受電弓機構(gòu)綜合1

1、 機械原理課程設(shè)計設(shè)計思路和過程很認(rèn)真，考慮也非常細(xì)，用了多種軟件并在實驗室進(jìn)行了驗證方案，達(dá)到了設(shè)計目的，效果也非常不錯。說明書設(shè)計題目： 受電弓機構(gòu)綜合 專 業(yè)： 2011級工程機械1班設(shè) 計 者： 金宗李 學(xué) 號： 20116201 指導(dǎo)老師： 馮鑒 2013年12月10日目錄一、設(shè)計題目：受電弓機構(gòu)綜合11.1 設(shè)計題目簡介11.2 設(shè)計要求和有關(guān)數(shù)據(jù)11.3設(shè)計任務(wù)1二、數(shù)據(jù)收集與設(shè)計思路22.1 受電弓工作原理22.2 受電弓分類22.2.1 雙臂式22.2.2 單臂式32.2.3 垂直式42.2.4 石津式42.3 受電弓主要構(gòu)成4三、機構(gòu)選型設(shè)計53.1 設(shè)計方案的要求53.2

2、 機構(gòu)的設(shè)計53.2.1 方案一：菱形機構(gòu)53.2.2 方案二：平行四邊形機構(gòu)63.2.3 方案三：鉸鏈四連桿機構(gòu)7四、機構(gòu)尺度綜合8五、運動分析105.1 驅(qū)動方式的確定與計算105.1.1 直接型驅(qū)動機構(gòu)105.2 運動仿真（ADAMS）135.2.1 受電弓弓頭的位移曲線圖135.2.2 受電弓弓頭的速度曲線圖135.2.3 受電弓弓頭的加速度曲線圖145.3 受電弓弓頭上升偏離理想直線的位移驗證145.4 傳動角的驗證155.5 Pro/e建模模型15六、總結(jié)15七、收獲與體會16參考文獻(xiàn)16附錄161.利用位移矩陣求解初始位置坐標(biāo)的Matlab程序16西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)機械原理課程

3、設(shè)計一、設(shè)計題目：受電弓機構(gòu)綜合1.1 設(shè)計題目簡介如圖所示，是從垂直于電力機車行使速度的方向看上去，受電弓的弓頭的最低和最高位置。理想的情況是以車體為參照系時，弓頭沿垂直于車頂?shù)姆较蛑本€上升、下降，最低400mm，最高1950mm。圖1-11.2 設(shè)計要求和有關(guān)數(shù)據(jù)1. 在弓頭上升、下降的1550mm行程內(nèi)，偏離理想化直線軌跡的距離不得超過100mm。2. 在任何時候，弓頭上部都是整個機構(gòu)的最高處。3. 只有一個自由度，用風(fēng)缸驅(qū)動。4. 收弓后，整個受電弓含風(fēng)缸不超出虛線所示1400×400mm區(qū)域。5. 在垂直于機車速度的方向，最大尺寸不超過12 00mm。 6. 最小傳動角大于

4、或等于30°。 圖1-21.3設(shè)計任務(wù)1. 至少提出兩種運動方案，然后進(jìn)行方案分析評比，選出一種運動方案進(jìn)行設(shè)計；2. 設(shè)計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。3. 圖紙上畫出受電弓的機構(gòu)運動方案簡圖和運動循環(huán)圖。4. 對平面連桿機構(gòu)進(jìn)行尺度綜合，并進(jìn)行運動分析；驗證輸出構(gòu)件的軌跡是否滿足設(shè)計要求；求出機構(gòu)中輸出件的速度、加速度；畫出機構(gòu)運動線圖。5.用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行運動仿真，并畫出輸出機構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。6. 編寫設(shè)計計算說明書，其中應(yīng)包括設(shè)計思路、計算及運動模型建立過程以及效果分析等。 7. 在機械基礎(chǔ)實驗室應(yīng)

