受電弓課程設計--受電弓機構設計

1、<p>　　機械綜合設計I設計說明書</p><p>　　設計題目：受電弓機構設計</p><p><b>　　2011年06月</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引言3</b></p><p>

2、;<b>　　1選題背景4</b></p><p>　　1.1問題的提出4</p><p>　　1.2文獻綜述（即研究現(xiàn)狀）4</p><p>　　1.3設計的技術要求及指標5</p><p><b>　　2機構選型6</b></p><p>　　2.1

3、設計方案的提出6</p><p>　　2.1.1連桿機構6</p><p>　　2.1.2弓頭機構9</p><p>　　2.2設計方案的確定9</p><p>　　2.2.1連桿機構9</p><p>　　2.2.2弓頭機構10</p><p>　　3 尺度綜合10&

4、lt;/p><p>　　3.1機構關鍵尺寸計算10</p><p>　　3.1.1連桿機構10</p><p>　　3.1.2弓頭機構13</p><p>　　3.2機構關鍵尺寸優(yōu)化16</p><p><b>　　4受力分析18</b></p><p>　

5、　4.1機構動態(tài)靜力描述18</p><p>　　4.1.1機構的壓力角進行分析18</p><p>　　4.1.2連桿機構的動態(tài)靜力分析18</p><p>　　4.1.3對點B,點E進行運動學分析19</p><p>　　4.2機構動態(tài)靜力變化曲線描述20</p><p>　　4.2.1連桿機構的

6、傳動角變化曲線21</p><p>　　4.2.2連桿機構的動態(tài)靜力22</p><p><b>　　5機構建模26</b></p><p>　　5.1機構運動簡圖及尺寸標注26</p><p>　　5.1.1連桿機構26</p><p>　　5.2機構關鍵構件建模過程27&

7、lt;/p><p>　　5.2.1弓頭滑板機構27</p><p>　　5.2.2底座29</p><p>　　5.2.3主動桿31</p><p>　　5.2.4連架桿32</p><p>　　5.2.5升弓桿34</p><p>　　5.2.6平衡桿37</p>&

8、lt;p>　　5.3機構總體裝配過程38</p><p>　　5.3.1受電弓爆炸圖38</p><p>　　5.3.2受電弓機構裝配圖39</p><p><b>　　6機構仿真40</b></p><p>　　6.1機構仿真配置40</p><p>　　6.2機構仿真

9、過程描述41</p><p>　　6.3仿真參數測量及分析42</p><p>　　6.4仿真中存在的不足42</p><p><b>　　7有限元分析42</b></p><p>　　7.1弓頭機構的有限元分析43</p><p>　　7.2下臂桿機構的有限元分析47<

10、/p><p><b>　　8設計總結50</b></p><p>　　9收獲及體會51 </p><p><b>　　10致謝51</b></p><p><b>　　11參考文獻52</b></p><p>　　12 附 錄52</p&g

11、t;<p><b>　　引言</b></p><p>　　受電弓亦稱集電弓（Pantograph），亦有人稱之為輸電架，是一種讓電氣化鐵路車輛從高架電纜取得電力的設備的統(tǒng)稱。動作原理：（1）升弓：壓縮空氣經電空閥均勻進入傳動氣缸，氣缸活塞壓縮氣缸內的降弓彈簧，此時升弓彈簧使下臂桿轉動，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：

12、傳動氣缸內壓縮空氣經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。受電弓的種類主要有四種主要形式的：（1）雙臂式，雙臂式集電弓乃最傳統(tǒng)的集電弓，亦可稱“菱”形集電弓，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險，目前部分新出廠的鐵路車輛，已改用單臂式集電弓；亦有部分鐵路車輛從原有的雙臂式集電弓，改造為單臂式集電弓。（2）單臂式，除了雙臂式，其后亦有單臂式的集電弓，亦可

13、稱為“之”（Z）字形的集電弓。此款集電弓的好處是比雙臂式集電弓噪音為低。不過依各鐵路車輛制造廠的設計方式，在集電弓細部結構上可能會有些不同。（3）垂直式，除了上述兩款集電弓，還有某些集電弓是垂直式設計，亦可稱成“T”字形（亦叫作翼形）集電</p><p>　　現(xiàn)主要針對目前普遍常用的單臂式受電弓進行了尺寸計算，校核，用solidworks對它進行了三維建模以及受力分析等等。</p><p>

14、;<b>　　1選題背景</b></p><p><b>　　1.1問題的提出</b></p><p>　　隨著目前鐵路技術的發(fā)展，特別是中國的高鐵技術在世界高鐵技術的舞臺上扮演著越來越重要的角色，受電弓作為鐵路技術技術中一項核心的技術，越來越受到人們重視，雙臂式受電弓因保養(yǎng)成本較高，加上故障時有扯斷電車線的風險，目前部分新出廠的鐵路車輛，已改用

15、單臂式受電弓，因此人們對單臂式受電弓的研究越來越深入。</p><p>　　在普通列車上使用的受電弓已經基本能滿足我們運行使用的要求，但是隨著我國鐵路大提速的要求及高鐵的日益發(fā)展，實用與高速列車的受電弓就顯得尤為重要。而普通列車上的受電弓的性能并不能完全滿足高速列車的需求。</p><p>　　因此，我們需要在結構尺寸，受力分析以及受電弓性能的穩(wěn)定性上進行再次研究與分析，從而構建出能夠適合

16、在高速列車上安裝的受電弓模型，這就是我們本次課程設計的立足點及最終目的。</p><p>　　1.2文獻綜述（即研究現(xiàn)狀）</p><p>　　現(xiàn)在列車已經逐漸由內燃機車向電力機車發(fā)展轉變，而在電力機車中，受電弓的作用是顯而易見的：受電弓是列車接受來自電網電能的部件，安裝在機車或動車的車頂上，它是通過弓頭上的導電滑板與電網接觸受電來發(fā)揮作用的。正因為受電弓的重要作用，所以對它的研究也一直沒

