課程設(shè)計受電弓機構(gòu)設(shè)計

1、西南交通大學(xué)機械綜合設(shè)計I設(shè)計說明書設(shè)計題目：受電弓機構(gòu)設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：20091347所在班級：車輛六班指導(dǎo)老師：何朝明2012年06月目錄引言.31選題背景41.1問題的提出41.2文獻(xiàn)綜述（即研究現(xiàn)狀）41.3設(shè)計的技術(shù)要求及指標(biāo)52機構(gòu)選型62.1設(shè)計方案的提出62.1.1連桿機構(gòu)62.1.2弓頭機構(gòu)92.2設(shè)計方案的確定92.2.1連桿機構(gòu)92.2.2弓頭機構(gòu)103 尺度綜合103.1機構(gòu)關(guān)鍵尺寸計算103.1.1連桿機構(gòu)103.1.2弓頭機構(gòu)133.1.3 升弓桿角度的計算.153.2機構(gòu)關(guān)鍵尺寸優(yōu)化.164受力分析184.1機構(gòu)動態(tài)靜力描述184.1.1機構(gòu)的壓力角進(jìn)行分

2、析184.1.2連桿機構(gòu)的動態(tài)靜力分析184.1.3對點B,點E進(jìn)行運動學(xué)分析194.2機構(gòu)動態(tài)靜力變化曲線描述204.2.1連桿機構(gòu)的傳動角變化曲線214.2.2連桿機構(gòu)的動態(tài)靜力225機構(gòu)建模265.1機構(gòu)運動簡圖及尺寸標(biāo)注265.1.1連桿機構(gòu)265.2機構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件建模過程275.2.1弓頭滑板機構(gòu)275.2.2底座295.2.3主動桿315.2.4連架桿32升弓桿345.2.6平衡桿375.3機構(gòu)總體裝配過程385.3.1受電弓爆炸圖385.3.2受電弓機構(gòu)裝配圖396機構(gòu)仿真.406.1機構(gòu)仿真配置406.2機構(gòu)仿真過程描述416.3仿真參數(shù)測量及分析426.4仿真中存在的不足427

3、有限元分析.427.1弓頭機構(gòu)的有限元分析437.2下臂桿機構(gòu)的有限元分析478設(shè)計總結(jié).509收獲及體會.5110致謝.5111參考文獻(xiàn).5212 附 錄.52引言受電弓亦稱集電弓（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(shè)備的統(tǒng)稱。動作原理：（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

4、接觸網(wǎng)。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(fēng)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(shè)計方式，在集電弓細(xì)部結(jié)構(gòu)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(shè)計，亦可稱成“T”字形（亦叫作翼形）集電弓，其低風(fēng)阻的特性特別適合高速

5、行駛，以減少行車時的噪音。所以此款集電弓主要用于高速鐵路車輛。（4）石津式，日本岡山電氣軌道的第六代社長，石津龍輔1951年發(fā)明、又稱為“岡電式”、“岡軌式”?，F(xiàn)主要針對目前普遍常用的單臂式受電弓進(jìn)行了尺寸計算，校核，用solidworks對它進(jìn)行了三維建模以及受力分析等等。1 選題的背景1.1 問題的提出隨著目前鐵路技術(shù)的發(fā)展，特別是中國的高鐵技術(shù)在世界高鐵技術(shù)的舞臺上扮演著越來越重要的角色，受電弓作為鐵路技術(shù)技術(shù)中一項核心的技術(shù)，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(fēng)險，目前部分新出廠的鐵路車輛，已改用單臂式受電弓，因此人們對單臂式受電弓的研究越來越深入

6、。在普通列車上使用的受電弓已經(jīng)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。因此，我們需要在結(jié)構(gòu)尺寸，受力分析以及受電弓性能的穩(wěn)定性上進(jìn)行再次研究與分析，從而構(gòu)建出能夠適合在高速列車上安裝的受電弓模型，這也是本次課程設(shè)計的立足點及最終目的。1.2 文獻(xiàn)綜述現(xiàn)在列車已經(jīng)逐漸由內(nèi)燃機車向電力機車發(fā)展轉(zhuǎn)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(wǎng)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(dǎo)電滑板與電網(wǎng)接觸受電來發(fā)揮作用的。正因為受電弓的重要

