本发明涉及轨道车辆受电弓技术领域，特别是一种小转角受电弓弓头设计方法。
背景技术：
单碳滑板受电弓在与接触网接触受流时，接触面积容易受受电弓弓头碳滑板与接触网接触线相对角度的影响。由于接触网为静止设备，车辆为移动设备，在车辆的移动过程中接触网接触线相对于车辆的垂直高度发生变化，因而引起受电弓的工作高度发生变化，从而引起碳滑板与接触线相对角度的发生变化。当弓头碳滑板偏转角较大时，单碳滑板与接触网的接触由线接触变为点接触，接触点处接触应力急剧增加，很容易造成接触线弯曲，极大的增加机械摩擦和增加接触电阻，从而引起接触点处温度急剧升高，使弓网受流质量急剧下降，容易烧损碳滑板和接触网。
根据国内外高速铁路对高速受电弓的要求，弓头平衡机构在受电弓滑板的最小高度300mm到最大高度2400mm范围内，受电弓滑板的转动角度须小于±2°。因此，现代受电弓会有弓头平衡机构，使弓头碳滑板在工作高度范围内保持小角度偏转。目前受电弓的弓头平衡机构均会将受电弓的主体结构(图中部件1-5及铰链j1-j5)包含在内，且最多只有一个平衡杆。一方面很难找到较好的优化参数使弓头保持小角度偏转，另一方面限制受电弓的主体结构，使其工作范围、弓网接触力、驱动参数等受到较多的限制，使得受电弓性能受到较大的降低。即使经过cad等简单优化分析设计的受电弓，弓头偏转角仍可能较大，最大可能超过10度，远大于规范值，偏转角曲线如图2所示，这将严重影响受电弓受流质量。
在受电弓的实际设计及优化过程中，通常在二维cad软件中作出受电弓的初始方案图，对受电弓的主运动机构的尺寸、角度等参数化，并列出各参数间关系的几何及运动学方程组，如图3。再运用fortran、c等语言工具进行编程求解方程组，再编制优化算法对弓头角度进行优化计算。
从图3中看出，其参数多，必须包含主体结构的参数，其方程列式包含含有正弦、余弦、正切等非线性函数，方程组求解算法和编程复杂，特别是增加一个杆件时，程序的拓扑结构完全改变。整个计算分析过程周期长，方程组求解算法和优化算法效率低，算法不稳定，当受电弓的初始条件距离限值较大时，很难快速、高效地得到结构优化解，尤其是较多的设计变量或对于主体结构尺寸等相关约束要求较严格时，不太可能得到结构的优化解。
这样，必须增加更多的平衡杆，以必须满足的弓头转动角度要求和减少对受电弓主体结构的限制，因而程度的拓扑结构和求解算法完全改变，编程与调试的难度极大的增加，设计周期长，大部分时间花费在编制程序与算法上，对受电弓本身的性能分析少。另外，优化算法只是在给定的初始条件下进行优化，一般情况下只是结构的局部优化解，而非全局优化解。
对受电弓的主运动机构的尺寸、角度等参数进行优化，实际上是以受电弓各铰接点的位置进行优化处理，以满足弓头转角的要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种小转角受电弓弓头设计方法，对受电弓各铰接点的位置进行优化处理，以满足弓头转角的要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种小转角受电弓弓头设计方法，包括以下步骤：
1)在动力学软件中建立非参数化的受电弓动力学模型；
2)在受电弓的垂直运动平面内以滑板最低工作高度位置为基础，对受电弓优化铰位置进行参数化表示：以参考铰为优化铰的局部坐标系原点，以相对坐标表示优化铰对参考铰的相对位置，进行优化铰位置的参数化表示；
3)对步骤1)建立的非参数化受电弓动力学模型中的优化铰，以步骤2)中优化铰位置对参考铰位置的相对坐标为参数，建立优化铰的受电弓参数化动力学模型；
4)将上述优化铰的相对坐标参数设为弓头转角优化的设计变量；
5)在动力学软件中获取受电弓机构升弓到滑板最大工作高度时的升弓过程弓头转角响应曲线，并获取弓头转角响应曲线的最大值
6)对步骤5)中弓头转角优化的目标函数
7)利用步骤6)得到的多个优化方案进行受电弓各部件干涉分析、最大工作高度分析，验证受电弓运动状态冲突问题，得出受电弓弓头转角、部件干涉、运动范围，并进行优劣比较分析，得到受电弓弓头转角、部件干涉、运动范围均满足受电弓技术要求的方案，并从中选取受电弓弓头转角最小的方案，即为最佳方案；
如果上述方案中没有满足受电弓技术要求的方案，则增加平衡杆件，从而增加连接铰链，将增加的连接铰链位置进行与步骤2)相同的参数化表示，重复步骤3)～步骤7)，直至受电弓弓头转角满足技术要求。
步骤5)中，通过动力学软件的最大值与最小值处理函数获取弓头转角响应曲线的最大值