17、有停止，國內外多年來一直都有專業(yè)人士在從事受電弓的設計與優(yōu)化。</p><p>　　對于高速受電弓，除了與普通受電弓相同的諸如磨耗小，可靠性高，運營和維修費較低的一般技術要求外，還應該具有以下更為嚴格的特點：</p><p>　　受流可靠。列車運行速度提高后，受電弓沿接觸網導線移動的速度大大加快，接觸網與受電弓的接觸特性更加復雜。因此要求受電弓在高速滑動時受流可靠，即要求離線率小，接觸壓力

18、盡可能保持恒定。</p><p>　　受電弓重量需要降低。運行中受電弓會隨著接觸導線不平順而上下波動，高速運動將使這種運動加劇，從而影響受流質量。。由于弓-網接觸壓力與受電弓靜態(tài)特性和動態(tài)特性直接相關，因此，對于高速受電弓，在保證強度和剛度的前提下，應降低受電弓運動部分的質量，從而減小運動慣性力，保證弓-網接觸良好。</p><p>　　良好的空氣動力學性能。高速列車運行時所受的空氣阻力較

19、常規(guī)列車大很多。安裝在車頂的受電弓是車體突出部分，必須采取相關措施提高受電弓空氣動力學性能，即減小空氣動力學作用對受流的影響，減小空氣阻力和氣動噪聲。</p><p>　　采用單弓受流。理論計算和實際運用表明，基于減小空氣阻力、噪聲，避免接觸網波動的角度出發(fā)，現(xiàn)代高速列車應該采用單弓受流。</p><p>　　目前我們CRH系列動車組所采用的是DSA250型受電弓（如下圖），該受電弓采用輕

20、量化優(yōu)質材料，具有良好的機械和動力學性能，受電弓滑板采用純硬碳材料，對接觸網起到保護作用。</p><p>　　圖1.2.1 DSA250型受電弓</p><p>　　http://www.hn-dqsb.com/index.php?categoryid=10&m17_sectionid=1&m17_imageid=2</p><p>　　上面提出了

21、很多的高速受電弓的設計要求，所以在設計時候應進行更為嚴格的分析計算，本為提出幾種受電弓的設計方案并最終采用了目前應用廣泛的單臂受電弓的連桿機構，之后對其重新進行了主動件的選取及尺寸的設計（包括升弓機構和平衡桿機構）。</p><p>　　1.3設計的技術要求及指標</p><p>　　為了能夠在結構尺寸，受力分析以及受電弓性能的穩(wěn)定性上進行研究與分析，從而構建出能夠適合在高速列車上安裝的受

22、電弓模型，我們所設計的受電弓必須滿足以下的要求：</p><p>　　進行仿真時各部分動作連續(xù)，結構緊密，能夠連續(xù)的完成升弓和降弓的動作。</p><p>　　在升弓和降弓，弓頭偏離所設計的理想軌跡的距離不宜過大，弓頭的最大角位移也不得太大。</p><p>　　為了達到效率最大，節(jié)約能源的目的，弓頭的傳動角必須合理（最好大于或等于30°）。</p&

23、gt;<p>　　為了使受電弓維修方便，便于安裝，節(jié)約原材料的目的，要讓設計的受電弓結構盡可能的簡單。</p><p>　　為使受電弓的結構盡可能的簡單，應使受電弓的自由度只有一個。</p><p>　　受電弓的整個工作過程應該安全可靠。</p><p><b>　　2機構選型</b></p><p>　　

24、2.1設計方案的提出</p><p>　　2.1.1連桿機構 </p><p>　　連桿機構是整個受電弓設計的最關鍵機構，連桿機構的作用是：在升弓和降弓的過程當中，讓受電弓的弓頭能夠平穩(wěn)的上下運動，而且要使弓頭在運動的過程當中的理想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，上下偏差要盡可能的小，而且要保證弓頭的角位移偏差也要盡可能的小。</p><p>

25、;　　因此對連桿機構的要求是：</p><p>　　盡量保證弓頭的軌跡為一條豎直的直線，而且要讓弓頭的角偏差也要盡可能小，都在誤差允許范圍內。</p><p>　　連桿機構的結構要盡可能的簡單，而且尺寸也要盡可能的小（不占用車頂的空間，而且安裝維修方便，節(jié)約資源）。</p><p>　　要是連桿機構的傳動角大于或等于30度。</p><p>

26、　　根據上面的要求，可以設計出不同的連桿機構：</p><p>　　方案一：平面RR開鏈機械臂</p><p>　　圖2.1.1 平面RR開鏈機械臂</p><p>　　工作原理：平面RR開鏈機械臂工作時，下桿作圓周運動，而上桿作搖擺運動，下桿運動時，確保上桿的運動軌跡在圖中所畫的中心線軌跡上作豎直運動。</p><p>　　優(yōu)缺點：平面R

27、R開鏈機械臂結構簡單，占用的空間小，但在運動過程中由于桿的支少，容易發(fā)生上下的偏離，不容易在最高點穩(wěn)定，而且在列車高速運動過程中容易發(fā)生角偏轉，從而有角位移。</p><p>　　方案二：滑塊連桿組合機構</p><p>　　圖2.1.2滑塊連桿組合機構</p><p>　　工作原理：當2桿作為主動件，整體結構都會向上并且向右運動，此時7桿的長度不能改變，則會讓5和

28、6桿慢慢的在鉸鏈處產生一個角度，此時中間四邊形水平對角線就會變短。即CD的長度就會變短，會使弓頭上升，且行程為豎直向下的直線。</p><p>　　優(yōu)缺點：這種結構能夠在受電弓的頂部保持穩(wěn)定的，因而不容易在列車高速運行當中保持固定不變，而且能夠使弓頭的運動軌跡保持為一條直線，但是美中不足的是該機構的結構比較復雜連桿較多，在實現(xiàn)的過程中比較困難。</p><p>　　方案三：曲柄滑塊機構&l

29、t;/p><p>　　圖2.1.3曲柄滑塊機構</p><p>　　工作原理：當滑塊沿著傾斜的軌道運動的時候，在曲柄和連架桿的運動的配合下，可以讓弓頭得軌跡在圖中中心線的的軌跡下作豎直的直線運動，從而保證弓頭的軌跡是豎直直線。</p><p>　　優(yōu)缺點：當受電弓不工作的時候，也就是當弓頭收起來的時候，占用的空間比較大，而且由于滑塊的軌跡是傾斜的，因此需要額外的構建去固

