摘 要

本文主要设计一款受流器的动态性能测试平台，再借助有限元分析软件AnsysWorkbench对这一适用于下接触式受流器的测试平台进行研究分析。文章从课题的研究背景入手，指出国内外目前对于第三轨受流方面的研究偏少，明确该测试平台研究的必要性，接着在国内外相关研究的基础上，通过学习总结相关知识，进行测试平台的初步设计，整体模型运用cero3.0软件创建，建模完成之后，为了保证其使用性能，再利用Workbench中的静力分析模块对平台进行分析，得到应力分布和形变等相关数据，发现该动态性能测试平台的静强度和刚度完全符合要求。然后使用Workbench的模态分析模块对平台进行模态分析，得到其前六阶固有频率，因此可以在工作时避开相应的频率，以免发生共振现象，保证平台正常运行。经过验证我们可以发现该地铁受流器测试平台能满足使用要求。

关键词：受流器测试平台 有限元分析 模态分析

Abstract

This paper mainly designs a dynamic performance test platform for the current receiver, and then uses the finite element analysis software AnsysWorkbench to study and analyze the test platform suitable for the lower contact type current receiver. Starting from the research background of the subject, the article points out that there is little research on the third-track flow at home and abroad, and clarifies the necessity of the research of the test platform. Then, based on relevant research at home and abroad, the relevant knowledge is learned through learning. The preliminary design of the test platform, the overall model was created using cero3.0 software. After the modeling is completed, in order to ensure its performance, the static analysis module in the Workbench is used to analyze the platform, and the data such as stress distribution and deformation are obtained. The static strength and stiffness of the dynamic performance test platform are fully compliant. Then use the modal analysis module of the Workbench to perform modal analysis on the platform to obtain the first six natural frequencies. Therefore, the corresponding frequency can be avoided during operation to avoid resonance and ensure the normal operation of the platform. After verification, we can find that the subway receiver test platform can meet the requirements of use.

Key Words：Receivertesting platformFinite element analysis Modal analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3课题研究内容 3

1.4组织结构 4

第2章 测试平台结构设计 5

2.1.平台的组成结构 5

2.2建立平台三维模型 7

第3章 测试平台静强度和刚度校核 9

3.1AnsysWorkbench简介及有限元分析 9

3.2将模型导入Workbench并设置材料 11

3.3处理模型接触类型 11

3.4添加载荷并设定约束 11

3.5划分网格 12

3.6静强度校核 13

3.7刚度校核 13

第4章 测试平台模态分析 15

4.1模态分析的意义 15

4.2对测试平台进行模态分析 15

第5章 结束语 20

5.1全文总结 20

5.2优化与展望 20

参考文献 22

第1章 绪论

1.1课题研究背景

随着中国经济的快速发展，城市轨道交通需求也越来越旺盛，地铁是城市轨道交通的核心部分，如今已经成为了一个必不可少的交通工具，它不仅为人们提供了便捷快速的出行体验，也很大程度上缓解了城市的交通压力。城市轨道交通列车从电流供给系统中取电，对于高压交流或者直流供电的铁路系统，通常使用的是受电弓从架空供电网中取电，这种系统能在一定条件和速度下稳定运行，并且在国内外的研究中已经比较的成熟了。而对于低电压直流供电的轨道，目前主要采用的是第三轨供电技术，即在原有运行轨道旁安装供电轨，地铁通过受流器接触带电轨道并滑行，将电力从带电轨道传输到列车上，为列车提供动力支持。在这个过程中，受流器是其中及其重要的一部分，受流器的工作状态和性能直接关系着取电的质量好坏。

然而，受流器本身在高电压等极端环境下工作，如何让受流器正常取电的关键在于受流器滑靴与供电轨之间是否有合适的接触压力，接触压力过大时会让滑靴与供电轨都异常磨损，而接触压力过于小时会发生离线状况从而使取电中断或者不连续。因此，要保证受流器能正常工作，必须对受流器的动态性能参数进行测试，以便得到相关的数据来解决一些问题或者对供电系统进行优化，这就需要建立一个地铁受流器动态参数测试平台。

