电动列车的受电弓与电车线的接触点为铁路零部件制造商和测试工程师带来了最复杂、最具挑战性的一种环境，更不用说进行预测和改进了。
为确保列车高效运行，受电弓必须与悬挂在接触网系统上的电车线保持持续接触。然而，这些电车线及其支撑结构在任何给定截面上都呈现出不同的垂向刚度。接触网系统在 30 至 100 米间隔内扭曲，以防止切槽。受电弓对电车线施加的载荷必须保持在明确规定的范围内（70N 至 120N）。如果载荷过低，接触损失会导致电弧，电弧不仅会导致列车失电，而且还会通过蚀刻和过热损坏电车线和接触杆。如果载荷过高，由此产生的摩擦会过早磨损电车线和接触杆。
提供适当的载荷需要可变的垂向运动。但当列车以更高的速度行驶时，受电弓就会失去适当的反应能力。即使电车线尽量扁平，也仅当其悬挂不受干扰时才为扁平。当受电弓抬升电车线时，由此生成的变形会产生波。如果抬升幅度过大，受电弓会产生更大的波形，导致同一条线下一个受电弓发生接触问题。
解决这些问题对于快速发展的全球高铁行业而言至关重要。铁路乘客需要快速、可靠的服务，但随着铁道机车车辆运行速度越来越快，当前的受电弓技术使速度和服务质量面临风险。最坏的情况是，一根磨损的电车线可能会出现裂缝和断裂，进而造成故障，导致数千趟车次被取消或改道，而技术人员则要完成高成本、耗时的更换受损电车线的流程。
重现复杂的交互作用
从测试的角度来看，首要的挑战是如何在实验室中重现复杂而动态的受电弓操作环境。如今，受电弓的行驶速度高达 350 kph (220 mph)，而目前正在进行的开发则将这一上限推得更高。受电弓还具有足够的动力，可通过非常小的接触区域，将数百吨的铁道机车车辆加速到最高速度。而正如我们所演示的那样，物理部件在滑动环境中相互作用，纵向运动量大，压力程度不同。
传统的受电弓研究涉及基本的旋转/滑动测试，即把电车线连接至直径为一到两米的转盘上。测试样件是一块碳或其他接触材料制成的类似受电弓触端的东西。将样件推到自旋式电车线上，然后来回滑动。这些测试对于表征不同材料的磨损效果是很有价值的，但它们并不能复制实际系统在使用中发生的接触动态。
MTS 系统公司开发的新系统提供了更完整的受电弓环境仿真。制造商和测试工程师能够利用此仿真更准确、更精确地研究受电弓和电车线的动力学性能。此仿真旨在帮助测试组测量离线比（接触减少的时间）、接触电阻、功率因数、电弧时间和强度以及接触杆的温度。此外，测试组还可以利用此仿真对电车线和接触杆的磨损和轮廓变化进行实时测量。
通过启用这些测量功能，系统可用于更好地了解高速铁道新受电弓设计的性能。测试工程师可对接触损耗和相关影响、接触电阻和电弧时间、电弧和接触杆的温度以及电车线和接触杆的磨损影响进行有效研究。最终，测试数据将帮助制造商开发被动式或主动式受电弓悬挂系统，增加对电车线运动的动态跟踪，从而实现更好的接触，同时将接触系统的磨损降至最低。
测试系统功能
这套新系统可以紧密地复制受电弓和接触网系统的动态，以适应世界各地铁道机车车辆所处的多种不同运行条件。
此系统通过将电车线安装在 4m 直径转盘的底部边缘，以高达 550 kph 的运行速度来模拟列车速度。该转盘可进行编程，以模拟可变速度，并重现实际列车速度时间历程。为模拟电车线的垂向位移或刚度，可将转盘安装在运动托架上，通过编程重放电车线的垂向位移时间历程或模拟刚度时间历程。托架同样以锯齿形运动方式移动，以模拟手电车线在轨道上的运动。将完整的受电弓安装在振动台上，模拟轨道车在轨道上向下运行时的垂向运动。为完成仿真，系统可通过接触点传输高达 2,000 安培的电流。高速气流流向接触区域以提供冷却，并模拟受电弓从电车线下通过。仪表架随电车线进行锯齿运动，以对接触杆和电车线的磨损情况进行实时监测。