30、定，這樣比較麻煩。</p><p>　　方案四：鉸鏈三桿機構</p><p>　　圖2.1.4 鉸鏈三桿機構</p><p>　　工作原理：桿3為主動件，桿3運動的過程當中，帶動桿2向右運動，從而實現(xiàn)桿1的緩慢的上下運動，從而保證弓頭的軌跡為豎直直線。</p><p>　　優(yōu)缺點：鉸鏈三桿機構能夠確保弓頭在最高點能穩(wěn)定下來，因為桿3對桿1有一

31、個支持的作用，另外桿2對桿1有一個固定防止桿1產生角度偏轉的作用，另外，這種設計簡單，容易實現(xiàn)，不占用空間。</p><p>　　2.1.2 弓頭的設計</p><p>　　弓頭是受電弓中另外一個重要的構件，弓頭的作用是：使列車在運動的過程當中始終保持與導線的接觸。</p><p>　　因此對弓頭設計的要求是：</p><p>　　1,減少弓

32、頭和導線的磨損，由于在摩擦過程當中，滾動摩擦的摩擦系數比滑動摩擦系數要小，因此采用小滾輪結構。</p><p>　　2,為了保護弓頭在運動中盡可能的不受到外面的因數的干擾，我們在弓頭的上面加了一個小蓋，算是一個小小的創(chuàng)新的，同時能夠防止滑輪在受到雨水，露水等等因數的作用而發(fā)生腐蝕和生銹。</p><p>　　我們采用的結構如下圖所示：</p><p>　　圖2.1.

33、5 弓頭機構</p><p>　　2.2設計方案的確定</p><p><b>　　2.2.1連桿機構</b></p><p>　　方案一設計簡單，但結構占用空間大，而且在運動過程當中不容易保持穩(wěn)定。方案二，結構復雜，在運動當中各個鉸鏈點容易發(fā)生磨損，容易破壞，維修比較困難。方案三，結構占用空間大，而且傾斜導軌不是很容易確定。方案四，結構簡單，

34、并且在運動中能夠保持很好的穩(wěn)定，不發(fā)生偏轉，因此就選方案四。</p><p><b>　　2.2.1弓頭</b></p><p>　　弓頭的設計選圖中所示的結構。</p><p><b>　　3尺度綜合</b></p><p>　　3.1機構關鍵尺寸計算</p><p>&l

35、t;b>　　3.1.1連桿機構</b></p><p><b>　　機構關鍵尺寸計算</b></p><p>　　圖3.1.1 連桿機構圖</p><p>　　以AB為原動件分析，則這個連桿機構是一個二級桿組。由于在桿AB繞A點旋轉，CD桿繞點D旋轉，而又桿AB和桿CD的距離始終保持不變,而A點，D點與機架固結。</p&

36、gt;<p>　　可以根據機構的運動情況，找出運動約束條件建立約束方程。</p><p>　　CD桿，AB桿的運動約束方程分別是： </p><p>　　另外，又由于E點在豎直線上運動，因此E點的坐標E點的軌跡來求出的，然后可利用E點建立位移矩陣來求出點B和點C的坐標。 </p><p><b>　　位移矩陣為：</b></

37、p><p>　　利用位移矩陣建立點B和點D與位移矩陣的關系：</p><p>　　在上面方程中所有的變量都是未知數，由于上面的方程為非線性方程組，求解繁瑣，且點E的坐標為未知量，而且存在點E軌跡及運動方程的最優(yōu)化問題，所不能一次計算出所有未知量。為解決該問題，可更具根據實際工況取點E的五個坐標，為 并且根據實際情況可以認為A點，D點的坐標確定，分別為。</p><p>

38、　　這樣方程的未知數只有：，一共八個未知數可以進行求解。</p><p>　　采用逆向設計的方法，先確定設計的尺寸，然后利用仿真軟件直接模擬出點E的運動軌跡，或者matlab軟件解出上面的方程；對點E的運動進行分析，并驗證是否滿足設計要求。</p><p>　　首先，根據連桿機構的實際運動狀況以及我們的設計要求，我們E點的運動軌跡，以及誤差允許的范圍，我們初步假設點E的五個位置分別為： &

39、lt;/p><p>　　然后再根據點A和點D在運動過程的位置始終不變，結合實際我們假設點A,點D的坐標為：</p><p>　　根據上面的假設可以求出未知數的值。</p><p>　　=-929.136233612243</p><p>　　=305.530041648502</p><p>　　=-1014.066721

40、4243</p><p>　　=288.157063964138</p><p>　　在上面的矩陣乘法運算中，我們利用了matlab進行運算，程序見附錄1，</p><p><b>　　然后利用方程式：</b></p><p>　　可以求出AB桿，BC桿，CD桿，BE桿的桿長分別為：</p><p&g

41、t;　　點C,點D的坐標可以求出桿的長度，然后再根據公式：</p><p><b>　　可以求出</b></p><p>　　根據求出的AB桿，BC桿，CD桿，BE桿的桿長，然后可以根據逆向設計的方法再次去判斷取出的桿長是否滿足需求。</p><p>　　3.1.2平衡桿機構計算模型計算</p><p>　　平衡機構是受

42、電弓連桿機構中另外一塊很重要的組成部分，在升弓和降弓的運動當中起到平衡的作用，下面我們對確定平橫機構的尺寸。</p><p>　　圖3.2.1平衡機構</p><p>　　在第一問當中可以利用位移矩陣可以求出點B，點C的五個精確坐標的位置,它們分別是:</p><p>　　而桿BG,CG,FE的桿長始終保持不變的，可以得到長度約束方程：</p><

43、;p>　　而由于點E,F在同一條豎直線上，故有</p><p>　　把在3.1中得到的點B，點C的五個精確坐標的位置帶入上面方程式，由于這是非線性方程組，求解過程很復雜，求解繁瑣，因此可以用matlab軟件進行求解，程序編寫如3.1中求解第二部的程序。</p><p><b>　　經過求解，可以得出</b></p><p>　　根據得到的