5、用機構(gòu)綜合實驗裝置驗證設(shè)計方案的可行性。二、數(shù)據(jù)收集與設(shè)計思路2.1 受電弓工作原理受電弓也稱集電弓，是電力機車從接觸網(wǎng)受取電能的電氣設(shè)備，安裝在車頂上。因為菱形受電弓的形狀從側(cè)面看好像是張開的弓而名。一般可分為單臂弓、雙臂弓兩種，目前（2012年）常用的是單臂受電弓。（1）升弓：壓縮空氣經(jīng)電空閥均勻進(jìn)入傳動氣缸，氣缸活塞壓縮氣缸內(nèi)的降弓彈簧，此時升弓彈簧使下臂桿轉(zhuǎn)動，抬起上框架和滑板，受電弓勻速上升，在接近接觸線時有一緩慢停滯，然后迅速接觸接觸線。（2）降弓：傳動氣缸內(nèi)壓縮空氣經(jīng)受電弓緩沖閥迅速排向大氣，在降弓彈簧作用下，克服升弓彈簧的作用力，使受電弓迅速下降，脫離接觸網(wǎng)。2.2 受電弓分類

6、受電弓分為四大類：雙臂式，單臂式，垂直式和石津式。2.2.1 雙臂式圖2-1雙臂式受電弓乃最傳統(tǒng)的受電弓，亦可稱“菱”形受電弓，因其形狀為菱形。但現(xiàn)因保養(yǎng)成本較高，加上故障時有扯斷電車線的風(fēng)險，目前部分新出廠的鐵路車輛，已改用單臂式受電弓；亦有部分鐵路車輛（例如新干線300系列車）從原有的雙臂式受電弓，改造為單臂式受電弓。2.2.2 單臂式圖2-2除了雙臂式，其后亦有單臂式的受電弓，亦可稱為“之”（Z）（）字形的受電弓。此款受電弓的好處是比雙臂式受電弓噪音為低，故障時也較不易扯斷電車線，為目前較普遍的受電弓類型。而依據(jù)各鐵路車輛制造廠的設(shè)計方式不同，在受電弓的設(shè)計上會有些許差異。2.2.3 垂

7、直式圖2-3垂直式受電弓，亦可稱成“T”字形（亦叫作翼形）受電弓，其低風(fēng)阻的特性特別適合高速行駛，以減少行車時的噪音。所以此款受電弓主要用于高速鐵路車輛。但是由于成本較高，垂直式受電弓已經(jīng)沒有使用（日本新干線500系改造時由垂直式受電弓改為單臂式受電弓）。2.2.4 石津式日本岡山電氣軌道的第六代社長、石津龍輔于1951年發(fā)明，又稱為“岡電式”、“岡軌式”。2.3 受電弓主要構(gòu)成1. 底架組成；2. 阻尼器；3. 升弓裝置；4. 下臂組裝；5. 弓裝配；6. 下導(dǎo)桿；7. 上臂組成；8. 上導(dǎo)桿；9. 弓頭；10. 碳滑板；11. 絕緣子 圖2-4三、機構(gòu)選型設(shè)計3.1 設(shè)計方案的要求連桿機構(gòu)

8、是整個受電弓設(shè)計的最關(guān)鍵機構(gòu)。連桿機構(gòu)的作用是：在升弓和降弓的過程當(dāng)中，讓受電弓的弓頭能夠平穩(wěn)的上下移動，而且要使弓頭在運動的過程當(dāng)中理想的軌跡始終是一條豎直的直線，而且能夠穩(wěn)定在最高點保持不動，上下偏差要盡可能小，而且要保證弓頭的角位移偏差也要盡可能的小。因此對連桿的要求是：盡量保證弓頭的軌跡為一條豎直的線，而且要讓弓頭的角偏差也要盡可能小，都在誤差允許的范圍內(nèi)。連桿機構(gòu)的結(jié)果要盡可能的簡單，而且尺寸也要盡可能的?。ú徽加密図?shù)目臻g，而且安裝維修方便，節(jié)約資源）。要是連桿機構(gòu)的傳動角大于或等于。3.2 機構(gòu)的設(shè)計根據(jù)上面的要求，可以設(shè)計出不同的連桿機構(gòu)：3.2.1 方案一：菱形機構(gòu)根據(jù)鐵路車

