束及其内力的精准分析来研判局部高应力及其对结构疲劳损伤影响程度，通过典型案例分析来正确认知超高速受电弓轻量化设计的关键技术问题，进而设计合理分散上臂与下臂铰接约束内力并降低其动荷效应的联接结构，将高周疲劳转变为静强问题。进一步地，所述步骤S1整车MBS仿真模型是以动车MC01/08作为研究对象，以整车稳定性态分析来指导高速转向架安全舒适型设计，在统一/规范的轮轨型面匹配条件下科学提升极限速度，为了克服德国ICE3系列转向架原型设计所存在的技术缺陷，以单循环或双循环工作原理的抗蛇行减振器来构成抗蛇行并联配置，进而引入低频结构阻尼与高频阻抗作用2种减振技术手段，两者并联组合具有超前滞后校正的相似性。利用这一相似性，以抗蛇行参数优配来实现宽频带吸能机制，进而能够满足如下3大技术目标要求：彻底消除一次蛇行及其转变为二次蛇行的可能性，名义等效锥度λeN降低至0.10，并回归到统一/规范的轮轨型面匹配条件；有效解决轮对自稳定性和回转阻力矩有效性2大技术问题，降低磨耗轮轨接触动力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型高速受电弓，包括：弓头与平衡架，所述弓头采用钢簧或空气悬挂，所述平衡架与上臂杆及平衡杆、下臂杆及拉杆以及绝缘底架构成了6连杆机构，在升弓/降弓过程中保持弓头平衡架处于水平状态，且在工作高度下以简易空簧构成弹性支承，其特征在于，下臂杆在继承DSA380的下臂杆根部设计优点的基础上，还设有用于合理分散上臂与下臂铰接约束内力并降低其动荷效应的鸭蛋圆联结结构：在所述鸭蛋圆联结结构的两侧设有2个铰接座，通过所述上臂杆的底管内安装铰接轴，构成了上臂杆与下臂杆的铰接约束，其增大了两侧铰接座的横向跨距，并降低了所述上臂杆与下臂杆的铰接约束内力；所述鸭蛋圆联结结构的上部弯曲使得两侧铰接轴位置抬高，以便落弓时不发生结构干涉，使整体尺寸更加紧凑；所述下臂杆采用铸铝材质，壁厚10mm，鸭蛋圆联结结构与下臂杆根部两者以对接焊缝形式构成，其有效规避了实体铰接座与薄壁侧柱管件焊接设计禁忌，使得最大动应力出现在根部轴承座附近，且动态成分变化幅值很小，均方差(RMS)3σ很低，从而将高周疲劳转变为静强问题。

【技术特征摘要】
1.一种新型高速受电弓，包括：弓头与平衡架，所述弓头采用钢簧或空气悬挂，所述平衡架与上臂杆及平衡杆、下臂杆及拉杆以及绝缘底架构成了6连杆机构，在升弓/降弓过程中保持弓头平衡架处于水平状态，且在工作高度下以简易空簧构成弹性支承，其特征在于，下臂杆在继承DSA380的下臂杆根部设计优点的基础上，还设有用于合理分散上臂与下臂铰接约束内力并降低其动荷效应的鸭蛋圆联结结构：在所述鸭蛋圆联结结构的两侧设有2个铰接座，通过所述上臂杆的底管内安装铰接轴，构成了上臂杆与下臂杆的铰接约束，其增大了两侧铰接座的横向跨距，并降低了所述上臂杆与下臂杆的铰接约束内力；所述鸭蛋圆联结结构的上部弯曲使得两侧铰接轴位置抬高，以便落弓时不发生结构干涉，使整体尺寸更加紧凑；所述下臂杆采用铸铝材质，壁厚10mm，鸭蛋圆联结结构与下臂杆根部两者以对接焊缝形式构成，其有效规避了实体铰接座与薄壁侧柱管件焊接设计禁忌，使得最大动应力出现在根部轴承座附近，且动态成分变化幅值很小，均方差(RMS)3σ很低，从而将高周疲劳转变为静强问题。2.一种权利要求1所述的新型高速受电弓的轻量化动态设计方法，其特征在于，包括如下5个主要步骤：S1、利用拓扑关系图，合理简化处理复杂约束关系，并构建超高速轨道车辆的整车多体系统MBS仿真模型，进而以根轨迹图引领转向架参数优配，避免在车体与走行部之间形成牵连运动关系，降低磨耗轮轨接触动力作用，尽可能提高极限速度；S2、在步骤S1的基础上，根据子结构模态综合法及特征约束模态概念，制定柔性车体对多体系统MBS的接口处理技术对策，并构建整备车辆刚柔耦合系统的仿真模型，其中，柔性车体模型包括车上与车下设备；S3、考虑到弓头额定压力80N以及简易空簧弹性支承，构建全柔性受电弓子系统的仿真模型，其低阶横向弹性模态频率不得低于12Hz，从而获取诸如上臂、下臂及弓头平衡架3者之间铰接约束内力的精准分析结果，以确保模态应力恢复MSR的正确性；S4、根据同名覆盖原则，将全柔性受电弓子系统仿真模型集成到整备车辆刚柔耦合系统仿真模型当中，按照弓网常接触和纵向/横向摩擦正交性2个假设条件，以浮动共点恒定/可变刚度的弹性联接方式来定义弓网接触摩擦关系，进而构成包括轮轨弓网双耦合关系的刚柔耦合集成系统仿真模型；S5、在基于有限元FEM和多体系统MBS的软件分析综合技术平台支撑下，进一步构建了轮轨弓网双耦合仿真技术平台，以复杂约束及其内力的精准分析来研判局部高应力及其对结构疲劳损伤影响程度，通过典型案例分析来正确认知超高速受电弓轻量化设计的关键技术问题，进而设计合理分散上臂与下臂铰接约束内力并降低其动荷效应的联接结构，将高周疲劳转变为静强问题。3.根据权利要求2的新型高速受电弓的轻量化动态设计方法，其特征在于，所述步骤S1整车MBS仿真模型是以动车MC01/08作为研究对象，以整车稳定性态分析来指导高速转向架安全舒适型设计，在统一/规范的轮轨型面匹配条件下科学提升极限速度，为了克服德国ICE3系列转向架原型设计所存在的技术缺陷，以单循环或双循环工作原理的抗蛇行减振器来构成抗蛇行并联配置，进而引入低频结构阻尼与高频阻抗作用2种减振技术手段，两者并联组合具有超前滞后校正的相似性。利用这一相似性，以抗蛇行参数优配来实现宽频带吸能机制，进而能够满足如下3大技术目标要求：彻底消除一次蛇行及其转变为二次蛇行的可能性，名义等效锥度λeN降低至0.10，并回归到统一/规范的轮轨型面匹配条件；有效解决轮对自稳定性和回转阻力矩有效性2大技术问题，降低磨耗轮轨接触动...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴明伟，杜伟，杨晶，李特特，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21