44、坐標值，然后根據公式： </p><p>　　然后把點E,F,B,G,A的坐標值帶進去，可以求出EF,AG,BG的桿長。</p><p><b>　　它們分別是：</b></p><p>　　通過上面3.1,3.2中的計算可以得出整個機構的總體尺寸整理如下：</p><p>　?。UAG,BG的桿長限制G點在剛體AB上的

45、位置）</p><p>　　3.1.3升弓桿角度的計算</p><p>　　圖3.1.3升弓桿示意圖</p><p>　　在圖中可以看出升弓桿與圓柱銷之間有一定的角度，畫出它的俯視圖如下：</p><p>　　圖3.1.4升弓桿的俯視圖</p><p>　　在圖中求出升弓桿與中心線的夾角,根據公式：</p>

46、<p><b>　　,而</b></p><p>　　可更具根據實際工況可初取AB桿長，CE桿長為定值,然后代入公式計算即可。</p><p>　　可取，代入計算可以得出</p><p>　　3.2 弓頭機構的計算</p><p>　　圖3.2 弓頭機構</p><p>　　在弓

47、頭這部分，由于機構比較簡單，根本沒有什么計算部分，因此我們在設計這部分的時候主要是根據弓頭這部分的實際長度并結合我們在前面計算出來的長度進行建模的，涉及到一些的尺寸我們主要從網上和相關書籍上進行查詢計算的。</p><p>　　3.3機構關鍵尺寸優(yōu)化</p><p>　　在進行連桿機構的設計與建模當中，計算出來的尺寸很繁瑣，而且小數點后面有很多的小數，為了計算與建模的方便，我們在保證他們的

48、力學性能的前提下以及結構強度的前提下，查找了一些數據手冊，并且根據一些具體情況對后面的小數進行了簡化，使得結果更加的簡便，讓人一目了然，便于直觀的感受。</p><p>　　根據實際情況，一般對受電弓的尺寸要求是：</p><p>　　在弓頭上升、下降的1550mm行程內，偏離理想化直線軌跡的距離不得超過100mm，弓頭擺動的最大角位移不得大于5°，整個受電弓不超出1400

49、15;400mm的區(qū)域，在垂直機車運動方向上，最大尺寸不超過1200mm，最小傳動角大于或等于30°。據跟這些要求對受電弓尺寸進行優(yōu)化。</p><p><b>　　圖3.3 優(yōu)化圖</b></p><p><b>　　4受力分析</b></p><p>　　4.1．機構動態(tài)靜力描述</p><

50、;p>　　4.1.1針對連桿機構的壓力角進行分析，最小傳動角：</p><p>　　解得：，因此該機構設計合理。</p><p>　　4.1．2連桿機構的動態(tài)靜力分析描述</p><p>　　通過靜力學平衡方程，求出機構各個運動副的反力和平衡力的方法稱為機構的動態(tài)靜力分析方法。</p><p>　　為了對連桿進行受力分析，模擬現(xiàn)實的連桿

51、之間的動力源，我們在桿AB上加了一個風缸，從而模擬在現(xiàn)實中的連桿受力情況，對各個桿之間的力進行分析。</p><p>　　圖4.1．2連桿機構示意圖</p><p>　　對于連桿機構， 進行機構的動態(tài)靜力分析的順序為：</p><p>　　讓風缸對桿BF 一個外力為,利用杠桿原理可以求出點B受到的力為,</p><p>　　，其中為風缸與桿B

52、F的夾角（圖中沒有標出來），測出點A,B出受到的外力的大小以及力的變化曲線，然后再去分析點C,點D,點E受到的力，并且測出他們的變化曲線。</p><p>　　4.1．3對點B,點E進行運動學分析</p><p>　　由于點A,點D的坐標已知，而且桿AB，桿BE的桿長確定，因此可以求出點B，點E的軌跡方程:</p><p>　　因為AB桿是風缸直接作用桿件，所以其受

53、力在所有桿件中式最為關鍵的，故要對其進行分析，又因為AB的角速度和角加速度能直接決定受電弓弓頭上升的速度，所以對其角速度和角加速度的分析就顯得尤為重要了。</p><p>　　上面可以求出點B的坐標點B的速度,對速度再求一次導，可以得到點B的角加速度</p><p>　　運用仿真可以在圖中觀察B點角速度。</p><p>　　因為在我們的設計當中，要控制點E的線偏移

54、量和角偏移量，要使點E在升弓和降弓的過程當中，點E始終在圖中虛線部分的理想軌跡上運動，線偏移量和角偏移量要控制在理想的誤差允許方位內，所以很有必要對點E進行分析，分析如下：</p><p>　　線偏離：弓頭在運動過程中偏離理想軌跡的最大線距離，為了保證受電弓性能的穩(wěn)定性，應該保證最大線偏離。</p><p>　　可以求出點E的坐標,然后比較偏離0的大小，線偏離也就是的大小。</p&g

55、t;<p><b>　　角偏離：</b></p><p>　　當穩(wěn)定在最高點時，隨著列車的高速運動，弓頭也在上下的擺動，為了保證受電弓性能的穩(wěn)定性，應該保證最大角偏離。</p><p>　　運用仿真可以在圖中觀察的變化，從而判斷設計的受電弓的性能是否能夠滿足列車在高速行駛時的性能要求。</p><p>　　4.2機構動態(tài)靜力變化曲

56、線描述</p><p>　　整個過程同樣采用ADAMS對其進行分析</p><p>　　在上面的基礎上加上作為電機，然后對電機進行設置，每秒鐘轉動10°，轉了7秒，分500步進行，這樣就可以實現(xiàn)對電機的運轉角度的控制，然后對其進行動力學分析，建模如下：</p><p>　　圖4.2.1 帶電機驅動的運動簡圖</p><p>　　圖4

57、.2.2 上升到最高點的示意圖</p><p>　　上圖中右側的轉動副就是電機的簡圖，起到提供驅動力的作用。</p><p>　　為了能更好的了解整個過程中的受力情況我們主要對連桿機構中的主動件AB分析，和桿DBE和，鉸鏈點E點進行了運動與受力的分析。</p><p>　　為了保持弓頭和接觸網之間能良好的接觸，弓頭和接觸網之間必須要存在作用力才能防止因為不確定的震

