受电弓设计计算说明书

受电弓设计计算说明书姓名：学号：班级：指导老师：***2008年6月目录第1章问题的提出 (1)第2章设计要求与设计数据 (1)第3章机构选型设计 (2)第4章机构尺度综合 (5)第5章机构运动分析 (7)5.1 驱动方式的选择 (7)5.1.1直接型 (7)5.1.2 间接型 (9)5.2运动仿真 (10)5.2.1 仿真 (10)5.2.2 传动机构的比较 (11)5.3 机构运动验证 (12)5.3.1 E点X方向偏移的验证 (12)5.3.2 E点Y方向偏移的验证 (12)5.3.3 传动角验证 (13)第6章机构动力分析 (14)6.1整个机构动态静力分析 (15)6.2整个驱动过程中受力分析 (18)6.3风缸受力情况分析 (19)6.4基点的受力情况 (19)第7章结论 (20)第8章收获与体会 (21)第9章致谢 (21)参考文献 (22)附录1 (23)第1章问题的提出受电弓亦称集电弓，是一种让电气化列车或电车从高架电缆取得电力的设备的统称.它是动力输送的关键部位，为保证列车安全稳定运行，就必须使机车与铁路电网保持良好的接触。

这就要求输送电力的受电弓在工作时满足以下要求：（1）受电弓升弓时，接近电线的速度应较慢；受电弓收弓是离线的速度应较快。

以避免弓与高压线之间产生高压电弧，烧坏弓头及电线，影响安全。

（2）又因高压线在重力作用下使得两电线杆之间的电线呈向下垂的趋势，从而受电弓在机车运行中的高度也必须随其变化，要保持弓与线良好的接触，就要求整个受电弓对机车的响应比较快。

（3）随着现代社会的快速发展，列车也得朝着高速舒适的方向发展。

这就更对受电弓的性能有更高的要求。

第2章设计要求与设计数据设计要求：(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,弓头摆动最大角位移不得超过5ο。

(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。

图21-机构运动范围图（4）收弓后，整个受电弓含风缸不超过下图虚线所示的1400400mm ⨯区域。

如图21-所示。

（5）最小的传动角大于或等于30ο。

（6）垂直于速度方向上，最大尺寸不超过1200mm 。

第3章 机构选型设计由于设计要求中机构收弓时必须在规定的虚线区域，传动角大于或等于30ο且只有一个自由度可知：在连杆、凸轮、齿轮中选择连杆机构，而且连杆之间所行成的低副可设计成面接触，从而可使机构稳定，承载能力大。

方案一：直线机构（天线式）设计要求：只需在虚线区域设置好底座支架，直接用风缸推动中空的天线式支架，将受电弓滑板送至高压线，与之相接触。

评析：此方案满足直线上升的要求，但是在机车速度方向上承载能力太低。

改进方案是在其两侧增加支架，设计如图31-。

A DB (C )AD C B图31- 直线式机构图,AC AB 均为均分成四段的活动连杆，当主杆由D 点上升到A 点时，,AB AC 为直线，可增加横向的承载能力，但是增加,AB AC 自锁的条件，制作难度加大。

方案二：平行四边形机构如图32-：AB OD CD ==,在A 点置为滑块，当其向左移至1A 点时，111,,B C D 如图所示。

易得OMA ∆为等腰三角形,其底边中线平行于OB ,当中线向左平移后仍与OB 平行，从而保证了11,,,,O B C B C 五点始终在垂直于底边的一条直线上，满足设计直线轨迹要求。

且个体为三角形机构，承载纵向和横向能力较高。

但是设计要求传动角大于或等于30ο，即30α∠≥︒，设30α∠︒＝有：max max max 200772.7sin sin15OB OD AB mm BAO ====∠︒，从而当,OD DC 共线时， A D BCM A'D'B'C'O图32- 平行四边形式机构图772.721545.41550OD =⨯=<从而判定不满足传动角要求。

同时极限位置设计导致机构必须在虚线区域外部，不符合要求。

方案三：双滑块机构滑块,A B 同时对称运动，由平行四边形特性可得F 点必定沿图33-所示的虚线移动，满足受电弓直线上升的要求。

分析其极限位置，当满足最小传动角不小于30ο时，收弓后F 点到AB 的距离为400mm ，30FDE ∠=︒,则max 4003515.2sin 2ED mm FDE ==∠ 那么F 点最高位置距AB 距离为 max 3515.231545.6ED mm =⨯=与方案二存在同样的制约因素，不符合设计要求。

