受电弓机构综合1.

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1、机械原理课程设计说明书设计题目：受电弓机构综合专 业：2011级工程机械1班设计者：金宗李学 号：20116201指导老师：2013年12月10.日目录一、设计题目：受电弓机构综合 1.1.1 设计题目简介 1.1.2 设计要求和有关数据 1.1.3设计任务 1.二、数据收集与设计思路 2.2.1 受电弓工作原理 2.2.2 受电弓分类 2.2.2.1 双臂式 2.2.2.2 单臂式 3.2.2.3 垂直式 4.2.2.4 石津式 4.2.3 受电弓主要构成 4.三、机构选型设计 5.3.1 设计方案的要求 5.3.2 机构的设计 5.3.2.1 方案一：菱形机构 5.3.2.2 方案二：平行

2、四边形机构 6.3.2.3 方案三：铰链四连杆机构 7.四、机构尺度综合 8.五、运动分析 1.0.5.1 驱动方式的确定与计算 1.05.1.1 直接型驱动机构 1.05.2 运动仿真（ ADAMS ） 1.3.5.2.1 受电弓弓头的位移曲线图 1.35.2.2 受电弓弓头的速度曲线图 1.35.2.3 受电弓弓头的加速度曲线图 1.45.3 受电弓弓头上升偏离理想直线的位移验证 1. 45.4 传动角的验证 1.5.5.5 Pro/e 建模模型 1.5.六、总结 1.5.七、收获与体会 1.6.参考文献 1.6.附录1.6.利用位移矩阵求解初始位置坐标的 Matlab 程序 1. 6西南

3、交通大学峨眉校区机械原理课程设计图1-1、设计题目：受电弓机构综合1.1设计题目简介如图所示，是从垂直于电力机车行使速度 的方向看上去，受电弓的弓头的最低和最高位 置。理想的情况是以车体为参照系时，弓头沿 垂直于车顶的方向直线上升、下降，最低 400mm，最高 1950mm。1西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计#西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计1.2设计要求和有关数据1. 在弓头上升、下降的1550mm行程内，偏离理 想化直线轨迹的距离不得超过100mm。2. 在任何时候，弓头上部都是整个机构的最高处3. 只有一个自由度，用风缸驱动。4收弓后，整个受电弓含风缸不超出虚线所示1400x 4

4、00mm 区域。1400图1-25. 在垂直于机车速度的方向，最大尺寸不超过12 00mm。6. 最小传动角大于或等于301.3设计任务1. 至少提出两种运动方案，然后进行方案分析评比，选出一种运动方案进 行设计；2. 设计传动系统并确定其传动比分配。3. 图纸上画出受电弓的机构运动方案简图和运动循环图。4. 对平面连杆机构进行尺度综合，并进行运动分析；验证输出构件的轨迹 是否满足设计要求；求出机构中输出件的速度、加速度；画出机构运动线图。5用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机 构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。6. 编写设计计算

5、说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程 以及效果分析等。7. 在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。二、数据收集与设计思路2.1受电弓工作原理受电弓也称集电弓，是电力机车从接触网受取电能的电气设备， 安装在车顶 上。因为菱形受电弓的形状从侧面看好像是张开的弓而名。一般可分为单臂弓、 双臂弓两种，目前（2012年）常用的是单臂受电弓。（1）升弓：压缩空气经电空阀均匀进入传动气缸，气缸活塞压缩气缸内的 降弓弹簧，此时升弓弹簧使下臂杆转动，抬起上框架和滑板，受电弓匀速上升， 在接近接触线时有一缓慢停滞，然后迅速接触接触线。（2）降弓：传动气缸内压缩空气经受电弓缓冲阀迅

6、速排向大气，在降弓弹 簧作用下，克服升弓弹簧的作用力，使受电弓迅速下降，脱离接触网。2.2受电弓分类受电弓分为四大类：双臂式，单臂式，垂直式和石津式。2.2.1双臂式图2-1双臂式受电弓乃最传统的受电弓，亦可称 菱”形受电弓，因其形状为菱形。 但现因保养成本较高，加上故障时有扯断电车线的风险，目前部分新出厂的铁路 车辆，已改用单臂式受电弓；亦有部分铁路车辆（例如新干线 300系列车）从原 有的双臂式受电弓，改造为单臂式受电弓。222单臂式图2-2除了双臂式，其后亦有单臂式的受电弓，亦可称为 之”（Z）（）字形的受 电弓。此款受电弓的好处是比双臂式受电弓噪音为低， 故障时也较不易扯断电车 线，为