58、動導致弓頭與接觸網脫離；但是若這個接觸力過大就會加大磨損，不利于控制，所以這個力要嚴格控制。一般標準要求這個力的大小為分布載荷為20Mpa，我們在進行動力學分析的時候必須考慮進去，所以我們在構建模型的時候在最上面添加了一個20Mpa的恒力，這樣進行的受力分析就更加的真實可信。</p><p>　　4.2.1連桿機構的傳動角變化曲線</p><p>　　在上面的分析計算中已經保證了就對整個運

59、動過程中的傳動角進行驗證。</p><p>　　為了提高機械的傳遞效率，對于一些承受短暫高峰載荷的機構，應該使最小傳動角在運動過程中大于一個許用傳動角，在我們這里的要求是傳動角時刻大于30°（也應該小于150°），下面就是對傳動角進行的驗證。</p><p>　　圖4.2.1傳動角的變化曲線</p><p>　　上圖就是升弓過程當中的傳動角的變化

60、曲線圖，從圖中可以看出傳動角的隨著弓頭的不斷升高而不斷增大，但是傳動角的最小值仍然大于30°，而且最大值為128.7°，仍然小于150°，所以在傳動過程當中的機械效率能夠滿足我們設計的需求。</p><p>　　4.2．2連桿機構的動態(tài)靜力</p><p>　　通過autocad將受電弓在不同位置時繪制在同一張圖中便于清晰的看出其運動軌跡線：</p>

61、;<p>　　圖4.2.2 受電弓多位置變化圖</p><p>　　（1）：對主動件桿AB的受力運動分析。</p><p>　　在受電弓當是在AB桿的帶動下，其他的桿件才會不斷的運動的，因此很有必要對桿AB進行受力分析進行仿真分析。</p><p>　　對AB桿的角速度和角加速度的仿真如下：</p><p>　　圖4.2.3 桿

62、AB角速度和角加速度曲線圖</p><p>　　從圖中可以看出來，隨著弓頭的不斷上升，桿AB的角速度和角加速度不斷地減小，慢慢的趨于穩(wěn)定，也就是在上升的過程當中桿AB受到的作用力不斷的減小。</p><p>　　圖4.2.4桿AB速度和加速度曲線圖</p><p>　　在圖中可以看到桿AB在X方向上的速度慢慢的增加，而Y方向上的速度在減少，在X,Y方向上的速度和加速

63、度都在緩慢的減少，但是X方向上減少得比Y方向上要少。</p><p>　?。?）對桿CBE進行運動分析</p><p>　　圖4.2.5 桿CBE的位移變化曲線</p><p>　　可以看出桿CBE在Y方向上的位移隨著桿向上運動快速增加，而在X方向呈現(xiàn)出緩慢減少的趨勢，這與設計一樣，減少在X方向偏轉，盡量使弓頭在一條豎直線上運動。</p><p&

64、gt;　　圖4.2.6桿CBE的速度和加速度變化曲線</p><p>　　在圖中可以看出桿CBE在X方向上的速度和加速度都在減少，而在Y方向上的速度和加速度都在增加。</p><p>　　(3)對點E的運動分析</p><p>　　可以看出點E隨著弓頭的不斷上升，剛開始的時候收到的力比較大，但是隨著弓頭位置的不斷上升，點E受到的力不斷減少。</p>&

65、lt;p>　　對點E上升過程當中的線偏移量的仿真：</p><p>　　圖4.2.7弓頭上升線偏移量的曲線圖</p><p>　　對弓頭的線偏移量的要求是，最大線偏移量要小于100mm，，從上圖中我們可以看到弓頭剛開始時隨著弓頭的上升先向理想軌跡線的里面偏移，然后隨著弓頭的上升又向理想軌跡曲線的外面偏移，而且最大偏移量和最小偏移量之差的一半為71mm<100mm，滿足我們的設計

66、要求。</p><p>　　點E的角偏移量的仿真：</p><p>　　圖4.2.8 弓頭的線偏移量與上升量的曲線圖</p><p>　　隨著弓頭的上升，點E線偏移量先有緩慢減少的趨勢，慢慢又以一個比較大的速度增加的趨勢，雖然增加的速度增加，但是到最后仍然滿足我們設計的要求。</p><p>　　弓頭水平角移量仿真：</p>&

67、lt;p>　　上圖片時弓頭上點E的擺角圖線。從上圖可以看出在整個受電弓升降的過程中弓頭最大的擺角為1.57°左右，比5°小的多，說明我們設計的尺寸在保持弓頭的水平方面起到了很好的效果。</p><p><b>　　5機構建模</b></p><p>　　5.1機構運動簡圖及尺寸標注</p><p>　　5．1．1 連桿

68、機構</p><p>　　圖5.1.1 連桿機構</p><p>　　5．1．2 加入平衡桿的受電弓機構</p><p>　　圖5.1.2 加入平衡桿的受電弓</p><p>　　5.2機構關鍵構件建模過程</p><p>　　5.2.1弓頭滑板機構</p><p>　?。?）弓頭滑板機構主要構

69、建建模過程</p><p>　　使用solidworks2006的草圖繪制，選擇上視基準面為草圖繪制平面，繪制如下所示的草圖，對生成的草圖一使用拉伸特征，給定深度為100mm。</p><p>　　圖5.2.1.1 弓頭滑板草圖</p><p>　　使用草圖繪制，選擇前視基準面為草圖繪制平面，繪制如下草圖，對草圖使用拉伸切除1特征，給定深度100mm。</p&

70、gt;<p>　　圖5.2.1.2弓頭滑板草圖</p><p>　　使用草圖繪制，選擇上視基準面為草圖繪制平面，繪制如下草圖，對草圖使用拉伸切除2特征，給定深度完全貫穿。</p><p>　　圖5.2.1.3弓頭滑板草圖</p><p>　　通過各平面草圖的拉伸與切除，最終得到弓頭滑板如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.