9、輛中的菱形受電弓的使用，想到了設(shè)計受電弓的菱形機構(gòu)如圖3-1-1所示；工作原理：風(fēng)缸驅(qū)動兩邊滑塊向中間移動，弓頭F垂直上升，并且弓頭F始終是處在最高點，當(dāng)滑塊A和滑塊B無限接近時，弓頭F上升到最高點。 圖3-2-1升弓裝置的菱形機構(gòu)可行性驗證：此機構(gòu)中滑塊A和B向左和向右移動，弓頭可以垂直上升，但在滿足傳動角大于30度的情況下，可以計算出：所以其最大上升高度所以，此機構(gòu)在滿足傳動角的條件下，最大高度H卻不滿足設(shè)計要求。因此菱形機構(gòu)不滿足設(shè)計要求。3.2.2 方案二：平行四邊形機構(gòu)根據(jù)要求弓頭軌跡盡量在一條直線上，因此想到了平行四邊形機構(gòu)可以保持平動運動趨勢，設(shè)計機構(gòu)如圖3-2-2圖3-2-2升

10、弓裝置的平行四邊形機構(gòu)工作原理：A點固定，滑塊B由風(fēng)缸驅(qū)動，未升弓時，弓頭G處在區(qū)域內(nèi)，升弓時，滑塊B向左滑動，弓頭G垂直上升CDFE始終是平行四邊形，當(dāng)滑塊B滑動到最左端時，弓頭G處在最高點?？尚行则炞C：由圖3-1-的受電弓機構(gòu)簡圖知，在滿足傳動角大于30的情況下可以計算出：所以機構(gòu)在弓頭到達(dá)最高時，其最大高度故此機構(gòu)在滿足傳動角的條件下，不滿足上升所需的最大高度H，故此平行四邊形機構(gòu)不滿足要求。3.2.3 方案三：鉸鏈四連桿機構(gòu)在機械的機構(gòu)運動設(shè)計中最常用、最靈活當(dāng)屬鉸鏈桿機構(gòu)的設(shè)計來實現(xiàn)所需運動軌跡、或其它運動要求。這里采用設(shè)計鉸鏈四連桿機構(gòu)來實現(xiàn)弓頭的升降，機構(gòu)簡圖如圖3-1-所示圖

11、3-2-3弓頭上升的鉸鏈四連桿機構(gòu)工作原理：先將A點和D點固定，CBE為整體連桿，未升弓時，整個機構(gòu)（包括弓頭E）處在區(qū)域內(nèi)，這里選用CD連桿為主動件，采用風(fēng)缸驅(qū)動CD連桿，使弓頭上升。弓頭E雖然上升非直線，但在一定偏差范圍內(nèi)，此機構(gòu)在弓頭E的上升高度，傳動角的范圍都符合設(shè)計要求?？尚行则炞C：四連桿機構(gòu)使用靈活性非常的高，從圖3-2-3可以看出，當(dāng)弓頭E上升到最大高度時，只要連桿長度設(shè)計合理，還可以繼續(xù)升高，并且傳動角也在設(shè)計的范圍內(nèi)。桿長的具體計算詳見第四部分的機構(gòu)尺度綜合。四、機構(gòu)尺度綜合通過第三部分的機構(gòu)選型設(shè)計知道，在滿足所有的要求下，設(shè)計升弓機構(gòu)應(yīng)采用四連桿機構(gòu)因機構(gòu)要求有直線軌跡，

