CN109308379A

CN109308379A - 一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法

Info

Publication number: CN109308379A
Application number: CN201810964367.3A
Authority: CN
Inventors: 王俭朴; 张继龙
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2019-02-05

Abstract

本发明公开了一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法，分析受电弓的组成结构，构建其运动学模型，获得各部件之间的相对运动关系和其位置坐标方程；在受电弓运动方程的基础上，通过MATLAB中运行程序获得升弓过程中升弓高度与弓头横向偏移、平衡臂转角等之间的运动图形仿真，分析影响受电弓横向偏移和平衡臂转角的主要参数，利用MATLAB中的函数优化工具箱对相关参数进行优化并将优化前后结果进行对比，得到了一组使受电弓性能达到最优的设计参数；最后，利用所获得的优化解在SOLIDWORKS中进行简单的受电弓各部件的绘制并进行装配，将受电弓模型导入有限元分析软件中进行加载，调出受电弓弓头的位移云图，与理论值进行对比，验证优化结果。

Description

一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法

技术领域

本发明涉及城市轨道车辆受电弓技术领域，具体地说是一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法。

背景技术

轨道线路上，由于受线路条件影响，接触网的架设高度往往不一致。同时，列车行进过程中还伴有横向、纵向冲击，因此，接触网与受电弓之间的接触压力是动态变化的。而受电弓作为车辆受流的关键设备之一，要使列车有良好的受流性能，一般需要将弓网之间的接触压力控制在120N左右，且正负偏差不能超过10N，因此，需要对弓网之间的接触压力进行一定的控制。经过分析，要维持一定的接触压力，应使弓头平衡臂转角尽可能小，使弓头近乎平动状态，同时要降低弓头横向偏移量和弓头的摆动程度。

发明内容

本发明的目的是公开了一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法，具体包括以下步骤：

S1：分析受电弓的组成结构，构建受电弓运动学模型，获得各部件之间的相对运动关系和各部件位置坐标方程；

S2：在运动学模型的基础上，模拟受电弓升弓过程，通过分析受电弓升弓高度与弓头横向偏移、平衡臂转角之间的关系，确定优化目标、约束条件及其相关结构参数；

S3：对结构参数进行优化，通过对比优化前后结果，对优化正确性进行判断，并得到一组使受电弓各性能达到最优的结构参数；

S4：将优化后的结构参数进行建模，将建模实体进行有限元静力分析，调出受电弓弓头的位移云图，与理论值进行对比，验证优化结果的正确性。

进一步的，所述S1具体包括以下步骤：

S1-1：计算受电弓的运动模型自由度，确定受电弓的主动运动部件，；

S1-2：选取参考点，建立坐标系，得到各部件之间的相对运动关系和各部件位置坐标方程。

进一步的，所述优化目标为降低弓头平衡臂转角和弓头横向偏移量。

进一步的，所述S3中采用序列二次规划法进行结构参数优化。

进一步的，所述S3中采用优化函数工具箱进行结构参数优化。

有益效果：通过本发明的优化，使弓头平衡臂转角尽可能小，使弓头近乎平动状态，降低了弓头横向偏移量和弓头的摆动程度。

附图说明

图1为受电弓数学模型；

图2为SQP算法的具体流程图；

图3为优化前后弓头横向偏移量对比图；

图4为平衡臂转角的对比图；

图5为优化前后升弓角对比图；

图6为优化前后升弓角-平衡臂转角对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

本实施例通过对受电弓的运动进行分析并结合其主要运动部件，可以将受电弓看成两个四杆机构的组合体如图1所示。根据机械原理中判断机构运动自由度的计算关系式1，可以计算出受电弓的机构运动模型自由度为1(F＝3×5-2×7-0＝1)，即通过确定某一主动运动部件，整个受电弓的运动也就随之确定。

F＝3n-2P_L-P_H (1)

如图1所示，其中A点为下臂杆下端与底架的连接处，B点为连杆下端与底架的连接点，C点为连杆上端与上框架的连接处，D点为下臂杆与上框架上的连接处，E点为上臂杆上与平衡臂连接位置，F为平衡臂在弓头平衡臂的位置，Q为弓头所在位置。由于受电弓的机构自由度为1，以A点为参考点，建立坐标系如图1所示，以下臂杆AD为主动件，通过控制下臂杆的升弓转矩来确定受电弓的运动，图1中各参数含义见表1所示。

