Dynamic modeling and pantograph-catenary simulation of single-strip high-speed pantograph considering structural elasticity

受电弓在高速或更高速运行时，接触网不平顺、气动效应等高频激励，将激发受电弓的弹性模态及富有高频成分的弓网相互作用。为进行更高速下的受电弓动力学参数设计和弓网受流质量评估，需建立反映结构弹性模态的受电弓全柔模型。 基于此背景，本文以新型单滑板高速受电弓为研究对象，通过实验辨识及有限元计算获得了受电弓的模态参数，进行了基于模态实验的受电弓全柔模型修正，探讨了模态参数对工作高度及弓头约束的响应规律，分析了弓头侧滚运动和结构弹性模态对弓网相互作用的影响。主要研究内容包括以下几个部分： （1）开展了一款新型单滑板高速受电弓的模态实验，基于实验测得的频响曲线，利用模态识别算法，获得了260 Hz以内的两阶垂向耦合振动模态参数和六阶垂向弹性模态参数。基于ANSYS有限元商业软件，进行了受电弓初始全柔模型的模态分析，分析了质量补偿对受电弓固有频率和振型的影响。与目标模态的实验振型比对，观察识别出初始全柔模型的目标模态，计算了目标模态频率的仿真数值与实验结果的偏差。 （2）进行了受电弓模态频率对材料参数的灵敏度分析，研究得到弓头、上臂和下臂的弹性模量和密度，及弓头弹簧刚度，对受电弓的八阶垂向模态频率的影响显著，确定了模型修正参数。利用粒子群优化算法，获得了与模态实验结果吻合度较高的修正全柔模型，对弓头模态、框架模态和整弓模态进行模型修正，其与实验结果的误差分别仅为4.6%、2.2%、5.2%。此外，提出了基于模态置信度的振型识别方法，实现了迭代寻优过程中正确率为100%的模态自动识别。 （3）基于常规工作高度、弓头悬浮情形的修正全柔模型，分别建立了五种工作高度和三种弓头约束的全柔模型。分析了弓头和框架模态参数对工作高度和弓头边界的响应规律，研究得出弓头模态频率与工作高度几乎无关，其中，弓头垂振、弓头垂向一阶弯振、弓头垂向三阶弯振的固有频率受弓头约束的影响较大，弓头侧滚、弓头垂向二阶弯振几乎不受弓头约束的影响。框架模态频率与工作高度呈正相关趋势，与弓头约束无关。 （4）通过引入弓头侧滚和结构弹性自由度，建立了三种单滑板受电弓归算参数模型，结合三维弹性链悬挂接触网进行动力学计算。给出了三种模型的接触力标准差、最大值及最小值随速度的变化规律，指出了弓头侧滚运动及结构弹性对调整接触力的重要作用。</p

基于模态实验的单滑板受电弓全柔模型修正方法

动车组通过受电弓从接触网上获取电能,良好的弓网接触是列车受流的重要保障.随着列车速度的提高,弓网动态特性问题日益突出.受电弓在高速或更高速运行时,接触网不平顺、气动效应等高频激励,将激发受电弓的高频弹性模态及富有高频成分的弓网相互作用力.只考虑受电弓3个垂向自由度的三质量块模型不再适用于高频弓网动力学分析,为进行更高速下的受电弓动力学参数设计和弓网受流质量评估,需建立反映结构弹性模态的受电弓全柔模型.文章提出基于模态实验的受电弓全柔模型的修正方法.首先,开展一款新型单滑板高速受电弓的模态实验,获得260 Hz以内的两阶垂向耦合振动模态参数和6阶垂向弹性模态参数.然后,进行受电弓模态频率对材料参数的灵敏度分析,研究得到弓头、上臂和下臂的弹性模量和密度及弓头弹簧刚度,对受电弓的8阶垂向模态频率的影响显著,确定了模型修正的参数.最后,利用粒子群优化算法,获得与模态实验结果吻合度较高的修正全柔模型,其与实验结果的误差仅为5.2%.此外,提出基于模态置信度的振型识别方法,实现了迭代寻优过程中正确率为100%的模态自动识别