12、所以采用平面連桿機構(gòu)運動設(shè)計的位移矩陣法來設(shè)計機構(gòu)的各桿長度。這里有兩種方法可供選擇和參考：方法一：由Burmester理論可知：當(dāng)連桿是由兩個轉(zhuǎn)桿導(dǎo)引時，平面四桿機構(gòu)可實現(xiàn)精確位置的最大數(shù)目為5。當(dāng)不考慮運動副間隙和構(gòu)件的彈性變形時：則我們可以在的軌跡上取5個點，以兩點的坐標(biāo)以及的轉(zhuǎn)角為設(shè)計變量，然后根據(jù)實際情況自取兩點，同樣用剛體位移矩陣方程，可得到8個非線性方程，可解出這8個設(shè)計變量。方法二：由剛體位移矩陣方程進(jìn)行計算：在的軌跡上取9個點，以四點的坐以及連桿的轉(zhuǎn)角等16個變量為設(shè)計變量，利用剛體位移矩陣方程，可得到16個非線性方程，可解出這16個變量的值。比較兩種方案之后可以發(fā)現(xiàn)：利用方

13、法二可得到與直線較接近的軌跡，但是，用此種方法難以控制機構(gòu)的大小，機構(gòu)很容易超出的區(qū)域范圍。利用方法一得到的軌跡不如方法二所得到的軌跡理想，偏離理想直線的距離可能較大，但是在這種方法中可自定兩點，這樣就可以人為的控制機構(gòu)的大小，使之不超過的區(qū)域范圍。下面用方案一對升弓機構(gòu)（四連桿機構(gòu)）進(jìn)行求解計算：1.由于E點在豎直直線上運動，因此E點的坐標(biāo)由E點的軌跡確定的，所以可利用E點建立位移矩陣來求出點B和點C的坐標(biāo)。位移矩陣為： 4-1利用位移矩陣建立點B和點D與位移的矩陣關(guān)系： 4-2 4-32.由桿長為定值，寫出桿和桿的約束方程： 4-43.采用逆向設(shè)計的方法，先確定尺寸，然后用Matlab軟件

14、解出上面的方程；對弓頭E點運動進(jìn)行分析，并驗證是否滿足要求。首先，根據(jù)連桿機構(gòu)的實際運動情況以及我們的設(shè)計要求，我們根據(jù)弓頭E的運動軌跡，以及誤差允許的范圍，我們初步假設(shè)弓頭E在上升結(jié)果的五個位置分別為：再假設(shè)A、D點的坐標(biāo)為已知，這里將A、D點取在的范圍內(nèi)，這里定為A（175,300），D（475,150）。根據(jù)所假設(shè)的點，再將公式3-1和3-2代入公式3-3和3-4，可以得到8個非線性方程，方程本身有8個未知數(shù)（），用Matlab求解得（程序見附錄）：根據(jù)求解的（），相當(dāng)于知道了初始位置時的鉸B和鉸C坐標(biāo)，由兩點間的坐標(biāo)可以計算出桿長：由弓頭E的初始坐標(biāo)（0,400）以及B點坐標(biāo)，可以求出

15、桿BE的長度：B點，C點的坐標(biāo)已經(jīng)求解出來，且E點的初始坐標(biāo)（0,400）已知，所以的長度計算出來，由此可以計算出的角度：到此，升弓機構(gòu)所有計算結(jié)束，經(jīng)驗證，計算后的數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求。五、運動分析5.1 驅(qū)動方式的確定與計算 由第2章的要求可知，本機構(gòu)只有一個自由度，用風(fēng)缸驅(qū)動。但是用風(fēng)缸作為原動件，最后可有不同的方式作用到機構(gòu)上，直接或者間接形式。因為機構(gòu)的軌跡四桿機構(gòu)本身決定，所以驅(qū)動方式對機構(gòu)的運動軌跡并無影響，它只會影響機構(gòu)的運動速度與加速度。這里具體分成直接形式和者間接形式。5.1.1 直接型驅(qū)動機構(gòu)風(fēng)缸活塞桿直接驅(qū)動機構(gòu)，如圖5-1-1所示。圖5-1-1風(fēng)缸活塞桿直接驅(qū)動機構(gòu)圖風(fēng)缸