7、目前较普遍的受电弓类型。而依据各铁路车辆制造厂的设计方式不同， 在 受电弓的设计上会有些许差异。4西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计223垂直式图2-35西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计图2-4垂直式受电弓，亦可称成“ T字形（亦叫作翼形）受电弓，其低风阻的特性 特别适合高速行驶，以减少行车时的噪音。所以此款受电弓主要用于高速铁路车 辆。但是由于成本较高，垂直式受电弓已经没有使用（日本新干线500系改造时 由垂直式受电弓改为单臂式受电弓）。2.2.4石津式日本冈山电气轨道的第六代社长、石津龙辅于1951年发明，又称为 冈电式”冈轨式”2.3受电弓主要构成1. 底架组成;2. 阻尼器；3.

8、 升弓装置;4. 下臂组装;5. 弓装配；6. 下导杆；7. 上臂组成;8. 上导杆；9. 弓头；10. 碳滑板；11. 绝缘子三、机构选型设计3.1设计方案的要求连杆机构是整个受电弓设计的最关键机构。 连杆机构的作用是：在升弓和降 弓的过程当中，让受电弓的弓头能够平稳的上下移动， 而且要使弓头在运动的过 程当中理想的轨迹始终是一条竖直的直线， 而且能够稳定在最高点保持不动，上 下偏差要尽可能小，而且要保证弓头的角位移偏差也要尽可能的小。因此对连杆的要求是：尽量保证弓头的轨迹为一条竖直的线，而且要让弓头的角偏差也要尽可能 小，都在误差允许的范围内。连杆机构的结果要尽可能的简单，而且尺寸也要尽可

9、能的小（不占用车顶的 空间，而且安装维修方便，节约资源）。要是连杆机构的传动角大于或等于 30。3.2机构的设计根据上面的要求，可以设计出不同 的连杆机构：3.2.1方案一：菱形机构根据铁路车辆中的菱形受电弓的使 用，想到了设计受电弓的菱形机构如图3-1-1所示；工作原理：风缸驱动两边滑块向中 间移动，弓头F垂直上升，并且弓头F 始终是处在最高点，当滑块 A和滑块B 无限接近时，弓头F上升到最高点。图3-2-1升弓装置的菱形机构可行性验证：此机构中滑块 A和B向左和向右移动，弓头可以垂直上升， 但在满足传动角大于30度的情况下，可以计算出：400AC 二 CD 二 DF515.2mm32 n(

10、l5)所以其最大上升高度Hmax 二 AD 3 =1545.6 : 1550所以，此机构在满足传动角的条件下，最大高度H却不满足设计要求。因此菱形机构不满足设计要求。322方案二：平行四边形机构根据要求弓头轨迹尽量在一条直线上，因此想到了平行四边形机构可以保持 平动运动趋势，设计机构如图3-2-2图3-2-2升弓装置的平行四边形机构工作原理：A点固定，滑块B由风缸驱动，未升弓时，弓头 G处在1400 400mm区域内，升弓时，滑块 B向左滑动，弓头G垂直上升CDFE始终是平行四边形，当滑块B滑动到最左端时，弓头G处在最咼点可行性验证：由图3-1-的受电弓机构简图知，在满足传动角大于30的情况F

11、可以计算出:AD =GD 400772.7mmsin (15)所以机构在弓头到达最咼时，其最大咼度H max = AD 2 = 1545.4 ： 1550 mm故此机构在满足传动角的条件下，不满足上升所需的最大高度 H ,故此平行 四边形机构不满足要求。323方案三：铰链四连杆机构在机械的机构运动设计中最常用、最灵活当属铰链杆机构的设计来实现所需 运动轨迹、或其它运动要求。这里采用设计铰链四连杆机构来实现弓头的升降， 机构简图如图3-1-所示工作原理：先将A点和D点固定，CBE为整体连杆，未升弓时，整个机构（包括弓头E）处在1400 400mm区域内，这里选用CD连杆为主动件，采用风缸驱动CD

