复合材料受电弓垂向加载试验台结构设计开题报告

1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）

自1825年英国修建了世界第一条铁路以来，由于运输速度和运输能量上的优点，铁路在很长的历史时期内成为各国的交通运输骨干。20世纪50年代后，公路和航空运输业迅猛发展，铁路运输在速度上居于劣势，长途客运受航空运输排挤，短途客运被汽车运输取代。进入20世纪70年代以后，由于能源危机、环境恶化、交通安全等问题的困扰，人们重新认识到铁路的价值。高速铁路以其速度快、运能大、能耗低、污染轻等技术优势，适应了现代社会经济发展的需要。自从1879年德国制造出全世界第一条电气化铁路至今，世界电气化铁路取得了突飞猛进的变化。电力机车拥有运量大、速度快、能耗低和污染小等优点，已经成为列车的主要发展方向，当今世界各国高速铁路基本上都采用电力机车^[1]。

高速化和电气化是当今世界高速铁路发展的大趋势。在电气化铁路运行速度日益提高的情况下，一般将时速等于或者大于200km/h的电气化铁路称为高速电气化铁路。随着国民经济的快速发展，中国的高速铁路建设与电气化进程也加快了步伐。从90年代以后，中国修建了广深准高速电气化铁路，并对哈大线进行电气化改造。2008年，最高时速为350公里的京津城际铁路通车运营，是中国第一条具有自主产权，并达到世界一流水平的高速铁路；2009年，中国开通运营了世界上工程类型最复杂、一次建成里程最长的武广高铁，运营时速350公里；2010年，连接中国中西部的时速公里的郑西高速铁路开通运营；2011年，新中国成立以来投资最大、一次建设里程最长和标准最高的高速铁路——京沪高铁正式开通运营；2017年12月28日，石济高速铁路开通运营，至此，中国铁路“四横四纵”快速通道全部建成通车。中国的高铁技术已经在迅速发展，并且逐渐成熟。

受电弓作为电气化铁路的重要组成部分，其由弓头、上框架、下臂杆、推杆、平衡杆和底座构成。受电弓位于列车车厢顶部，作为连接列车和接触网的中间部分，从接触网上获取稳定的电能以驱动列车平稳行驶。它有自由的传动系统，依靠外力完成升降弓。实际中的受电弓容易发生断裂失效和碳滑板磨损严重者两种主要故障，一种为高周断裂疲劳，另一种为接触磨损疲劳^[2]。对受电弓发生的故障进行深入研究，判断故障的原因，减小或防止故障事件的产生，保证了人身安全及降低经济损失，具有重要的现实意义。此外，分析的结果对受电弓提出设计改进依据，对提高受电弓质量具有指导价值。

1.1国外研究现状

日本作为世界上最早使用高速受电弓的国家，其包括受电弓在内的列车相关技术发展起步早，当时的技术比较先进成熟。在1964年10月，东海道新干线电气化铁路建成，其最高运行速度达到了210km/h。当时日本采用的是菱形结构受电弓，它的主要特点是稳定性能高、集电性能好，所产生的问题是对接触网和碳滑板的磨损比较严重，弓网离线现象显著，需要每四五年更换一次接触线。该线路的受电弓型号为PS200A^[2]，日本０系电动车组所采用，属于第一代受电弓。PS200A型受电弓为双臂杆菱形、下臂交叉结构，采用了弹簧上升、空气下降的升降方式。PS201型受电弓多用于日本的200系列车组，其采用单弓头，弓头拥有两块独立且互相支撑的滑板。PS207型单臂式受电弓用于E2系－1000型电动车，它技术先进，结构简单且体积小，降低了空气阻力。它取消低噪声受电弓罩，使用了低噪声绝缘子，使噪声减小。其弓头质量比其他受电弓更轻，适应接触网能力强。德国铁路所采用的受电弓的一大特点是受电弓的弓头几何外形最大，弓头长度近2000mm。DSA380D型受电弓是在DSA350DSK基础上设计完成的，其主要区别在于弓头支撑部位大量采用合金钛，并装设了新型空气动力翼片。德国对高速受电弓有以下几点要求：在各种工况下保证弓网可靠受流；满足各种接触网下的许用抬高；高速运行控制噪声在较小范围：两个运行方向的空气动力学性能差距不大；当运行超过十万千米，滑板与接触线磨损不大；可使用性较高；维修方便简单且费用不高。