71、1.4弓頭滑板草圖</p><p>　?。?）軸主要構建建模過程</p><p>　　繪制直徑15mm的圓，拉伸長度為280mm。得到軸如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.1.5軸草圖</p><p>　?。?）平衡桿支架主要構建建模過程</p><p>　　通過拉伸特征得到兩個厚10mm的圓環(huán)，再通過拉伸與兩

72、圓桿連接，得到連接桿。</p><p>　　圓環(huán)倒圓角2mm。得到平衡桿支架如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.1.6平衡桿支架</p><p>　　（3）弓頭滑板機構組裝過程</p><p>　　將弓頭滑板，軸，平衡桿支架，組裝，得到總弓頭滑板機構如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.1.7弓頭滑板機構

73、</p><p><b>　　5.2.2底座</b></p><p>　?。?）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準面為草圖繪制平面，拉伸厚度140mm。</p><p>　　圖5.2.2.1底座草圖</p><p>　　（2）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準面為草圖繪制平面，拉伸厚度10mm。</p><p

74、>　　圖5.2.2.2底座草圖</p><p>　　圖5.2.2.3底座草圖</p><p>　?。?）插入參考面基準面3（如下圖所示），選擇基準面3為鏡像平面，使用鏡像特征得到基座。</p><p>　　圖5.2.2.4基座</p><p>　?。?）得到底座機構如右圖所示。</p><p>　　圖5.2.2.

75、5底座</p><p><b>　　5.2.3主動桿</b></p><p>　?。?）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準面為草圖繪制平面，拉伸厚度20mm。</p><p>　　圖5.2.3.1主動桿</p><p>　?。?）拉伸如下所示草圖，選擇拉伸1上的平面為草圖繪制平面，拉伸厚度382.6mm。</p>

76、<p>　　圖5.2.3.2主動桿</p><p>　?。?）得到主動桿機構如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.3.3主動桿</p><p><b>　　5.2.4連架桿</b></p><p>　?。?）右圖為連架桿機構建模過程</p><p>　?。?）拉伸如下所示草圖，

77、選擇前視基準平面為草圖繪制平面，拉伸厚度10mm。</p><p>　　圖5.2.4.1連架桿機構建模過程</p><p>　　圖5.2.4.2連架桿機構</p><p>　?。?）拉伸如下所示草圖，選擇如下圖所示平面基準面3為草圖繪制平面，拉伸厚度494.32mm。</p><p>　　圖5.2.4.3連架桿機構</p>&l

78、t;p>　　（4）插入參考面基準面4（如下圖所示），選擇基準面4為鏡像平面，使用鏡像特征得到連架桿兩端。</p><p>　　圖5.2.4.4連架桿機構</p><p>　　（5）得到連架桿機構如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.4.5連架桿機構</p><p><b>　　5.2.5升弓桿</b><

79、/p><p>　　（1）右圖為升弓桿機構建模過程</p><p>　?。?）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準面為草圖繪制平面，拉伸厚度260mm。</p><p>　　圖5.2.5.1升弓桿</p><p>　　圖5.2.5.2升弓桿建模過程</p><p>　?。?）切除步驟2生成的實體，使用草圖繪制，選擇上視基準面為草圖

80、繪制平面，繪制如下草圖，對草圖使用拉伸切除2特征，給定深度完全貫穿。</p><p>　　圖5.2.5.3升弓桿建模</p><p>　　（4）拉伸如左下所示草圖，選擇拉伸實體平面為草圖繪制平面，拉伸厚度75mm。</p><p>　　圖5.2.5.4升弓桿建模 圖5.2.5.5升弓桿建模</p>

81、<p>　　（5）拉伸如右上所示草圖，選擇基準面3為草圖繪制平面，拉伸厚度5mm。</p><p>　?。?）插入參考面基準面2（如左下圖所示），選擇基準面2為鏡像平面，使用鏡像特征得到升弓桿的對稱兩臂。</p><p>　　圖5.2.5.6升弓桿建模 圖5.2.5.7升弓桿建模</p><p>　?。?

82、）拉伸如右上圖所示草圖，選擇基準面2為草圖繪制平面，拉伸厚度37.5mm。</p><p><b>　?。?）倒圓角</b></p><p>　?。?）得到升弓桿機構如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.5.8升弓桿建模</p><p><b>　　5.2.6平衡桿</b></p>

83、<p>　　（1）平衡桿的建模，看似簡單，但因為角度問題，插入了多個基準面如右圖所示。</p><p>　?。?）拉伸如下兩圖所示草圖，選擇基準面為草圖繪制平面。</p><p>　　圖5.2.5.8升弓桿建模 </p><p>　　圖5.2.5.9升弓桿建模 圖5.2.5.10升弓桿建模</p><

84、;p>　?。?）掃描特征，掃描如下圖所示軌跡，生成平衡桿的主干。</p><p>　　圖5.2.5.11升弓桿建模</p><p>　　（4）得到平衡桿機構如下圖所示。</p><p>　　圖5.2.5.12升弓桿建模</p><p>　　5.3機構總體裝配過程</p><p><b>　　（1）受電弓

85、爆炸圖</b></p><p>　　圖5.3.1受電弓機構爆炸圖</p><p>　　表5.3.1爆炸圖各個機構對應名稱</p><p>　　(2)受電弓機構裝配圖</p><p>　　圖5.3.2受電弓機構裝配圖</p><p><b>　　（3）裝配過程</b></p>

86、<p>　?。?）各機構之間配合</p><p>　　底座 連架桿</p><p>　　圖5.3.3底座 圖5.3.4連架桿</p><p>　　主動桿 升弓桿</p><p

87、>　　圖5.3.5主動桿 圖5.3.6升弓桿</p><p>　　弓頭滑板 平衡桿</p><p>　　圖5.3.6弓頭滑板 圖5.3.7平衡桿</p><p><b>　　6機構仿真</b></p>

88、;<p><b>　　6.1機構仿真配置</b></p><p>　　6.1.1受電弓機構</p><p>　　將各個桿件以同心圓的約束進行配合，在主動桿處放置一臺旋轉馬達，詳細設置如下： </p><p>　　圖6.1.1旋轉馬達配置</p><p>　　6.1.2.機構仿真過程</p>