7、作用，所以對它的研究也一直沒有停止，國內(nèi)外多年來一直都有專業(yè)人士在從事受電弓的設(shè)計與優(yōu)化。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(shù)要求外，還應(yīng)該具有以下更為嚴(yán)格的特點：（1） 受流可靠。列車運行速度提高后，受電弓沿接觸網(wǎng)導(dǎo)線移動的速度大大加快，接觸網(wǎng)與受電弓的接觸特性更加復(fù)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，接觸壓力盡可能保持恒定。（2） 受電弓重量需要降低。運行中受電弓會隨著接觸導(dǎo)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(zhì)量。由于弓-網(wǎng)接觸壓力與受電弓靜態(tài)特性和動態(tài)特性直接相關(guān)，因此，對于高速受電弓，在保證強

8、度和剛度的前提下，應(yīng)降低受電弓運動部分的質(zhì)量，從而減小運動慣性力，保證弓-網(wǎng)接觸良好。（3） 良好的空氣動力學(xué)性能。高速列車運行時所受的空氣阻力較常規(guī)列車大很多。安裝在車頂?shù)氖茈姽擒圀w突出部分，必須采取相關(guān)措施提高受電弓空氣動力學(xué)性能，即減小空氣動力學(xué)作用對受流的影響，減小空氣阻力和氣動噪聲。（4） 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(wǎng)波動的角度出發(fā)，現(xiàn)代高速列車應(yīng)該采用單弓受流。目前我們CRH系列動車組所采用的是DSA250型受電弓（如下圖），該受電弓采用輕量化優(yōu)質(zhì)材料，具有良好的機械和動力學(xué)性能，受電弓滑板采用純硬碳材料，對接觸網(wǎng)起到保護(hù)作用。圖1.2

9、.1 DSA250型受電弓上面提出了很多的高速受電弓的設(shè)計要求，所以在設(shè)計時候應(yīng)進(jìn)行更為嚴(yán)格的分析計算，本為提出幾種受電弓的設(shè)計方案并最終采用了目前應(yīng)用廣泛的單臂受電弓的連桿機構(gòu)，之后對其重新進(jìn)行了主動件的選取及尺寸的設(shè)計（包括升弓機構(gòu)和平衡桿機構(gòu)）。1.3設(shè)計的技術(shù)要求及指標(biāo)為了能夠在結(jié)構(gòu)尺寸，受力分析以及受電弓性能的穩(wěn)定性上進(jìn)行研究與分析，從而構(gòu)建出能夠適合在高速列車上安裝的受電弓模型，我們所設(shè)計的受電弓必須滿足以下的要求：1， 進(jìn)行仿真時各部分動作連續(xù)，結(jié)構(gòu)緊密，能夠連續(xù)的完成升弓和降弓的動作。2， 在升弓和降弓，弓頭偏離所設(shè)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。3，

10、為了達(dá)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°）。4， 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(shè)計的受電弓結(jié)構(gòu)盡可能的簡單。5， 為使受電弓的結(jié)構(gòu)盡可能的簡單，應(yīng)使受電弓的自由度只有一個。6， 受電弓的整個工作過程應(yīng)該安全可靠。2 機構(gòu)選型2.1 設(shè)計方案的提出連桿機構(gòu) 連桿機構(gòu)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)的上下運動，而且要使弓頭在運動的過程當(dāng)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。因此

11、對連桿機構(gòu)的要求是：1， 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(nèi)。2， 連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)要盡可能的簡單，而且尺寸也要盡可能的小（不占用車頂?shù)目臻g，而且安裝維修方便，節(jié)約資源）。3， 要是連桿機構(gòu)的傳動角大于或等于30度。根據(jù)上面的要求，可以設(shè)計出不同的連桿機構(gòu)：方案一：平面RR開鏈機械臂圖2.1.1 平面RR開鏈機械臂工作原理：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。優(yōu)缺點：平面RR開鏈機械臂結(jié)構(gòu)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