12、连杆，使弓头上升。弓头E虽然上升非直线，但在一定偏差范围内，此机构在弓头E的上升高度，传动角的范围都符合设计要求。可行性验证：四连杆机构使用灵活性非常的高，从图3-2-3可以看出，当弓头E上升到最大高度时，只要连杆长度设计合理，还可以继续升高，并且传动 角也在设计的范围内。杆长的具体计算详见第四部分的机构尺度综合。四、机构尺度综合通过第三部分的机构选型设计知道， 在满足所有的要求下，设计升弓机构应 采用四连杆机构因机构要求有直线轨迹，所以采用平面连杆机构运动设计的位移矩阵法来设 计机构的各杆长度。这里有两种方法可供选择和参考：方法一：由Burmester理论可知：当连杆是由两个转杆导引时，平面

13、四杆机 构可实现精确位置的最大数目为 5。当不考虑运动副间隙和构件的弹性变形时：则我们可以在1550mm的轨迹上取5个点，以B,C两点的坐标xB,yB,xC,yC以 及BC的转角弓2,弓3,%门15为设计变量，然后根据实际情况自取两点，同样用刚 体位移矩阵方程，可得到8个非线性方程，可解出这8个设计变量。方法二：由刚体位移矩阵方程进行计算：在1550mm的轨迹上取9个点，以A B、C D四点的坐Xa、ya、Xb、yb、Xc、y。、Xd、y 以及连杆 BC 的转角十2、十3、弓4、冃5、哥6、和、哥9等16个变量为设计变量，利用刚体位移矩阵方程，可得到16个非线性方程，可解出这16个变量的值。比

14、较两种方案之后可以发现：利用方法二可得到与直线较接近的轨迹，但是，用此种方法难以控制机构的大小，机构很容易超出1400 400mm的区域范围。利用方法一得到的轨迹不如方法二所得到的轨迹理想，偏离理想直线的距离可能较大，但是在这种方法中可自定两点，这样就可以人为的控制机构的大小, 使之不超过1400 400mm的区域范围。F面用方案一对升弓机构(四连杆机构)进行求解计算:1由于E点在竖直直线上运动，因此E点的坐标由E点的轨迹确定的，所以 可利用E点建立位移矩阵来求出点B和点C的坐标。位移矩阵为：攣oSCii DJ = |inqi镲04-14-24-3-sinqj XEi - Xe“ cosqj

15、+ yEiSinc cosqjyEi - XeiSinq： - yi cosqj0 1利用位移矩阵建立点B和点D与位移的矩阵关系:XBiXB1yBi =D1i yB1II IILI 1 JXCiXC1yCi- D1i yC1i 1 i 11. 由杆长为定值，写出杆AB和杆CD的约束方程:(XBi Xa)2 (yBi Ya)2 =(Xb1 Xa)2(yByA)22 2 2 2(xci-xd)(yci-y) =(xc1-xd)(yC1-yD)2. 采用逆向设计的方法，先确定尺寸，然后用Matlab软件解出上面的方程；对弓头E点运动进行分析，并验证是否满足要求。首先，根据连杆机构的实际运动情况以及我

16、们的设计要求，我们根据弓头E的运动轨迹，以及误差允许的范围，我们初步假设弓头E在上升结果的五个位置分别为：E1 (0,400) , E2(-12.5,750) , E3(-37.5,1125) , E4(40,1625) , E5(T0,1950)再假设A、D点的坐标为已知，这里将A、D点取在1400 400mm的范围内， 这里定为 A (175,300), D (475,150)。根据所假设的点，再将公式3-1和3-2代入公式3-3和3-4,可以得到8个非 线性方程，方程本身有8个未知数(XB,yB,Xc,ycQ2,&i3,Bi4,5)，用Matlab求解 得(程序见附录)：xB = 111