16、的活塞桿直接推動連桿CD，使繞D點轉(zhuǎn)動。一般情況下可控制風(fēng)缸的伸出速度為勻速，而CD桿的轉(zhuǎn)速則只能為變速運動。 圖5-1-2 機構(gòu)運動簡圖由圖5-1-2所示，根據(jù)剛體運動知識和幾何學(xué)知識， 的角速度在升弓過程中會不斷遞增和傳動角大于或等于為原則，試可取。1、根據(jù)機構(gòu)的初始位置，可算得：把，代入上式中，可算出：點的坐標(biāo)為（770.52，201.65），點的坐標(biāo)為（642.4，398.9）。2、算點的坐標(biāo)由點和點的位置關(guān)系可得到如下方程：把（770.52，201.65），（642.4，398.9），代入方程中得到：3、由點和點的位置可算出風(fēng)缸伸出的長度：計算得到： 所以活塞在風(fēng)缸中的移動距離為：4

17、、確定風(fēng)缸中活塞運動速度 由于受電工在工作中的反應(yīng)速度要盡可能的快，但是速度過快，整個機構(gòu)加速度也增加，對電網(wǎng)沖擊會太大，經(jīng)常這樣會使電網(wǎng)的壽命縮短：但是如果速度過慢，則機車的啟動時間延長，驅(qū)動氣泵所用蓄電池的放電時間比較長。綜合上面兩方面的因素考慮，受電弓升弓的時間一般低于。假設(shè)取時間則風(fēng)缸驅(qū)動平均速度為：。5.2 運動仿真（ADAMS）5.2.1 受電弓弓頭的位移曲線圖由圖知：弓頭上升時偏離理想直線距離為73mm左右，用ADAMS設(shè)定風(fēng)缸的推動速度為0.02m/s時，上升到規(guī)定高度的時間約為8秒，符合目前鐵路方面的升弓要求。圖 5-2-1受電弓弓頭的位移曲線圖5.2.2 受電弓弓頭的速度曲

18、線圖圖 5-2-2受電弓弓頭的速度曲線5.2.3 受電弓弓頭的加速度曲線圖 根據(jù)右圖，知道一開始加速度較大，接著慢慢變小，上升到規(guī)定高度時，加速度大小約為0.01mm/s2，0.01的數(shù)量級本身就很小，符合鐵路中弓頭與接觸網(wǎng)即將接觸時，要求沖擊力較小，所以加速度設(shè)計符合要求。圖5-2-3受電弓弓頭的加速度曲線圖5.3 受電弓弓頭上升偏離理想直線的位移驗證由弓頭上升去軌跡圖知，當(dāng)桿長按照計算出的數(shù)據(jù)確定時，弓頭的上升軌跡近似為一條直線。 圖5-3-1弓頭上升軌跡圖5.4 傳動角的驗證根據(jù)右圖知，受電弓處在未升弓時，傳動角大于，約為左右，并且在升弓的過程中，傳動角始終大于30度，滿足設(shè)計要求。圖5