由于该地铁受流器动态参数测试平台需要模拟受流器在取电时的相关外部条件如载荷等，所以该受流器在工作时需要满足一定的条件，在设计时应对其静强度和刚度进行校核，以满足使用需求，同时在强度和刚度满足要求的基础上，应该追求用更加简洁的平台来更好地完成测试任务。

1.2 国内外研究现状

受流器作为地铁从供电轨中取电及其重要的设备，在整个系统中有着至关重要的作用，目前，国内外对受流器的研究工作也取得了一定的进展。

武汉理工大学侯献军^[1]通过运用有限元分析软件对受流器进行静力学分析，在此基础上指导了靴轨接触方案，通过疲劳分析模块来进行随机振幅疲劳分析，最终验证了一个结论：“磁浮轨道车辆受流器的靴轨接触压力实时检测，与其在靴轨接触时承受随机振幅载荷的疲劳耐久性能，对磁浮车辆动力系统工作的安全性能与可靠性有直接的影响”。尹洪权^[2]等通过在对正在使用的受流器、第三接触轨进行动态系统参数识别，建立了受流器、第三接触轨的动力学模型，然后再建立受流器与第三接触轨直接耦合的动力仿真模型，最后通过计算得到了受流器与第三接触轨之间的接触规律和受流器的振动规律。尹洪权^[3]等针对不同速度、不同静态接触力等不同条件下的工作状态，探索受流器与第三接触轨的匹配问题，再考虑到受流器本身对产品性能的需求，得出受流器与第三接触轨包括接触网力、滑板振动加速度、滑板垂向运行轨迹等的配合参数，最终经过比较选出最优动态配合工况、断轨间距、静态接触力这三者的合理取值范围。谢利勤^[4]研制了第三轨受流器动态特性试验平台，为了模拟在速度为180 km/h的第三轨线路上运行的环境，其采用了旋转盘三向轨道组装方案，主要研究对象是下接触式、侧接触式及上接触式受流器的机械疲劳及动态特性。通过这一方法可以准确模拟轨靴间的相互作用，也可用来计算受流器的疲劳寿命及动态性能，同时为建立与规范第三轨受流器可靠性试验体系起到了很大的帮助，也为受流器的设计与持续优化提供宝贵的数据支撑。陈立明^[5]等发现国内缺乏用来研究第三轨与集电靴间电流以及磨耗发热等情况的专用试验设备这一现状，于是基于城市轨道交通列车第三轨供电系统的供电特点，采集了集电靴运行时的运动轨迹。通过使集电靴做近似圆周运动，来借此优化集电靴运动轨迹，从而采集集电靴在径向上的运动参数，接着确定控制集电靴在第三轨上作径向直线运动的执行器的参数，通过一系列实验为构建第三轨与集电靴试验台提供理论依据。李伟等^[6]分析了影响受流器与三轨匹配的因素及匹配不良作用，并以此为基础，从动力学分析出发，着重研究了列车运行速度、三轨安装精度对受流器与三轨的匹配性存在的影响，同时给出了受流器与第三轨的接触压力、三轨端部弯头斜率和三轨安装精度的建议值。尹洪权^[7]等在集电靴力学性能试验的传动和测试原理的基础上，提出了集电靴力学性能试验的方案。通过一系列实验得到了集电靴的静态刚度、等效阻尼等参数，在建立集电靴力学模型、设计与维修集电靴等所需数据方面做出了贡献。王鹏等^[8]为了得到受电靴与第三轨之间的接触压力、受流器的振动以及靴头位移等参数，用检测装置对其靴轨系统进行实验。基于所得数据，分析总结了受电靴的动态性能，同时研究了受流器与端部弯头之间的动态接触特性。梁演钊^[9]等以一种投入使用的下接触式受流器为研究对象，运用 CATIA 和 SIMPACK 软件建立了该下接触式受流器和带端部弯头的第三接触轨的动力学模型，针对该系统不同的速度，分别仿真分析研究了该系统的动力学行为。检验这一下接触式受流器是否符合使用要求。唐人寰^[10]等运用集总参数法, MATLAB研究受流器系统在地铁正常运行时的运动状态。然后,运用ADAMS虚拟样机软件来建立受流器与第三轨的两自由度摩擦振动动力学模型,接着对其进行了动力学仿真计算。王鹏^[11]等以虚位移原理为基础，得出了第三轨与受流器的运动控制方程,然后运用Newmark法数值计算和MATLAB,再运用逐步积分法中的Newmark法,研究了列车运行速度、接触轨跨距、接触刚度、支撑机构刚度及接触轨不平顺性对受流质量存在的影响。杨晓艳^[12]等以M-B分形接触理论为基础,运用Form Talysurf PGI1230微观形貌测量系统来研究滑靴表面粗糙度对滑靴振动响应及列车受流质量的影响。通过研究得到，在受流器滑靴受到磨耗时,其表面粗糙度Ra越小，接触刚度越大,振动响应越大,将会使得列车受流质量下降。尹洪权^[13]通过ANSYS创建了受流器与第三接触轨的动力耦合模型,并以此建立了仿真系统,得出结论：受流器与第三接触轨的动态配合在正常的运行过程中不会出现受流器与第三接触轨共振的情况。胡士博^[14]等以MATLAB与ADAMS为工具，建立了拉簧式受流器与第三轨受流系统的主动控制模型,得到了拉簧式受流器动态特性的仿真结果，并以此设计出了模糊控制器。通过对比加入模糊控制前后的接触力与受流滑板垂向位移等参数指标的变化,验证了模糊控制器达到了预期的效果。