89、<p>　　6.3仿真參數測量及分析</p><p>　　這個過程在進行動力分析的時候已經進行了，基本過程和進行動力分析和在有限元分析的過程數據基本一樣的。</p><p>　　6.4仿真中存在的不足</p><p>　　機構仿真過程中的不足是：</p><p>　　（1）仿真過程中，各個配置不是特別和實際情況吻合，導致測試出來

90、的數據和實際情況有一定的誤差，</p><p>　?。?）沒能全面考慮實際情況對運動的影響，從而在一些工況下力的設置沒有涉及。</p><p>　?。?）由于采用的是PRO/E仿真，其處理數據的功能不是很強大，因而導致不能十分詳盡完善地對一些數據進行處理</p><p>　　（4） 我們建立的模型與實際模型有差距，這導致我們的仿真過程并不是完全按照實際中的實物的運動

91、過程一樣的。</p><p><b>　　7．有限元分析</b></p><p>　　在對受電弓分析的時候，主要選取了受電弓中弓頭和下臂桿兩個比較重要的構件進行了分析，主要從構件的應力，應力分布以及受力變形這幾方面對它們進行有限元分析。</p><p>　　7.1 弓頭機構的有限元分析</p><p>　　圖7.1.1弓

92、頭部分環(huán)境配置</p><p>　　在弓頭部分我們選用的是4340鋼，熱處理方式為正火，在弓頭上面平面施加30Mpa的分布力，通過將弓頭固定的方式進行有限元分析。</p><p>　　圖7.1.2 弓頭應力分析整體圖</p><p>　　通過這張總體圖，可以清楚地看到各個部分應力總體的分布效果，以及各個部分應力大小。</p><p>　　圖7

93、.1.3 弓頭最大應力2500Mpa時分布</p><p>　　通過這張圖可以看到，弓頭部分最大應力2500Mpa是主要分布在內開口矩形的兩個窄邊上，圖中我們用放大鏡顯示出最大應力的分布位置。</p><p>　　圖6.3.1.4 弓頭豎截面處的應力分布</p><p>　　在這張圖中可以看到弓頭在豎截面處的內部應力分布的情況，在內部處的應力分布明顯大于表面處的應力

94、分布。</p><p>　　圖7.1.5 弓頭橫截面處的應力分布情況</p><p>　　在這張圖中可以看到弓頭在橫截面處的內部應力分布的情況，在圖中可以看到在橫截面處靠近內矩形框窄邊得應力明顯大于四周的應力。</p><p>　　圖7.1.6 弓頭處得應力分布曲線</p><p>　　在這張圖中可以看到在兩邊的應力分布比較小，而在中間的時候

95、應力分布就比較大了。</p><p>　　圖7.1.7 弓頭整體的應變分布</p><p>　　在圖中可以看到弓頭各個部分的應變分布情況，應變的分布也是在矩形框四周的應變明顯大一弓頭各個四周的應變分布。</p><p>　　圖7.1.8 弓頭豎截面處的應變分布</p><p>　　在弓頭豎截面處的應變分布圖中?？梢钥吹街虚g處得應變分布明顯大于

96、四周的應變分布。</p><p>　　圖7.1.9 弓頭橫截面處的應變分布</p><p>　　在弓頭橫截面處的應變分布圖中，可以看到弓頭內部應變的分布也是在矩形框四周的應變明顯大一弓頭各個四周的應變分布。</p><p>　　圖7.1.10 弓頭應力數值</p><p>　　7.2 下臂桿機構的有限元分析</p><p&

97、gt;　　圖7.2.1環(huán)境配置</p><p>　　在對下臂桿機構的有限元分析當中，選用的材料是合金鋼，在下臂桿的表面上施加了20Mpa的分布載荷，在下臂桿的兩個鉸接孔出采用了固定鉸接。</p><p>　　圖7.2.2 下臂桿應力分析整體效果圖</p><p>　　桿應力分析整體效果圖中，可以看到在中間部分受到的應力比較大，而兩端部分</p><

98、;p><b>　　受到應力比較小。</b></p><p>　　圖7.2.3下臂桿最大應力分布</p><p>　　下臂桿最大應力1600Mpa,可以看出最大應力主要分布在桿的中間部分。</p><p>　　圖7.2.4下臂桿截面處應力分布</p><p>　　在圖中可以看出，在桿的內部應力分布都比較小，而在截面周

99、圍應力分布應力比較大。</p><p>　　圖7.2.5下臂桿應力分布曲線</p><p>　　在這張圖中可以看到在兩邊的應力分布比較小，而在中間的時候應力分布就比較大了，應力分布曲線呈拋物線狀。</p><p>　　圖7.2.6下臂桿整體應變分布效果圖</p><p>　　在下臂桿整體應變分布效果圖中可以看到，桿在中間部分受到的應變的值比較

100、大，而兩邊部分受到的應變比中間部分要小。</p><p>　　圖7.2.7下臂桿變形情況分布</p><p>　　在桿變形情況分布圖中可以看到，桿受到分布載荷的時候，發(fā)生了彎曲變形，中間部分變形比較大，而兩邊比較小。</p><p>　　圖7.2.8下臂桿應力值</p><p><b>　　7設計總結</b></p

101、><p>　　經過一學期的努力，該課題設計方案“受電弓”終于告一段落。對于在機械課程設計過程當中我們有如下總結：</p><p><b>　　團隊協(xié)作</b></p><p>　　每一個人的能力都是有限的，任何一個好的創(chuàng)意和每一份成功都是團隊中每一個人智慧與汗水的結晶。雖然我們團隊只有兩個人，但是我們兩在課程設計之初就明確了只自己的任務，然后再往后

102、的時間里，我們各自朝自己的任務不斷推行，遇到困難時，就相互討論，在傾聽對方闡述的同時，也在吸收對方的智慧，彌補自己思想上的盲區(qū)，同時也學會了在合作當中理解，傾聽對方的重要性，只有足夠信任自己的隊友，才可能在團隊合作當中緊密的結合起來，為共同完成一個任務而努力。</p><p><b>　　軟件運用</b></p><p>　　縱觀這次課題設計，我們小組大致用到的軟件有