19、-4傳動角變化曲線5.5 Pro/e建模模型圖5-5 Pro/e建立的模型六、總結(jié)根據(jù)課程設(shè)計的要求，設(shè)計升弓機構(gòu)，保證弓頭上升為偏離理想直線不超過100mm。通過對設(shè)計的幾種機構(gòu)進(jìn)行可行性驗證，發(fā)現(xiàn)鉸鏈四連桿機構(gòu)符合設(shè)計要求。計算采用位移矩陣方法，先假設(shè)弓頭上升軌跡可能要經(jīng)過的五個點E1，E2，E3，E4，E5，然后確定兩個位置點A，D。根據(jù)已知的點，可以寫出8個含有8個未知數(shù)的方程。解出B，C的初始位置的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)計算桿長。再進(jìn)行傳動角的驗證，直至設(shè)計符合要求。用ADAMS畫出受電弓機構(gòu)，輸出弓頭位移、速度、加速度曲線，驗證弓頭上升軌跡線，發(fā)現(xiàn)軌跡近似為一條直線，偏離直線距離約為73m

20、m，符合設(shè)計要求。七、收獲與體會通過此的機械原理課程設(shè)計，學(xué)到了平時在學(xué)習(xí)中沒有學(xué)到的知識。在做課程設(shè)計的初期，從網(wǎng)上查找了許多資料去了解受電弓，認(rèn)識受電弓，查清楚其工作原理，根據(jù)自己的認(rèn)識加上機械原理的知識，知道升弓裝置應(yīng)當(dāng)屬于四連桿機構(gòu)，因為四連桿機構(gòu)在機械中應(yīng)用廣泛，并且應(yīng)用靈活。為了驗證四連桿機構(gòu)是否合適，自學(xué)了一點ADAMS仿真知識。在ADAMS中畫出四連桿機構(gòu)，進(jìn)行仿真，查看弓頭上升的位移圖，觀察是否滿足設(shè)計要求。整個過程都是在不斷的查資料和不斷求解。這次的課程設(shè)計，我從中的最大收獲是學(xué)會了如何思考，如何查資料，如何克服困難。參考文獻(xiàn)1 馮 鑒，何 俊，雷智翔主編.機械原理.西南交

21、通大學(xué)出版社. 2013年8月2 曹惟慶主編. 連桿機構(gòu)的分析綜合. 科學(xué)出版社. 2002年5月3 李 軍，刑俊文，覃文潔等.ADAMS實例教程.北京理工大學(xué)出版社.2002年7 月4 李增剛編著.ADAMS入門詳解與實例.國防工業(yè)出版社.2006年4月.附錄1.利用位移矩陣求解初始位置坐標(biāo)的Matlab程序>> syms xb1 xc1 yb1 yc1 a12 a13 a14 a15xE1=0;yE1=400;xE2=-12.5;yE2=750;xE3=-37.5;yE3=1125;xE4=40;yE4=1625;xE5=-10;yE5=1950;xd1=475;yd1=150

22、;xa1=175;ya1=300;equ1=(xb1*cos(a12)-yb1*sin(a12)+xE2-xE1*cos(a12)+yE1*sin(a12)-xa1)2+(xb1*sin(a12)+yb1*cos(a12)+yE2-xE1*sin(a12)-yE1*cos(a12)-ya1)2-(xb1-xa1)2-(yb1-ya1)2;equ2=(xb1*cos(a13)-yb1*sin(a13)+xE3-xE1*cos(a13)+yE1*sin(a13)-xa1)2+(xb1*sin(a13)+yb1*cos(a13)+yE3-xE1*sin(a13)-yE1*cos(a13)-ya1)2

23、-(xb1-xa1)2-(yb1-ya1)2;equ3=(xb1*cos(a14)-yb1*sin(a14)+xE4-xE1*cos(a14)+yE1*sin(a14)-xa1)2+(xb1*sin(a14)+yb1*cos(a14)+yE4-xE1*sin(a14)-yE1*cos(a14)-ya1)2-(xb1-xa1)2-(yb1-ya1)2;equ4=(xb1*cos(a15)-yb1*sin(a15)+xE5-xE1*cos(a15)+yE1*sin(a15)-xa1)2+(xb1*sin(a15)+yb1*cos(a15)+yE5-xE1*sin(a15)-yE1*cos(a15)-ya1)2-(xb1-xa1)2-(y