VERA^[15]等以有限元软件ANSYS和多体动力学仿真软件SIM-PACK为工具，对城市刚性接触网受流系统进行了动力学分析，并以此设计了一种更好的导电轨方案，然受进行了实验。Stewart^[16]等为了探究影响受流器振动的主要因素，重点研究了受流器与第三轨的稳态和动态接触特性，然后得到接触力、扭转弹簧的转矩和滑靴的振动位移等数据并进行分析，找到了主要因素。P．R Weston^[17]等研究了受流器与第三接触轨的稳态和动态接触，通过环形接触轨试验台和列车实验装置，对接触力，扭簧扭矩和受流器的跳动位移等数据进行了分析，得出了受流器振动的主要影响因素。

通过对国内外研究现状的总结归纳，可以看出来不管是国内还是国外近些年对受流器的研究是非常多的，这一系列的研究也推进着受流器的完善与稳定。本文将设计一种受流器动态性能测试平台并对其进行分析校核，以满足测试需求。

1.3课题研究内容

通过查阅相关文献，以地铁受流器性能测试平台为研究对象，了解并学习城市轨道交通受流装置动态性能测试的研究现状，同时学习测试受流器动态性能参数的过程和仪器，为测试平台的建模做准备，保证测试平台能够完成测试任务。

首先进行初步的测试平台的方案设计，再运用Creo软件进行建模工作，测试平台模型搭建完成之后，运用Ansys Workbench进行静力学分析，对平台框架的静强度和刚度进行校核，保证平台在运行时能够正常稳定地工作。然后运用Ansys Workbench对该平台进行模态分析，得到其前六阶固有频率，避免共振现象的发生。

1.4组织结构

第一章（绪论）：这一章首先介绍了本篇论文研究的目的和意义，然后根据查阅的资料对国内外的研究现状进行总结归纳，发现国内外对于铁路系统架空供电网的研究已经比较的成熟了，而对于地铁第三轨受流器的研究则比较的少。最后介绍了本文的课题研究内容和论文组织结构。

第二章（测试平台结构设计）：这一章介绍了地铁受流器测试平台的结构设计方案，方案包括平台的组成结构，材料选择，尺寸介绍以及工作原理。对整个平台的建模设计进行了详细的介绍。

