本文介绍了一种为电动矿卡车专门研制的受电弓的技术设计,介绍了其主要技术参数、结构设计、工作原理和液压驱动系统设计。该受电弓基于铁路受电弓的设计原理,考虑电动矿卡车接触网线、自带液压系统的特点,设计采用了一种双受电弓同步升降结构、液压同步驱动系统、多重电气绝缘保护设计的方案,实现了电动矿车车的受流需求,能够有效的满足电动矿用车的应用场景和使用要求,具有较高的指导价值。

随着列车运行速度的提高,列车产生的噪声对周围环境产生的影响愈发严重。高速列车受电弓位于车顶,其产生的气动噪声成为高速列车主要噪声来源之一。选取某典型受电弓结构建立受电弓的流体及气动噪声的仿真分析模型,通过大涡模拟方法计算流场场量的分布特征及气动噪声大小。根据仿真分析结果研究受电弓气动噪声产生的机理,并在此基础上引入翼缘仿生结构对当前受电弓结构进行优化改进。研究结果表明,仿生优化后的受电弓能够有效降低受电弓尾涡脱落量,降低了气动噪声,并且其宽频噪声品质表现较好,具有比较良好的空气动力学性能。另外,优化后的受电弓适当的提高了受电弓的升力,可以减小跳网情况的发生,有助于受流稳定,具有一定的工程参考价值。

受电弓是高速列车顶部最主要的气动噪声源,合理的导流罩设计是降低受电弓气动噪声的重要方法。通过声学风洞试验的方法,研究缩比模型导流罩对高速列车受电弓气动噪声的影响,采用远场麦克风及声阵列,给出了风速范围为200～250 km·h-1时的升弓、降弓状态下,受电弓和加装导流罩的远场气动噪声频谱、主要噪声源位置、强度和对应频带范围。研究表明,受电弓气动噪声为宽频带噪声,中频噪声源位于受电弓区域后部近车体位置,中高频、高频噪声源对应弓头和支座区域;升弓状态下,导流罩增大了弓头区域的气动噪声能量,在降弓状态下,导流罩减小了弓头和支座的噪声水平。

针对高速列车弓网噪声,为降低主要由细长圆柱杆件构成的受电弓的气动噪声,建立三维圆柱绕流气动噪声分析模型,基于大涡模拟方法、声类比理论模拟圆柱杆件的流场特征,分析远场气动噪声频谱特性与分布规律,并对圆柱杆件表面作球缺型凹坑处理,分析表面处理方案的降噪效果。数值结果表明,来流与圆柱轴向所在平面法向的气动噪声受升力波动影响,声压级最大;圆柱来流方向前后气动噪声受阻力波动影响,声压级最小。圆柱表面球缺型凹坑处理方式可以有效降低圆柱杆件远场R=5 m处最大声压级,凹坑加密,降噪效果更好,优化模型II-1、II-2和II-3在R=5 m处最大声压级分别降低1.5 d B、1.9 d B和2.4 d B。相关结果可为高速列车噪声控制提供参考。

针对高速列车诱发的气动噪声问题,提出通过优化受电弓外形的降噪方法。基于Lighthill声学理论,应用宽频带噪声源模型、LES大涡模拟和FW-H声学模型对高速列车整车、原有受电弓及改进受电弓的气动噪声进行数值模拟,分析高速列车气动噪声特性、噪声源主要组成及改进受电弓的降噪效果,并得出仿真结果:高速列车气动噪声无显著的主频率,是宽频噪声;具有明显的速度依赖特性,速率越大声压级幅值越大;列车主要气动噪声源为受电弓、头车鼻尖、转向架等;仿生(宏观)改进受电弓与原有受电弓相比具有明显的降噪效果。研究表明,优化受电弓外形降噪方法的可行,也为优化结构部件的降噪方法提供一定的科学依据。

铁道列车在运行过程中,存在气囊式受电弓不能根据当下列车运行状况进行弓网接触压力随动调整的问题,从而造成了弓网之间的接触压力过大或者过小,进而引起弓网耦合系统不稳定运行。本论文旨在研究不改变受电弓原有机械结构框架的基础上对受电弓气动控制系统进行基于模糊算法的控制机理改造,首先研究明确了现有受电弓的设计缺陷,而后在此缺陷上加入了基于模糊算法的控制系统,通过MATLAB的仿真建模,该控制系统能够完成对弓网接触压力的实时调整。

地铁列车在隧道中行驶时,受电弓对气流产生扰动并形成涡旋脱落,从而产生明显的气动噪声。对λ/D=2、ω/D=0.48的弓头展向波纹结构模型进行波峰、波谷、波峰波谷耦合穿孔优化设计,通过流体计算软件FLUENT进行流场的稳态和瞬态计算求解。采用标准k-ε模型计算稳态流场,在此基础上通过大涡模拟计算瞬态流场。基于气动噪声混合计算方法,将瞬态流场计算结果通过积分插值映射到声学网格上,并计算获取气动噪声声源及传播过程。仿真计算结果表明展向波纹穿孔结构模型较无穿孔模型有降低气动噪声的作用;展向波纹结构波峰波谷穿孔模型较单独的波峰、波谷穿孔模型的降噪性能较优;在远场R=1.18 m、2 m、5 m处,展向波纹波峰波谷穿孔模型的总声压级较波峰穿孔模型降低了0.51 dB、1.46 dB和1.43 dB,较波谷穿孔模型的总声压级降低了0.37 dB、1.21 dB和1.29 dB。

受电弓作为高速列车顶部重要的受流装置,在列车高速行驶时对气流产生扰动并形成涡旋脱落,产生显著的气动噪声,从而对周围环境产生影响。针对受电弓弓头的气动噪声问题,将展向波纹结构引入弓头杆件结构之中,基于波长λ和波纹幅度ω两个参数建立了八组受电弓弓头展向波纹结构模型,并通过流体计算软件FLUENT进行流场的稳态和瞬态计算求解。采用标准k-ε模型来计算稳态流场,在此基础上通过大涡模拟计算瞬态流场。基于气动噪声混合计算方法,将瞬态流场计算结果通过积分插值映射到声学网格上,并计算获取气动噪声声源及传播过程。仿真计算结果表明,λ/D=2、ω/D=0.48的展向波纹结构模型降噪性能最优,较直方杆模型的总声压级降低了9.15 dB;λ/D=2、ω/D=0.36的展向波纹结构模型的减阻性能最优,较直方杆模型的气动阻力值降低了2.29 N。

为满足国内高速铁路接触网运行质量评判的需要，开发了基于TMS320C5402芯片的高速车载非接触式动态网检系统。因其对接触压力、硬点等技术参数的测量是利用相关算法对受电弓滑板位移进行处理间接得到的，其中受电弓滑板位移是由配置在车顶低压端激光传感器测得的，从而可使传统测量方法中置于受电弓滑板上的传感器能够完全撤离下来，以达到避免电磁干扰和传感器自重对检测结果不利影响的目的。

中国高速铁路近几年快速发展,受电弓系统作为高铁的关键系统之一,其与接触网的接触力对列车运行安全及高铁线路运营十分重要。在受电弓运行到达一定里程数进行四级修出厂时,需对受电弓的静态接触力进行校验及可靠性评定,文中对此设计搭建了试验平台,对检修后的受电弓进行接触力检测,并进行了现场试验,记录全部的试验数据加以验证。