103、：AUTO CAD、ADAMS、PRO/E還有MATLAB等等一些軟件。</p><p>　　在軟件運用的過程，我們小組遇到了各式各樣的困難，有好幾個軟件都是現(xiàn)學現(xiàn)用的，同時也懂得了軟件給人們分析問題，解決問題帶來的各式各樣的快捷，自己在運用軟件的時候也在驚訝，沒有想到軟件有這么多如此實用的功能，這種感覺很棒。在遇到用軟件的困難的時候，我們往往通過圖書館查閱各種關于軟件的書籍，或者通過網絡看視頻，或者請教同學中水

104、平比較好的人，然后把問題解決掉，盡管課程設計只有一個學分，而我們?yōu)榱诉@一個學分付出了艱辛的努力，但我們在這個過程當中接觸到了很多很好很實用的軟件，開展了自己的視野，提高了自己對自己專業(yè)軟件的理解與熟悉的能力，這很有意義。</p><p><b>　　（3）課題實施</b></p><p>　　我們小組的課題是：受電弓。這是一個關于我們很陌生的課題，在日常生活當中我們幾

105、乎沒有真正的接觸到過的，這就要我們要去查閱各種有關受電弓的知識與論文，在這個過程當中我們從對受電弓的一臉茫然，到初步了解，到慢慢的深入。使我們懂得了受電弓的相關知識。在建模的過程當中，由于學了solidworks很久了，很多功能我們忘記，只好邊學邊用，盡管模型有點簡單，不是很完美，但是面對著自己建出來的模型，我們仍然感到很驕傲，在對模型的尺寸分析的過程當中，我們借鑒了一些網上，一些資料的數據，然后運用所學的機械原理，一個一個計算出來。在

106、運用ADAMS進行運動學仿真的時候，我們不斷的遇到問題，然而面對問題，我們硬著頭，迎頭而上，一個一個慢慢的解決掉。</p><p><b>　　8收獲及體會</b></p><p>　　這次的課程設計是我們將我們所學到的理論的機械知識轉化為動手能力的一個很好的實踐機會，同時這個過程也是一個對我們所學到的知識的鞏固與溫習的過程。提高了我們分析問題解決問題的能力。<

107、/p><p>　　在這個過程當中我們接觸到了很多很好很實用的軟件，拓展了我們接觸的視野，讓我們懂得了軟件給分析和解決問題帶來的便捷，同時這個過程也在督促我們不得不去接觸和學習一些很好的軟件，使得我們掌握了一些軟件使用的常用技巧。</p><p>　　在這個過程當中我們檢索了大量的資料，翻閱了大量的書籍，這些都提高了我們</p><p>　　搜集資料的能力，同時這個過程讓

108、我們接觸到了新的知識，提高了我們的自學能力。</p><p>　　由于課程設計將我們?yōu)橥瓿梢粋€共同的目的而聯(lián)系起來，就要要求我們在有嚴密分工的同時，又要注重團隊的合作，提高我們的溝通能力。</p><p><b>　　9致謝</b></p><p>　　經過這一階段的努力，我們小組的課程設計《受電弓》終于完成。在本學期的綜合設計過程當中，我們小

109、組成員——董澤園，董作見。在這個過程當中我們小組成員付出了很多汗水，特別是董澤園同學在建模的過程當中付出了相當大的努力與堅持，在她的不懈的努力下，受電弓的模型終于完成了。</p><p>　　同時，也要特別感謝指導老師劉光帥的，嚴格把關，循循善誘，從設計選題到項目規(guī)劃報告報告，再到軟件的運用上，都盡最大的努力指導和幫助我們，另外也要感謝劉老師幽默而不失犀利的語言，總能給人帶來一陣陣笑聲。</p>&

110、lt;p>　　另外，我們也要感激在我們建模過程中理解和曾經幫助過我們的人，他們的理解和包容為我們的合作提供了契機，他們的幫助總能讓我們在困難的時候感到點點滴滴的溫馨和感動，此外，也要感激劉老師提供的模板，因為我們寫的論文幾乎是按照他們的格式寫的，此外，我們在采用一些文章上的數據，也要感激寫這些文章的作者。</p><p>　　感謝“機械綜合設計”這門課程——雖然只有一個學分，但是我們獲得了比四個學分更有價值

111、的學習經驗、處理問題的思想，讓我們接觸和學習了一些很好的軟件。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 林清安. Pro/ENGINEER野火3.0中文版動態(tài)機構設計與仿真[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.</p><p>　　[2] 《DSA250型受電弓控制策略》 丁春嶸、李昌奇 電力機車與城軌車

112、輛學報 2006年第29卷第4期</p><p>　　[3] 《DSA200受電弓自動降弓控制方式的改進》 唐滿林、楊杰 電力機車與城軌車輛學報 2005年第28卷第6期</p><p>　　[4] 《機械原理》 謝進編 高等教育出版社 2004版</p><p>　　[5] 《大學數學實驗—MATLAB應用篇》 薛長虹編 西南交通大學出版社 2003版

113、</p><p>　　[6] 《ADAMS實例教程》 李軍、邢俊文編 北京理工大學出版社 2002版</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　機構運動簡圖</b></p><p><b>　　圖1.連桿機構</b></p>&

114、lt;p>　　圖2.加入平衡桿的連桿機構</p><p><b>　　圖3.弓頭機構</b></p><p><b>　　圖4.底座</b></p><p><b>　　圖5.主動桿</b></p><p><b>　　圖6.升弓機構</b><

115、/p><p><b>　　2.機構總裝配圖</b></p><p>　　圖7.受電弓整體爆炸圖</p><p>　　爆炸圖各個機構對應名稱</p><p>　　(2)受電弓機構裝配圖</p><p>　　圖8. 受電弓機構裝配圖</p><p><b>　　（3）裝配

116、過程</b></p><p>　　底座 連架桿</p><p>　　主動桿 升弓桿</p><p>　　弓頭滑板 平衡桿</p><p><b>