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明针对目前单碳滑板受电弓弓头偏转角大，编程量大，方程求解算法及优化算法效率低、速度慢、收敛困难等，易引起受电弓转角较大，受流质量显著下降的实际背景，提出了一种小转角受电弓弓头的优化设计方法，对受电弓各铰接点的位置进行优化处理，以满足弓头转角的要求。本发明使用受电弓铰接点的相对位置参数坐标的方法，利用成熟的动力学软件及集成的通用优化算法库，优化弓头的转角，使受电弓弓头的偏转角显著减小，使弓头在升降弓的工作范围内达到几乎平动的状态，使受电弓与接触网的接触面积增大，有效改善了受电弓的受流质量，减少了弓网损伤。具有以下特点与优势：
(1)直接采用对受电弓各铰接位置点的二维空间相对坐标参数进行参数选择，以参考铰和相对坐标定义优化设计变量，进行弓头转角优化的方法；
(2)不用再编制受电弓几何方程及运动方程，不用再对方程求解算法和优化算法进行编程与调试，节省大量的编程、调试时间，修改或增加参数更加简单高效；
(3)利用动力学软件和优化算法的成熟可靠，弓头平衡机构的优化求解快速、有效，一般1－2小时就可得出优化的小转角弓头受电弓；
(4)数据集成到一个模型中，受电弓参数化动力学模型能更加全面的反映驱动、干涉、转角等动态性能，结构几何、动态状态等清晰、可视，数据丰富，直接的验证部件间的干涉、工作范围等核心性能；
(5)对设计变量参数的多个优化方案进行工程寻优，最大程度的优化受电弓性能，避免局部优化结果，可得出具有实际工程意义的全局最优化解。
(6)更容易扩展和衍生出新结构的受电弓，仅在受电弓模型上增加一个或几个铰链位置优化点及相对坐标参数，操作易常简单、有效。
附图说明
图1为单碳滑板受电弓结构示意图；
图2为简单优化分析设计的受电弓弓头偏转角；
图3为目前使用的受电弓原理模型及其优化参数与方程列式；
图4为单碳滑板受电弓弓头的转动铰参数化示例(最低工作高度，虚线转动铰为原转动铰的优化后的位置)；
图5为优化后弓头转角曲线(示例)；
其中：
1-底架；2-下臂；3-上臂；4-拉杆；5-弓头；6-平衡杆1；7-平衡杆2；8-平衡杆3；j1～j10-转动铰。
具体实施方式
本发明具体优化步骤如下：
(1)根据受电弓设计方案在通用动力学软件(如simpack、recurdyn、adams等)中建立非参数化的受电弓动力学模型。在已有三维cad软件(如ug等)初始图形几何的基础上，以图示1的受电弓方案为例，说明建立非参数化的受电弓动力学模型过程。
建立非参数化受电弓动力学模型的零件及其几何，在动力学软件中依次输入各部件1-8的三维几何，如果一个部件由几个零件组成，则在动力学软件中合并这个部件的零件，组成同一个part(软件术语)，软件会缺省地选择部件的材料为钢，可选择软件库中的材料或直接赋给part重量，软件会根据部件材料自动计算部件的重量、重心和转动惯量。
建立非参数化受电弓动力学模型的运动铰，在动力学软件中依次根据每个具体运动铰选择铰的类型和连接的部件和铰的位置。图1示例的运动铰均为转动铰，图1中铰j1为连接的部件为底架1和下臂2，位置为底架1或下臂2连接轴承的转动中心及其轴线，图1中铰j2为连接的零件为下臂2和上臂3，位置为下臂2和上臂3连接轴承的转动中心及其轴线，其它铰j3-j10均根据各自的连接部件及其转动中心在动力学软件中分别建立。
在受电弓的下臂与底架驱动铰处施加低速的匀速转动驱动，先试算一个大约的仿真计算时间，再根据受电弓运动到最大工作高度确定最终的仿真计算时间，通用动力学软件会自动生成受电弓的运动学方程并求解，避免对方程组进行列式、编程及求解。软件会自动生成与时间相关的各部件位置、转动角度等结果。单碳滑板受电弓的核心指标之一为弓头(5)在受电弓由最小工作高度运动到最大工作高度的弓头转动角，通过软件自带函数可取得弓头(5)的转角曲线，如图2的曲线所示。
(2)对受电弓转动铰位置进行参数化处理。在受电弓的运动平面二维空间平面内以初始方案位置为基础，以相对坐标对转动铰位置进行参数化。
对受电弓的每个转动铰位置均可进行参数化处理，如果不需要改变受电弓的主体结构运动性能，如受电弓最大工作高度、升弓力矩，则不需对主体结构的转动铰位置进行参数化，仅对平衡杆的转动铰位置进行参数化。下面以图1示例，说明转动铰位置的参数化处理过程，如图4。本转动铰参数化示例为图1中(主体机构为部件1-5及铰j1-j5，部件6-8及铰j7-j10为保持弓头转角的特定平衡机构)转动铰位置的参数化处理示例，假定受电弓除弓头转角外的其它技术要求均已满足，因而不选择主体结构的转动铰(图1中的j1－j5)。