表1设计参数及其含义

参数	含义	参数	含义
				L<sub>1</sub>	下臂杆AD的长度	c	平衡臂上部与下部之间的夹角
L<sub>2</sub>	上框架上部DQ的长度	g	DA与EA连线的夹角
				L<sub>3</sub>	上框架下部CD的长度	e	平衡臂EF与水平面的夹角
L<sub>4</sub>	拉杆BC的长度	α	下臂杆AD的升弓角
				L<sub>5</sub>	E到A的长度	β	拉杆BC与水平面夹角
L<sub>6</sub>	平衡臂EF的长度	Φ	上框架下部CD与水平面夹角
				L<sub>7</sub>	弓头摆杆QF的长度	γ	上框架下部CD与水平面夹角
a	底架固定两铰链支座的纵向距离	θ	弓头摆杆QF与竖直方向的夹角
				b	底架固定两铰链支座的横向距离

根据所建立的坐标系和确定的设计参数，可以得到Q点的运动轨迹方程，Q点的横坐标和纵坐标如式2和3所示：

X_Q＝L₂cos(γ)-L₁cos(α) (2)

Y_Q＝L₁sin(α)+L₂sin(γ) (3)

根据公式2和3可知，Q点的运动轨迹跟L₁、L₂、α、γ有关，其中中间参量的数学关系式可由以下关系推导：

在ΔACD中，根据余弦定理和角度关系，可得

在ΔABC中，同理可得

综上可得，Q点轨迹是L₁、L₂、L₃、L₄、a、b、c的函数，同理，可进行平衡臂转角θ运动关系式的推导，具体过程如下：

E点坐标：

X_E＝-L₅cos(α-g) (7)

Y_E＝L₅sin(α-g) (8)

F点坐标：

X_F＝L₆cos(e)-L₅cos(α-g) (9)

Y_F＝L₆sin(e)+L₅sin(α-g) (10)

其中

所以有

θ＝arctan(X_F-X_Q)/(Y_Q-Y_F) (13)

由式(13)可得，θ是关于L₅、L₆、L₇、g的函数，综合Q点的运动轨迹关系式，可得影响弓头轨迹(Q点)和平衡臂转角θ的参数主要是L₅、L₆、L₇、g，即可通过设定合理的相应参数值来达到优化结果，优化设计也就转化为获取一个合适的相关参数方案，使平衡臂转角和弓头横向偏移量能达到最小值。

本实施例确定目标函数和约束条件，即确定影响优化结果的设计变量的取值范围，同时综合相关工艺等机械原理要求，在满足一定条件下完成优化方案的设计。

列车运行过程中，对于受电弓有一定的工作要求：

1.受电弓弓头最高点的位置距离绝缘子底面之间的垂直距离，即为受电弓的工作高度，其范围为400～2400mm。

2.落弓高度约为300mm。

3.为保证受电弓受流稳定性，规定在受电弓升降弓运动时，列车运行方向上其弓头横向偏移量X应该尽量小，一般规定偏差小于30mm。

4.平衡臂应该近乎平动，使受电弓基本处于水平状态。

5.工作高度范围内，应该施加合适的升弓转矩，使弓网之间的接触压力应该保持在120N左右，其正负偏差不能超过10N。

6.平衡臂转角应该尽量小，一般要求θ小于3°。

由以上受电弓工作要求可知，要求3即为受电弓弓头轨迹的优化目标，其中横向偏移量就是衡量优化方案的标准。同样，要求1和要求2即为优化弓头轨迹的约束条件，影响弓头横向偏移量的参数主要有7个，所以这是一个多目标的优化问题。因此可以确定弓头位移的约束条件如下：

1.降弓时，最低收弓高度须小于300mm，即

Min(Y_Q)＜300mm (14)

弓头的工作范围为400～2400mm，即

Max(Y_Q)＞2400mm (15)

2.综合四杆机构的设计原则，考虑约束条件时，满足平面机构的运动要求和工艺要求等，得出设计变量的范围如下：

为了使受电弓能在运行时尽量保持水平状态，与接触网有良好的接触状态，维持一定的接触压力，减少离线率，这就需要对平衡臂进行优化，这个优化是基于弓头轨迹优化的基础上进行的，也就是在确定L₁、L₂、L₃、L₄、a、b、c后所进行的优化。

