论文总字数：20402字

摘 要

随着高速铁路的迅猛发展，其依靠的机车技术研究愈发重要。铁路机车，尤其是高速铁路的安全、可靠和快速行驶，成为当前轨道列车技术研究的热点。而受电弓与高压电网组成的弓网系统作为机车电力传输系统的关键环节，其研究和测试也越来越受重视。本文针对受电弓上框架，借助Solidworks三维建模软件和ANSYS Workbench有限元分析软件完成了一款垂向加载试验台的结构设计，包括受电弓上框架夹具、加载测试系统两部分。

首先，本文对受电弓研究发展现状做了简单陈述，并说明了本次结构设计的主要内容和研究意义。其次，提出了几种加载试验台的结构设计方案，借助Solidworks三维建模软件建立了一款依靠电机提供动力的复合材料受电弓上框架垂向加载试验台，试验台主要分为受电弓上框架的夹具和加载系统两部分，可以利用电动机提供的转矩为加载系统提供动力，实现对受电弓上框架的垂向加载，直到达到其应力极限，观察在某部位产生断裂或者塑性变形的现象。再次，利用ANSYS Workbench有限元分析软件对主要零部件进行应力、应变和位移分析，并对这些零件进行结构优化。最后，本文简述试验台数据采集系统的实现方式，并探讨其可能存在的影响因素以及解决方案，根据数据采集设备和试验台结构对测试精度的影响进行分析，最终得出了试验台测试精度的研究结论。

本文的特色：利用绞车和导轨滑块系统设计受电弓上框架的垂向加载系统。

关键词：受电弓；试验台；Solidworks；ANSYS Workbench

Abstract

With the rapid development of high-speed railways, the locomotive technology research that relies on is becoming more and more important. Railway locomotives, especially the safe, reliablility and fast driving of high-speed railways, have become the focus of current research on rail train technology. As the key link of the locomotive power transmission system, the pantograph system composed of pantograph and high-voltage power grid is also gaining more and more attention. Aiming at the upper frame of pantograph, this paper completed the structural design of a vertical loading test bench with the help of Solidworks 3D modeling software and ANSYS Workbench finite element analysis software.

First of all, this paper makes a brief statement on the current development status of pantograph research, and explains the main content and research significance of this structural design. Secondly, the structural design schemes of several loading test stands are proposed. With the help of Solidworks 3D modeling software, a vertical loading test stand of composite material pantograph upper frame relying on motor is established. The test stand is mainly divided into pantograph the upper frame's fixture and loading system can use the torque provided by the motor to provide power to the loading system to achieve vertical loading of the pantograph's upper frame until it reaches its stress limit. Observe that a fracture or plastic deformation occurs in a certain part The phenomenon. Thirdly, the ANSYS Workbench finite element analysis software is used to analyze the stress, strain and displacement of the main components and optimize the structure of these components. Finally, this article briefly describes the implementation method of the test bench data collection system, and discusses its possible influencing factors and solutions. According to the analysis of the impact of the data collection equipment and test bench structure on the test accuracy, the test bench test accuracy Conclusion of the study.The special feature of this paper is to design the vertical loading system of the frame on the pantograph using the winch and guide rail system.

Key Words：Pantograph；；Workbench；Solidworks；ANSYS Workbench；

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.1.1国内外受电弓研究介绍 2

1.2课题研究意义 3

1.3课题主要任务 3

1.4本文主要内容 3

第二章 受力分析及夹具设计方案 5

2.1受电弓上框架受力分析 5

2.1.1受电弓运动原理 5

2.1.2受电弓上框架的静力学分析 6

2.1.3受电弓主要失效形式分析 6

2.2夹具设计方案 6

2.2.1方案一 7

2.2.2方案二 8

2.2.3方案对比与选择 8

第三章 加载系统方案分析 9

3.1加载力与动力源 9

3.1.1加载力的范围 9

3.2传动系统设计 9

3.2.1方案一 10

3.2.2方案二 10

3.2.3方案三 11

3.3加载系统方案分析 11

3.3.1方案分析 11

3.3.2加载系统结构设计与标准件的选用 11

第四章 主要部件三维建模和可靠性分析 15

4.1三维模型 15

4.1.1Solidworks建模软件介绍 15

4.1.2试验台三维模型 15

4.2可靠性分析 17

4.2.1Ansys Workbench有限元分析软件介绍 17

4.2.2主要部件可靠性分析 18

第五章 数据采集与精度分析 23

5.1数据采集 23

5.1.1力传感器 23

5.1.2电阻应变式传感器 24

5.2精度分析 25

总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

第一章 绪论

1.1课题研究背景

自二十世纪中叶以后，世界经济形势持续向好，航空工业与公路运输迅速发展，挤压了铁路运输的生存空间。由于速度的限制，铁路运输在长途客运方面不如航空运输，在短途客运方面不如公路运输，因而逐渐被替代，成为夕阳产业。到二十世纪八十年代初，随着能源储备不足、环境保护、基础设施建设短缺和交通安全事故等问题愈发严峻，铁路运输的特别作用被人们重新发现。尤其是在高速铁路出现之后，铁路运输依靠其运量大、速度快、风险小、排放少、能耗低的优点，逐渐适应了现代经济社会发展的需要^[1]。

根据国家相关规定，将时速在200km/h以上的电气化铁路称为高速铁路，简称高铁。我国的中长期高速铁路网规划中明确指出，在“十三五”期间，要以“四纵四横”为主要干线，加快建设快速客运网为主骨架的高速铁路建设。建成一批设计时速300公里、具有世界先进水平的高速铁路，形成比较完善的高铁技术体系^[2]。

目前，大多数电力机车采用高压电网与受电弓系统组成的弓网系统为机车提供电力。受电弓是电力机车获取电能的设备，位于机车的顶部，通过滑板与高压电网连接，传递电能。受电弓主要分为单臂弓和双臂弓两种，其结构主要有碳板、底架、绝缘子、上框架、下框架、导杆等部件组成^[3]。高压电网中的电流，通过受电弓传导至机车动力设备，为整车提供动力和其他用电设备的供电。作为弓网系统的重要组成部分，在高速铁路运行中的作用尤为明显。受电弓的性能优劣直接影响高速铁路的运行状态，对保证高速铁路机车安全快速行驶具有重要作用。

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