针对弓网间的磨损问题，早在上世纪90年代，日本等国就设计制造了用于相关研究的高速列车受电弓试验台。日本是进行铁路技术研究较早的国家之一，为了对弓网系统的磨损等问题进行深入研究，日本铁道综合技术研究院先后研制了多台受电弓试验台。该院开发的受电弓综合试验台可用于测试受电弓离线率等试验，集电磨耗试验台则可用于接触网滑板的带电磨损试验，此外，还建设了一个长的室外试验场，用于受电弓动态性能试验、接触线性能试验等 ^[3]。德国通用电气公司研制了接触线滑板磨耗试验台，可在该试验台上进行各种材质接触线滑板磨损试验。英国伯明翰大学的C.Roberts等人开发了一种基于实验室的受电弓测试装置，以通过不同的测试来测量受电弓的动态行为，并开发了一种快速的受电弓故障诊断方法^[4]。

1.2国内研究现状

随着轨道交通的迅猛发展，尤其是高速铁路的发展，国内关于受电弓失效分析以及受电弓试验台的研究也越来越多。大连理工大学的何之，根据测控系统的控制要求，结合机械结构的动作原理，设计了以工控机和板卡为核心的测控系统根据系统的需求，进行工控机、板卡和传感器的选型，并完成电气系统设计，实现了垂向作动器、水平作动器和液压激振器的全闭环运动控制^[5]。西南交通大学的杨家伟，通过直接建模法建立了其接触网模型，结合受电弓的刚柔混合模型，从而建立了地铁线路弓网系统相应的弓网仿真模型。与此同时，基于弓网混合模拟试验台，对受电弓进行动态实验，以此对受电弓刚柔混合模型的准确性进行验证。

1.3静力加载试验台介绍

关于静力加载的试验台设计，受电弓载荷等效静力加载试验的加载方式有表面均匀加载和集中点加载（分为单点和多点加载）两种，桥式起重机或吊车、液压或气动执行机构、绞车、沙袋等都是常用的加载工具。

目前通用的几种方式有：

（1）液压执行机构加载法：液压执行机构应用在静力加载试验中的适应能力强，能实现单轴或多轴的、单点或多点加载，且加载位置的分布十分地灵活，加载力的幅值大小和阶段数可以任意设定。利用液压执行机构进行静力加载试验的现场安装也十分方便，液压执行机构可以安装在地面或坚固的物体上，再通过固定装置连接被测物工作。

（2）绞车加载法：绞车加载法与液压执行机构加载法有很多的相同之处，区别在于绞车的动力来源有多种，如电动和液压传动等。绞车的体积一般比较小，与被测物之间通过钢丝绳连接，钢丝绳卷绕在绞车上，结构紧凑，移动方便，特别适用于被测物在加载过程中变形比较大的场合。

（3）重物加载法：重物加载法指利用质量较大的物件（如沙袋）连续地铺在被测物表面进行加载或者是在被测物的几个点处悬挂重物进行加载。前者属于表面均匀加载的方式，后者属于集中点加载的方式。重物集中点加载同样存在操作难度大，风险高的缺点。但重物加载的优势在于成本低，原理简单，因此在某些场合仍有应用^[6]。

本次毕业设计，我研究的是：“复合材料受电弓垂向加载试验台结构设计”，对复合材料受电弓垂向加载试验台，要得到准确、真实的受电弓强度极限，对受电弓受力分析是一个重点，要想达到高的指标，采用的结构，工艺方案及装配都是关键。参考国内外现有结构设计如悬臂梁结构，电控液压泵结构，螺旋加载器，悬挂重物结构等，分析他们的优点缺点，把几种类型的加载试验台结构进行综合考虑，设计出一种综合性能优良（高灵敏度、加载范围广）的受电弓垂向加载实验台是我本次毕业设计的目的。