受电弓运动时，由于升弓角在不断变化，所以弓头摆杆与竖直方向的角度也随着升弓角变化在不断改变。因此，平衡臂转角的优化即通过选择一组合适的L₅、L₆、L₇、g参数值来使升降弓时摆动幅度减小，使摆杆与竖直方向夹角θ能够最小。综合上述分析结果及相关的工艺要求，可以得到平衡臂转角设计变量的约束条件如下：

弓头轨迹的函数关系式为：

则弓头轨迹目标函数为：

Min(X)＝X_QMax-X_QMin (18)

其中，和分别为弓头在水平方向上的最大和最小值，且

同理，平衡臂转角θ的目标函数为：

要求平衡臂转角应该小于3°，确定约束条件和目标函数后，选满足约束条件的一组参数：

决定优化目标的参数主要有11个，属于中型优化问题，所以采用序列二次规划法(SQP算法)进行求解，SQP算法的具体流程图如图2所示。

优化的具体步骤：1)约束条件和目标函数计算；2)通过程序算法求解；3)如果满足约束条件，则优化结束；如果不满足约束条件，通过二次规划子问题重新求解；4)计算二次规划问题的目标函数值；5)更新海森矩阵，返回1)。

本发明主要使用优化函数工具箱(Optimization Toolbox)进行优化设计，由前述分析可得，设计变量的约束条件均是线性不等式约束，因此选择fmincon函数(多变量有约束非线性函数)来进行优化求解函数最值问题，其数学模型为：

minf(x)s.t.C(x)≤0

该数学表达式的含义是求一组x，使目标函数值最小，且满足约束条件C(x)≤0,s.t.意思是subject to，表示需要满足之后的约束条件。

通过分析受电弓运动过程中弓头偏移与平衡臂转角的动态变化图，可初步判定受电弓的运动是否符合设计要求。若不符合，运用序列二次规划法(SQP算法)进行优化计算后可以得到一组满足设计要求的最优解，优化后的参数：

综合受电弓的工作性能要求，确定优化的目标和约束条件，通过函数优化，得到满足设计要求的一组参数值。

图3为优化前后弓头横向位移对比图，图4为平衡臂转角的对比图，可以看出，弓头横向偏移量为14mm，弓头平衡臂转角在1°以内，均达到了优化设计的要求。

图5为优化前后从升弓角对比图，对于优化前后，升弓角并无明显变化，由此可以得到一个结论：不同设计变量值的受电弓并不影响其升将弓过程中升弓转角的变化，即升弓转角是在初始时由人为控制的，并不受升降弓动作影响，如图5所示，本次实验是设置升弓角变化范围为4°～55°。

图6为对于升弓角和平衡臂转角对比图，同时综合平衡臂转角对比图，可以得到发生变化的原因是平衡臂转角在优化前后发生了变化，图6更为直观的体现了升弓角和平衡臂转角之间的动态关系图。

利用优化所得参数进行建模，将建模实体导入有限元分析软件中进行静力分析。在弓头左右两侧分别施加预定拉力300N，得到优化后的弓头位移云图，本实施例优化后弓头位移均小于30mm，达到了优化设计要求，进一步验证了优化的正确性。

本发明以保证高速列车受流质量为切入点，研究了列车行驶时受电弓的运动过程，通过分析受电弓的运动轨迹，得到了影响受流稳定性的主要因素。在建立受电弓运动模型基础上，对受电弓升弓过程进行了模拟仿真分析。综合受电弓相关性能要求，利用序列二次规划法和优化函数，对受电弓的几何参数进行优化设计。通过优化对比，得到了受电弓结构的最优参数，可作为相关设计参考。其次，将优化后参数用于建模，通过有限元静力分析，进一步验证了优化设计的正确性：使弓头横向偏移量控制在30mm以下，弓头平衡臂转角小于3°，基本实现了优化目的。

Claims

1.一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法，其特征在于：所述S1具体包括以下步骤：

S1-1：计算受电弓的运动模型自由度，确定受电弓的主动运动部件；

3.根据权利要求1所述的一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法，其特征在于：所述优化目标为降低弓头平衡臂转角和弓头横向偏移量。

4.根据权利要求1所述的一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法，其特征在于：所述S3中采用序列二次规划法进行结构参数优化。

5.根据权利要求1所述的一种城市轨道车辆受电弓结构参数的优化方法，其特征在于：所述S3中采用优化函数工具箱进行结构参数优化。