17、0.7,yB = 327, xc =1152.8,yc = 268.6乜=0.16,% =0.34,34 =0.495 =0.70(弧度制)根据求解的(XB,yB,XC,yC12131415)，相当于知道了初始位置时的铰B 和铰C坐标，由两点间的坐标可以计算出杆长：lAB = 936mm , lBC = 72mm , lCD = 688mm , lAD = 335.4mm由弓头E的初始坐标(0,400)以及B点坐标，可以求出杆BE的长度：lBE =1113.4mmB点，C点的坐标已经求解出来，且 E点的初始坐标(0,400)已知，所以Ibe, Ibc,Ice的长度计算出来，由此可以计算出-CB

18、E的角度：)=130； CBE = arccos国直21 BE1BC到此，升弓机构所有计算结束，经验证，计算后的数据符合设计要求五、运动分析5.1驱动方式的确定与计算由第2章的要求可知，本机构只有一个自由度，用风缸驱动。但是用风缸 作为原动件，最后可有不同的方式作用到机构上， 直接或者间接形式。因为机构 的轨迹四杆机构本身决定，所以驱动方式对机构的运动轨迹并无影响，它只会影 响机构的运动速度与加速度。这里具体分成直接形式和者间接形式。5.1.1直接型驱动机构15西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计16西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计风缸活塞杆直接驱动机构，如图5-1-1所示图5-1-1风缸

19、活塞杆直接驱动机构图#西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计风缸的活塞杆直接推动连杆CD，使绕D点转动。一般情况下可控制风缸的 伸出速度为匀速，而CD杆的转速则只能为变速运动。o图5-1-2机构运动简图EE工|：由图5-1-2所示，根据刚体运动知识和几何学知识，CD的角速度在升弓过程中会不断递增和传动角，大于或等于30为原则，试可取Ld 300mm1、根据机构的初始位置，可算得:Xgi = 475 中 Ldgi COSct 1i yGi = 15 + Ldgi sin m 1xG2 = 475 十 LdG2 cosc(2I yG2 = 15 + LDG2 S in G 2把Ldg =300mm

20、a9. a2=56,代入上式中，可算出:Gi点的坐标为（770.52，201.65），G2点的坐标为（642.4,2、算H点的坐标由G点和H点的位置关系可得到如下方程:Yg1 - Yh Xg1 - Xh Yg 2 - Yh X G 2- X H把 G1 ( 770.52，201.65)，G(642.4，398.9)， =复中得到：Xh =1133.9.Yh =67.8398.9),屯二34代入方程LHG1-(Xg1-Xh)2 (Yg1-Yh)2LHG2(Yg2 -Yh )23、由G点和H点的位置可算出风缸伸出的长度:计算得到：LGH1 = 387.248mmLgH2 = 607.66mm所以活

21、塞在风缸中的移动距离为：S = LHG 2 一 LHG1 = 220.412mm4、确定风缸中活塞运动速度由于受电工在工作中的反应速度要尽可能的快， 但是速度过快，整个机 构加速度也增加，对电网冲击会太大，经常这样会使电网的寿命缩短：但是如果 速度过慢，则机车的启动时间延长，驱动气泵所用蓄电池的放电时间比较长。 综 合上面两方面的因素考虑，受电弓升弓的时间一般低于10s。假设取时间t =8s则 风缸驱动平均速度为： VFS/t =27.55 10m/s。5.2运动仿真（ADAMS）5.2.1受电弓弓头的位移曲线图由图知：弓头上升时偏离理想直线距离为 73mm左右，用ADAMS设定风 缸的推动速

22、度为0.02m/s时，上升到规定高度的时间约为 8秒，符合目前铁路方 面的升弓要求。15.a叙020图5-2-1受电弓弓头的位移曲线图411Timel5ec70&0-2013-15-23 MOWn.oi.d.iati3i5. LasLRunSH(XJmGDNG2l 13121318西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计#西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计522受电弓弓头的速度曲线图1MARKER1 BI1/、丄-190 0270 0260 0250 0240 0230 0220 0210 0200 0ISO 00 03.04.05.080#西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计#西南交通大学峨眉

23、校区机械原理课程设计图5-2-2受电弓弓头的速度曲线#西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计523受电弓弓头的加速度曲线图根据右图，知道一开始加速度较大，接着慢慢变小，上升到规定高度时, 加速度大小约为0.01mm/s2，0.01的数量级本身就很小，符合铁路中弓头与接触 网即将接触时，要求冲击力较小，所以加速度设计符合要求。25 010.0加速度曲线-65 0-80.0 - - - -0.01 02030405.06.07.08 0Analysis: LasI RunTime (secoo o o o50.一 ruaj営呂 匚21相心一心JJ19西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计#西南交通大学

