2024年RecurDyn优秀案例竞赛作品分享：公路智能受电弓传动系统仿真

摘要：为助力实现碳达峰、碳中和目标，解决公路智能受电弓传动系统驱动模式的问题，采用RecurDyn对受电弓进行多体动力学仿真。为探讨驱动弓头横移的驱动模式，对升弓仿真后的结果进行萃取，利用Spline功能对萃取结果施加不同类型的激励，对比仿真结果发现类梯形驱动模式较为平稳，各部件作用力相对平滑，为进一步优化驱动模式打下基础。

关键词：受电弓；RecurDyn；驱动模式

一、研究背景及目的

为响应环保号召，在保证公路交通领域其本身的灵活性、便捷性以及低成本等优势的前提下，依托电动车发展优势，将公路运输与弓网系统相结合，以达到减少其碳排放量的目标。公路智能受电弓组成部分如图1所示，弓网系统作为关键部件，对其进行动力学验证非常必要。

本研究为验证公路智能受电弓结构设计的合理性和不同驱动模式下机构的动力学响应，将仿真分为升弓过程和弓头横移两部分。其中，为探讨弓头横移的驱动模式，采用Spline功能对受电弓传动系统施加不同的速度、加速度激励，对关键部件的响应结果进行对比。

二、建模过程

2.1模型预处理

首先，建立RecurDyn仿真文件，选择公制单位，将绘制好的受电弓三维模型导入RecurDyn，修改重力方向为Z轴方向，保障仿真与实际相贴合。采用Merge功能，对机构零部件进行合并简化，并删除弹簧系统。分别建立各零部件的图层，方便后续约束添加。

其次，利用Toolkit中的Gear功能，建立蜗轮蜗杆子系统，并对子系统进行约束，作为传动系统的驱动机构，调整蜗轮蜗杆的位姿，将蜗轮与连杆构成传动链，完成机构传动系统的设置。

然后，确定各弹簧架的定位坐标，利用Spring Force替换原受电弓弹簧零件。为保证其整体质心位置与删除前一致，将弹簧质量等效到液压缸和液压顶杆上，调整各零部件的质量，设置关键零部件的材料。预处理后模型如图2所示。

2.2传动系统约束设置

1.升弓过程

受电弓由双四杆机头组成。升弓过程中，液压缸驱动液压顶杆收缩，弹簧收缩，弓臂弓头抬升。由于零部件的坐标存在细微差别，大量使用Revolute Joint约束会使模型大量的过约束问题，导致模型无法计算，所以在模拟升弓过程中，利用Bushing Force对机构的四杆机构进行约束，关键零部件的约束情况见表1。

将Bushing力中X、Y、Z方向的移动以及Y、Z方向的转动进行约束，将X方向的转动进行释放，各参数如图3所示。

采用step函数，设置液压缸及液压顶杆之间Conjoint的Motion运动激励，其函数表达式如图4所示。

2.弓头横移

公路智能受电弓为实现在运行过程中动态捕捉接触网，将升弓结果萃取，删除蜗轮蜗杆及定位杆等零部件，简化后的模型作为弓头横移仿真的预处理模型，着重研究不同驱动模式下，弓头及各关节的动力学响应。

三、试验工况设计及试验结果

受电弓弓头横移运动中，研究不同的激励信号下，弓头的运动情况，其激励工况为下面五种：

（1）匀速运动—停机

（2）匀加速运动—停机

（3）匀加匀减速运动—停机

（4）类正弦加速减速运动—停机

（5）类梯形加速减速运动—停机

具体激励信号形态见表2。各工况仿真时间均为1.5秒，在0至1秒内完成15°转角位移要求，在后续0.5秒内保持速度为0，观察机构运动情况。

弓头横移的仿真时间End Time为1.5秒，仿真步数step为1500步，设置完毕后，仿真开始。如图5所示，A代表驱动激励的输入转轴，按照顺时针顺序，四杆机构依次为B、C、D点。

以匀速工况为例，其仿真结果如下图6至11所示。

匀速工况，输入轴A点的角位移，角速度，角加速度变化规律与设定值相同，在位移到达15°时由于急停，产生突变，输出轴D点满足15°角位移但是角速度与角加速度呈现类正弦波动。受电弓横向最大位移量为440 mm，满足运动要求，横向位移的速度呈现类正弦运动，在位移完成驱动消失后，在1秒至1.5秒产生明显震动。匀速运动从运动初始位置至15°角位移的过程中出现合力、合力矩震荡降低的过程，输入轴（A点）输出轴（D点）两位置最大合力为1080 N，在角位移运动完成瞬间，A点合力出现突变，短时间内由650 N突变为830 N，D点的合力则在受电弓角位移完成后有瞬时的突变；A、D点受合扭矩方式基本与受力情况相同，最大冲击为1750 N·m，D点在受电弓角位移完成后所受合扭矩并未发生突变；A、D两点所受摩擦力基本呈现规律变化。

四、结论

通过利用RecurDyn建立受电弓多体动力学模型，通过定义不同的驱动，对比不同工况的驱动模式下受电弓传动系统的响应，发现类梯形驱动模式较为平稳，各部件作用力相对平滑，为进一步优化驱动模式打下基础。

作者：何卫东¹  张迎辉¹  张喆¹  卫作鑫¹

(1. 大连交通大学现代机械传动技术研究所 辽宁大连  116028)