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：********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 (10)5.1 驱动方式的确定与计算 (10)5.1.1 直接型驱动机构 (10)5.2 运动仿真（ADAMS） (13)5.2.1 受电弓弓头的位移曲线图 (13)5.2.2 受电弓弓头的速度曲线图 (13)5.2.3 受电弓弓头的加速度曲线图 (14)5.3 受电弓弓头上升偏离理想直线的位移验证 (14)5.4 传动角的验证 (15)5.5 Pro/e建模模型 (15)六、总结 (15)七、收获与体会 (16)参考文献 (16)附录 (16)1.利用位移矩阵求解初始位置坐标的Matlab程序 (16)一、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。

图1-11.2 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1400×400mm区域。

5. 在垂直于机车速度的方向，最大尺寸不超过1200mm。

6. 最小传动角大于或等于30°。

图1-21.3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。

2.2.2 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）（ㄑ）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。

2.2.3 垂直式图2-3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.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.绝缘子图2-4三、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：400515.23sin(15)AC CD DF mm ====⨯所以其最大上升高度max 31545.61550H AD =⨯=<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。

3.2.2 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1400400mm ⨯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 处在最高点。

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的情况下可以计算出： 400772.7sin(15)AD GD mm ===所以机构在弓头到达最高时，其最大高度max 21545.41550H AD 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。

3.2.3 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-所示图 3-2-3弓头上升的铰链四连杆机构工作原理：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1400400mm ⨯区域内，这里选用CD 连杆为主动件，采用风缸驱动CD 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。

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a ab b x y x y 、、、、c cd d x y x y 、、、以及连杆BC 的转角1213141516171819θθθθθθθθ、、、、、、、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1400400mm ⨯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1400400mm ⨯的区域范围。

下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：1111111111111cos sin cos sin [D ]sincos sincos 001i i Ei E i E i i i i EiE i E i x x y y x y 4-1利用位移矩阵建立点B 和点D 与位移的矩阵关系：111[D ]11Bi B Bi i B x x y y ⎧⎫⎧⎫⎪⎪⎪⎪=⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭ 4-2111[D ]11Ci C Ci i C x x y y ⎧⎫⎧⎫⎪⎪⎪⎪=⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭ 4-32.由杆长为定值，写出杆AB 和杆CD 的约束方程：B1A 12222Bi A Bi A B12222i i 1()()()()()()()()C D A C D C D C D x x y y x x y y x x y y x x y y -+-=-+--+-=-+- 4-43.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。