12、，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(zhuǎn)，從而有角位移。方案二：滑塊連桿組合機構(gòu)圖2.1.2滑塊連桿組合機構(gòu)工作原理：當(dāng)2桿作為主動件，整體結(jié)構(gòu)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6桿慢慢的在鉸鏈處產(chǎn)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。優(yōu)缺點：這種結(jié)構(gòu)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(dāng)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(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜連桿較多，在實現(xiàn)的過程中比較困難。方案三：曲柄滑塊機構(gòu)圖2.1.3曲柄滑塊機構(gòu)工作原理：當(dāng)

13、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。優(yōu)缺點：當(dāng)受電弓不工作的時候，也就是當(dāng)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(gòu)建去固定，這樣比較麻煩。方案四：鉸鏈三桿機構(gòu)圖2.1.4 鉸鏈三桿機構(gòu)工作原理：桿3為主動件，桿3運動的過程當(dāng)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。優(yōu)缺點：鉸鏈三桿機構(gòu)能夠確保弓頭在最高點能穩(wěn)定下來，因為桿3對桿1有一個支持的作用，另外桿2對桿1有一個固定防止桿1產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)的作用，另外，這

14、種設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，不占用空間。2.1.2 弓頭的設(shè)計弓頭是受電弓中另外一個重要的構(gòu)件，弓頭的作用是：使列車在運動的過程當(dāng)中始終保持與導(dǎo)線的接觸。因此對弓頭設(shè)計的要求是：1,減少弓頭和導(dǎo)線的磨損，由于在摩擦過程當(dāng)中，滾動摩擦的摩擦系數(shù)比滑動摩擦系數(shù)要小，因此采用小滾輪結(jié)構(gòu)。2,為了保護(hù)弓頭在運動中盡可能的不受到外面的因數(shù)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(shù)的作用而發(fā)生腐蝕和生銹。我們采用的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.1.5 弓頭機構(gòu)2.2 設(shè)計方案的確定連桿機構(gòu)方案一設(shè)計簡單，但結(jié)構(gòu)占用空間大，而且在運動過程當(dāng)中不容易保持穩(wěn)定。方案二

15、，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運動當(dāng)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(jié)構(gòu)占用空間大，而且傾斜導(dǎo)軌不是很容易確定。方案四，結(jié)構(gòu)簡單，并且在運動中能夠保持很好的穩(wěn)定，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此就選方案四。2.2.2弓頭 弓頭的設(shè)計選圖中所示的結(jié)構(gòu)。3尺度綜合3.1機構(gòu)關(guān)鍵尺寸計算3.1.1連桿機構(gòu)機構(gòu)關(guān)鍵尺寸計算圖3.1.1 連桿機構(gòu)圖以AB為原動件分析，則這個連桿機構(gòu)是一個二級桿組。由于在桿AB繞A點旋轉(zhuǎn)，CD桿繞點D旋轉(zhuǎn)，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(jié)?？梢愿鶕?jù)機構(gòu)的運動情況，找出運動約束條件建立約束方程。CD桿，AB桿的運動約束方程分別是： 另外，又由于E點在豎

16、直線上運動，因此E點的坐標(biāo)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(biāo)。 位移矩陣為：利用位移矩陣建立點B和點D與位移矩陣的關(guān)系：在上面方程中所有的變量都是未知數(shù)，由于上面的方程為非線性方程組，求解繁瑣，且點E的坐標(biāo)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(jù)實際工況取點E的五個坐標(biāo)，為 并且根據(jù)實際情況可以認(rèn)為A點，D點的坐標(biāo)確定，分別為。這樣方程的未知數(shù)只有：，一共八個未知數(shù)可以進(jìn)行求解。采用逆向設(shè)計的方法，先確定設(shè)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

17、的運動進(jìn)行分析，并驗證是否滿足設(shè)計要求。 首先，根據(jù)連桿機構(gòu)的實際運動狀況以及我們的設(shè)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(shè)點E的五個位置分別為：然后再根據(jù)點A和點D在運動過程的位置始終不變，結(jié)合實際我們假設(shè)點A,點D的坐標(biāo)為：根據(jù)上面的假設(shè)可以求出未知數(shù)的值。在上面的矩陣乘法運算中，我們利用了matlab進(jìn)行運算，程序見附錄1，然后利用方程式：可以求出AB桿，BC桿，CD桿，BE桿的桿長分別為：點C,點D的坐標(biāo)可以求出桿的長度，然后再根據(jù)公式：可以求出根據(jù)求出的AB桿，BC桿，CD桿，BE桿的桿長，然后可以根據(jù)逆向設(shè)計的方法再次去判斷取出的桿長是否滿足需求。3.1.2平