第三章（测试平台静强度和刚度校核）：本章首先介绍了关于有限元分析的原理及其基本思想，接着介绍了Workbench的由来，组成，特点和分析步骤。然后运用AnsysWorkbench软件中的静力分析模块对该测试平台进行分析，详细讲述了一系列包括导入模型，划分网格，添加载荷，设定约束，处理接触类型等处理操作，最后对得出结果，通过结果对该平台的静强度和刚度进行分析。

第四章（测试平台模态分析）：本章首先讲解模态分析的意义和在本模型分析中的作用，然后运用AnsysWorkbench软件中的model模块对该测试平台进行分析，前处理操作包括入模型，划分网格，添加载荷，设定约束，处理接触类型等处理操作与之前的第三章一致，最后求结果得到前六阶模态，然后完成对平台的模态分析。

第五章（结束语）：本章对全文的研究内容进行了一个归纳总结，同时对其中的不足提出一定的展望。

第2章测试平台结构设计

2.1.平台的组成结构

本地铁受流器动态性能测试平台主要由九部分组成，分别是一个长支架，一个短支架，一个打孔横架，一个局部挖空的横架，两个与支架相连的底板，两个连接支架与横架的连接件，一个气缸安装板。具体组成如下图2-1所示。

短支架

底板

局部镂空横架

打孔横架

长支架

连接件

图2-1 平台的组成结构

2.1.1平台工作原理

本地铁受流器动态性能测试平台主要用于测试某下接触式受流器动态性能参数，此下接触式受流器结构如图2-3所示，受流器通过滑靴与第三轨接触取电，更易于平时的维护维修工作。

受流器动态性能测试平台工作安装时将受流器安装底座与长支架上的安装架用螺栓连接，滑靴与气缸下接触点通过一个球面副相连接，气缸与上面的横架通过一个转动副相连接，两个副的存在初始时气缸给滑靴一个初始力，使滑靴偏离初始位置，测试时滑靴得以上下振动，然后才能正常测量受流器的动态性能参数。

横架用于连接气缸，打孔横架用于增加平台整体的稳定性，局部镂空便于气缸穿过横架给滑靴施加载荷，底板使平台更加平稳，总装图如图2-2所示。

图2-2 总装图

图2-3 受流器结构示意图

2.1.2平台尺寸介绍

长支架：高2000mm宽180mm

短支架：高1000mm宽180mm

横架：长383.6mm宽180mm

底板：长340mm 宽340mm

连接件:长120mm 宽85mm

2.1.3平台材料选择

地铁受流器动态性能测试平台所用材料需保证平台能稳定地运行，所选材料要良好的综合力学性能，此次搭建平台选用的材料是结构钢，其材料属性参数见下表2-1所示：

表2-1 材料属性

2.2建立平台三维模型

按照所选平台的主要部件及对应的尺寸运用Creo3.0进行模型的建立，首先分解创建每个零件的模型，先按照预定的平台尺寸绘制草图，再通过拉伸，挖空等等操作得到实体零件，再对零件进行倒角等处理，得到每个零件的模型。再通过Creo3.0中的装配模块将每个零件装配到一起，完成整个平台的三维模型的创建。

2.2.1连接件的模型建立

首先新建一个零件实体，选择模板，确定后进入正式建模。首先创建草绘视图，选择基准面，开始草绘，先按照尺寸草绘零件正视图，确认后再向草绘平面两边进行等比拉伸，得到拉伸1操作。再次进去草绘绘制中间加强肋的正视图，确认后同样向两边进行等长拉伸，得到模型的初步轮廓。其中两个面的上的螺栓孔的操作如下，同样先进行草绘，将草绘面选中打孔面，在此面上草绘出圆形，再进行阵列操作，然后进行挖空得到螺栓孔。需要倒角处用倒角指令进行处理。得到零件如图2-4所示。

图2-4 连接件模型

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