A B CDFE图33- 双滑块式机构图方案四：铰链四杆机构如图34-所示。

机构简单易懂，可适当设计各杆的杆长，,A D 两个基点的位置，可保证E 点轨迹近似为一条直线，且传动角大于或等于30ο。

A DC B C'B'EE'图34- 四连杆式机构图唯一不足之处是E 点不能直线上升,只能控制其在偏离直线距离小于100mm 范围内运动。

此机构明显的优势是当E 点上升到最高点时，,AB BC 在B 点处可形成自锁。

综合以上四个方案，比较其优缺点，可知方案四为最佳可行方案，并且可自由设计各杆的长度，从而满足各种设计的尺寸，工作要求。

结论：选择方案四——铰链四杆机构。

第4章 机构尺度综合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。

由Burmester 理论有：当连杆是由两个转杆导引时，平面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,,,B B C C x y x y 以及BC 的转角12131415,,,θθθθ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。

设计步骤如下：1.在1400×400内给定A （360，150），D （130，340）。

在理想直线轨迹附近取五点1E （0，400）；2E （9，950）；3E （-10，1375）；4E （-7.5，1670）；5E （18，1950）。

2. 写出连杆的位移矩阵方程：111111111111cos sin cos sin sin cos sin cos 001i i pi p i p i iipi p i p i x x y y x y D θθθθθθθθ--+⎡⎤⎢⎥-+=⎢⎥⎢⎥⎣⎦(4－1)则B ，C 两点的的位置可表示为：1111bi b bi b x x y D y ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦(4－2)1111ci c ci c x x y D y ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦(4－3)3. 由杆长为定值， 写出杆AB 和杆CD 的约束方程：22221111()()()()b a b a bi ai bi ai x x y y x x y y -+-=-+- (4－4)22221111()()()()d c d c di ci di ci x x y y x x y y -+-=-+- (4－5)4. 把（4－2），（4－3）分别代入（4－4），（4－5）两式中，可得8个非线性方程，而方程有8个设计变量，利用MATLAB 解方程【附录一】，解得：11111390.2,210.8,1280.5,320.4b b c c x y x y ====1213141511.3,20.7,28.1,37.5θθθθ=-=-=-=-5. 由求出的各点的坐标算出各杆杆长1031.7,155.6,1150.2,1282.5AB BC CD CE L mm L mm L mm L mm ====同时:杆,BC CE 是一个整体，且139BCE ∠=为一定值。

1548B AB ∠=。

图41- 局部示意图机构运动简图见【附录二】第5章 机构运动分析5.1 驱动方式的选择由第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 直接型风缸活塞杆直接驱动机构，如图51-所示。

ADBC FGE图51- 风缸活塞杆直接驱动机构图风缸的活塞杆直接推动连杆AB ，使绕A 点转动。

一般情况下可控制风缸的伸出速度为匀速，而AB 杆的转速则只能为变速运动。

由图52-所示，根据刚体运动知识和几何学知识， AB 的角速度在升弓过程中会不断递增和传动角α∠大于或等于30为原则，试可取350AF L mm =。

① F 点坐标由A （360，150）,B (1390.2,210.8),1548B AB ∠=，1031.7AB L mm = 则：11()()AF F B A A AB AF F B A A AB L x x x x L L y y y y L ⎧=-+⎪⎪⎨⎪=-+⎪⎩得：1(709.7,170.6)F连杆AB 与X 轴夹角为：arctan 3.38B A B Ay y x x -=- 5cos51.38578.5F AF A x L x =+=5sin 51.38423.5F AF A y L y =+=5(578.5,423.5)F D图52- 机构运动简图②．G 点坐标因为α∠大于或等于30°，那么设15,F G F G 与X 轴夹角分别为30,45。

则有：1155tan 30.614.38tan 45F G G F FG G F y yx x y y x x -⎧=⎪-⎪⎨-⎪=⎪-⎩得：G(997，) ③．风缸伸张的长度及速度51592.73332.45260.28F G F G S L L mm∆=-==-=由于受电弓在工作中的反应速度要尽可能的快，但是，如果速度过快，整个机构的加速度太大，对电网的冲击也太大，经常这样会使电网的寿命缩短；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也比较长。

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 ，则风缸驱动速度为： 32.54/S v mm s t∆== 5.1.2 间接型将风缸活塞杆直线运动转变为转动后再驱动连杆ABD AF1B1C1C5B5F5G1G5图53- 风缸活塞杆间接驱动机构图如图53-，考虑传动角11130B F G ∠≥，为作比较方便，这里取初始时的11130B G H ∠=，滑块沿X 轴上运动。

F 点在杆AB 上的位置与第一种驱动形式中一样。