表1受电弓各几何尺寸的定义
式中，xe、ye是设计变量l1、l2、l3、l4、l5、a、b、γ的函数。
(2)弓头的平动运动方程(弓头摆杆与水平方向的夹角)
式中，xf、yf为f点的坐标，即xf＝l7cosλ-l2cos(α-μ)，yf＝l7sinλ+l2sin(α-μ)。p为设计变量l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、a、b、γ的函数。
对于示例图1的受电弓结构，选择平衡机构的转动铰(图1中的j8-j10)进行参数化处理，图1中与转动铰j7相连接的部件为上臂(3)和部件平衡杆2(6)，上臂(3)为主体结构，不改变其尺寸，因而铰j7相对上臂(3)的位置不会改变，而与平衡杆2(6)-连接的铰j8和j9则需要改变其相对尺寸，以便满足的弓头转角要求，因此j8和j9的位置以j7为参考位置。部件平衡杆2(6)的初始方案为直长部件，铰j8、j9均位于部件上，因此以平衡杆2(6)的长度方向x向为纵向，垂直方向y向的尺寸为参数定义j8、j9的位置，对铰j8、j9的位置进行参数化处理。
图3中的j8(o)为图示1中铰j8初始方案的位置，j8(n)为铰j8位置变化后的新位置，j8(n)与j7在x方向的距离为l1，在y方向的距离为h1。同样，j9(o)为图示1中铰j9初始方案的位置，j9(n)为铰j9位置变化后的新位置，j9(n)与j7在x方向的距离为l2，在y方向的距离为h2。同样地，j10以j3为参考，定义j10以j3为参考的位置参数l3，h3。
(3)对第1步建立的非参数化动力学模型进行参数化，使用第2步所定义的参数和相应铰的位置进行定义，建立优化铰的受电弓参数化动力学模型。以图1示例的受电弓方案及图4定义的参数，说明参数化动力学模型的过程。
在动力学软件中建立6个参数，l1、l2、l3、h1、h2、h3，并根据初始方案设置初始值。在j7参考铰中心位置定义1个标识点p7(marker)，标识点坐标系与图3中参考方向一致，再定义j8的中心标识点p8为参数点，选择p8的参考点为p7，p8坐标参考方向自动地与p7一致，p8在p7标识点x方向上的距离为l1，y方向上的距离为h1。同样地，建立j9中心标识点p9为参数点和j10的中心标识点p10为参数点，其中p7为p9的参考点和坐标参考方向，j3中心标识点p3为p10的参考点和坐标参考方向。p8、p9、p10并经过位置变化的验证，即通过改变l1、l2、l3、h1、h2、h3的值，观察p8、p9、p10位置及其铰j8、j9、j10是否发生相应的变化,完成参数l1、l2、l3、h1、h2、h3驱动铰链位置j8、j9、j10的参数化变化的受电弓动力学模型。
(4)在软件中将第3步参数化的受电弓动力学模型中的转动铰相对位置参数设为弓头转角优化的设计变量；并在第1步初步分析的基础上分析机构运动状态、干涉状态等，设置转动铰位置设计变量参数的初始值、变化范围。对于图1、图4的示例，其参数可如表2所示。
表2转动铰位置设计变量参数的初始值、变化范围
(5)对第1步取得弓头转角对响应曲线进行最大值与最小值处理，定义弓头转角范围为弓头转角的最大值和最小值之差，转角范围即为目标函数，以其最小化为优化目标。
对于(4)和(5)，如动力学软件中没有集成优化计算模块，提取动力学模型的计算文本文件，可在通用优化软件为isight、optimus等软件中进行优化参数、目标函数、优化目标的设置和优化求解。
(6)在集成优化计算模块算法库的通用动力学软件或通用多学科优化软件中对第3步所定义的铰接点位置参数化受电弓动力学模型进行优化计算、求解，得出多个受电弓铰链位置设计参数变量的转角优化方案。
(7)对第6步所得的多个优化方案进行分析，选择其中的某些优化方案，利用软件驱动第三步的参数化铰链位置受电弓动力学模型的快速变化，进行受电弓名部件干涉分析、最大工作高度等分析，快速验证部件干涉、工作范围不足等受电弓运动状态冲突问题，快速高效的得出受电弓弓头转角、部件干涉、运动范围等工程性能，并进行优劣比较分析。
可重复步骤(2)－(7)，增加优化的铰接相关位置对应参数，或者将主体机构优化的铰链位置参数和增加平衡杆部件及其铰接位置参数等优化设计变量，以扩展和衍生出受电弓新的设计方案，直至得到较为满意的小转角弓头机构。
对于示例图1的受电弓结构，表2中的优化参数可使偏转角范围显著减小，为-0.71～0.71°，如图5所示，可很好的满足弓头转角等工程化要求。