24、峨眉校区机械原理课程设计线的位移验证迹近似为一条直线。图5-2-3受电弓弓头的加速度曲线图5.3受电弓弓头上升偏离理想直由弓头上升去轨迹图知，当杆长按图5-3-1弓头上升轨迹图照计算出的数据确定时，弓头的上升轨5.4传动角的验证AA根据右图知，受电弓处在未升弓时，传动角大于 30，约为32左右，并且在 升弓的过程中，传动角始终大于 30度，满足设计要求。SHCsyms xb1 xc1 yb1 yc1 a12 a13 a14 a15 xE1=0;yE1=400;xE2=-12.5;yE2=750;xE3=-37.5;yE3=1125;xE4=40;yE4=1625;xE 5=-10;yE5=19

25、50;xd1=475;yd1=150;xa1=175;ya1=300;equ1=(xb1*cos(a12)-yb1*si n( a12)+xE2-xE1*cos(a12)+yE1*si n( a12)-xa1)A2+(xb1*si n(a12)+yb1*cos(a12)+yE2-xE1*si n( a12)-yE1*cos(a12)-ya1F2-(xb1- xa1)A2-(yb1-ya1)A2;equ2=(xb1*cos(a13)-yb1*si n( a13)+xE3-xE1*cos(a13)+yE1*si n( a13)-xa1)A2+ (xb1*si n(a13)+yb1*cos(a13)

26、+yE3-xE1*si n( a13)-yE1*cos(a13)-ya1F2-(xb1- xa1)A2-(yb1-ya1)A2;equ3=(xb1*cos(a14)-yb1*si n( a14)+xE4-xE1*cos(a14)+yE1*si n( a14)-xa1)A2+ (xb1*si n(a14)+yb1*cos(a14)+yE4-xE1*si n( a14)-yE1*cos(a14)-ya1)A2-(xb1- xa1)A2-(yb1-ya1)A2;equ4=(xb1*cos(a15)-yb1*si n( a15)+xE5-xE1*cos(a15)+yE1*si n( a15)-xa1)

27、A2+ (xb1*si n(a15)+yb1*cos(a15)+yE5-xE1*si n( a15)-yE1*cos(a15)-ya1)A2-(xb1- xa1)A2-(yb1-ya1)A2;equ5=(xc1*cos(a12)-yc1*si n( a12)+xE2-xE1*cos(a12)+yE1*si n( a12)-xd1F2+ (xc1*si n( a12)+yc1*cos(a12)+yE2-xE1*si n( a12)-yE1*cos(a12)-yd1F2-(xc1- xd1)A2-(yc1-yd1)A2;equ6=(xc1*cos(a13)-yc1*si n( a13)+xE3-x

28、E1*cos(a13)+yE1*si n( a13)-xd1)A2+ (xc1*si n( a13)+yc1*cos(a13)+yE3-xE1*si n( a13)-yE1*cos(a13)-yd1F2-(xc1- xd1)A2-(yc1-yd1)A2;equ7=(xc1*cos(a14)-yc1*si n( a14)+xE4-xE1*cos(a14)+yE1*si n( a14)-xd1)A2+ (xc1*si n( a14)+yc1*cos(a14)+yE4-xE1*si n( a14)-yE1*cos(a14)-yd1)A2-(xc1- xd1)A2-(yc1-yd1)A2;equ8=(

29、xc1*cos(a15)-yc1*si n( a15)+xE5-xE1*cos(a15)+yE1*si n( a15)-xd1)A2+ (xc1*si n( a15)+yc1*cos(a15)+yE5-xE1*si n( a15)-yE1*cos(a15)-yd1)A2-(xc1- xd1)A2-(yc1-yd1)A2;A,B,C,D,xb1,xc1,yb1,yc1=solve(equ1, equ2, equ3, equ4, equ5, equ6, equ7, equ8, a12 ,a13 ,a14 ,a15,xb1, yb1,xc1,yc1)23西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计#西南交通大学峨眉校区机械原理课程设计完成日期：年月日指导教师24