各部件具可编程性，使此测试系统能够对实际受电弓和电车线的交互作用进行更真实的仿真。测试工程师能够借助多种测试模式回放实际时间历程，并改变所有可用的测试通道，包括：电车线垂向位移、电车线水平（锯齿形）位移、电车线速度、受电弓垂向运动、受电弓升/降、电流流量和冷却空气。此系统还可提供高度可重复的测试场景，能够对测试物品设计中的微小差异进行详细测量。测试工程师通过这些测量，可以更有信心地做出工程决策和设计变更，以更好地了解部件在实际服务环境中的性能。
在参数测试过程中，当不同的参数发生变化时，转盘重复循环移动。例如，可以对圆盘进行编程以保持恒定的垂向位置，然后引入越来越大的位移，并对接触性能的影响进行详细研究。合成数据再现是指根据数字模型预测电车线位移历史记录，并使用先进的信号处理软件（如 MTS 远程参数控制系统，简称 RPC）来实现所需的转盘运动历史记录。
最后，通过实时时间历程回放，在轨道上测量电车线位移，并通过软件再现电车线运动的时间历程。可通过改变回放的时间基准，来模拟不同的列车速度，并且可以连接和重复实际运行的短区间，以生成期望总距离的驱动文件。
监测和测量
这套测试系统提高测试工程师能力的其中一种方法为，测量在 “现实世界” 环境中几乎无法测量的诸多因素，并以标准化、可重复的方式进行测量。
为此，这套系统包含大量的测试监测仪器。其中包括接触杆、接触载荷和拉力载荷的载荷测量装置。在每根接触杆的两端测量垂向加速度，进而可以监测接触杆对轨道车和接触电车线的干扰进行响应时的动态运动。通过安装在接触杆背面的传感器和具有记录功能的热成像相机来监测温度。激光扫描仪可记录电车线和接触杆的轮廓，用于进行磨损研究。系统会自动记录电车线行程。在接触点的输入端和输出端均可进行电流和电压测量，从而可以对电阻、功率因数和离线时间进行详细监测。通过光学方法对电弧时间和强度进行监测。所有数据均为时间同步的，以便对特定实例或操作条件进行详细研究。
机器监测渠道也很广泛。其中包括主轴轴承（垂向和水平加速度以及温度）、作动缸载荷和位移、自动润滑系统的活动、受电弓升降状态、液压系统和驱动电机。可以在任何数据通道上设置监测限制（包括警告和关闭级别），从而使测试工程师能够精确控制系统运行。这些极限检测器与控制和监测系统相结合，可实现自动测试，而无需操作员持续监测机器。
这些功能可以为受电弓和火车制造商带来巨大的影响。例如，对于运行中的受电弓，测量接触动力学的许多参数，目前对于测试团队来说是很现实的建议。在过去，由于重复性差，控制力有限，这是一个极其困难和不切实际的问题。如今，更精确的仿真为获得更有价值的见解奠定了基础。例如，测试组可对功率因数和损耗进行更精确的计算，而这两项因素对运营成本有着直接影响。
此系统是下一轮受电弓测试技术浪潮的一部分，这些技术正在改变全球铁路测试团队的研究方式。随着列车运行速度的加快，铁路线路扩展到更多的地区，以及全球乘客数量的增长，市场挑战日益严峻。制造商将能够使用此测试系统和其他测试系统来应对这一挑战，而测试团队能够利用这些测试系统在实验室中对复杂的受电弓和接触网系统动态进行更为真实的仿真。产品设计人员可对运行环境中受电弓的响应有着更准确、详细的了解，进而获得有用的见解，用于开发更高效、可靠、高性能的受电弓。