18、衡桿機構(gòu)計算模型計算平衡機構(gòu)是受電弓連桿機構(gòu)中另外一塊很重要的組成部分，在升弓和降弓的運動當(dāng)中起到平衡的作用，下面我們對確定平橫機構(gòu)的尺寸。圖3.2.1平衡機構(gòu)在第一問當(dāng)中可以利用位移矩陣可以求出點B，點C的五個精確坐標(biāo)的位置,它們分別是: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：而由于點E,F在同一條豎直線上，故有把在3.1中得到的點B，點C的五個精確坐標(biāo)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(fù)雜，求解繁瑣，因此可以用matlab軟件進(jìn)行求解，程序編寫如3.1中求解第二部的程序。經(jīng)過求解，可以得出根據(jù)得到的坐標(biāo)值，然后根據(jù)公式： 然后把點E,F,B,G,

19、A的坐標(biāo)值帶進(jìn)去，可以求出EF,AG,BG的桿長。它們分別是：通過上面3.1,3.2中的計算可以得出整個機構(gòu)的總體尺寸整理如下：（主動桿件長度）（連桿長度）（連架桿長度）（升弓桿長度）（剛性連桿角度）（弓頭連桿長度）（桿AG,BG的桿長限制G點在剛體AB上的位置）3.1.3升弓桿角度的計算圖3.1.3升弓桿示意圖 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：圖3.1.4升弓桿的俯視圖在圖中求出升弓桿與中心線的夾角,根據(jù)公式：,而可更具根據(jù)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?？扇?，代入計算可以得出3.2 弓頭機構(gòu)的計算圖3.2 弓頭機構(gòu)在弓頭這部分

20、，由于機構(gòu)比較簡單，根本沒有什么計算部分，因此我們在設(shè)計這部分的時候主要是根據(jù)弓頭這部分的實際長度并結(jié)合我們在前面計算出來的長度進(jìn)行建模的，涉及到一些的尺寸我們主要從網(wǎng)上和相關(guān)書籍上進(jìn)行查詢計算的。3.3機構(gòu)關(guān)鍵尺寸優(yōu)化在進(jìn)行連桿機構(gòu)的設(shè)計與建模當(dāng)中，計算出來的尺寸很繁瑣，而且小數(shù)點后面有很多的小數(shù)，為了計算與建模的方便，我們在保證他們的力學(xué)性能的前提下以及結(jié)構(gòu)強度的前提下，查找了一些數(shù)據(jù)手冊，并且根據(jù)一些具體情況對后面的小數(shù)進(jìn)行了簡化，使得結(jié)果更加的簡便，讓人一目了然，便于直觀的感受。根據(jù)實際情況，一般對受電弓的尺寸要求是：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

21、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1400×400mm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(jù)跟這些要求對受電弓尺寸進(jìn)行優(yōu)化。圖3.3 優(yōu)化圖設(shè)E點坐標(biāo)為：，所以我們得到關(guān)于E點坐標(biāo)的表達(dá)式：4受力分析4.1機構(gòu)動態(tài)靜力描述4.1.1針對連桿機構(gòu)的壓力角進(jìn)行分析，最小傳動角：解得：，因此該機構(gòu)設(shè)計合理。4.1.2連桿機構(gòu)的動態(tài)靜力分析描述通過靜力學(xué)平衡方程，求出機構(gòu)各個運動副的反力和平衡力的方法稱為機構(gòu)的動態(tài)靜力分析方法。為了對連桿進(jìn)行受力分析，模擬現(xiàn)實的連桿之間的動力源，我們在桿AB上

22、加了一個風(fēng)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(jìn)行分析。圖4.12連桿機構(gòu)示意圖對于連桿機構(gòu)， 進(jìn)行機構(gòu)的動態(tài)靜力分析的順序為： 讓風(fēng)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,，其中為風(fēng)缸與桿BF的夾角（圖中沒有標(biāo)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。4.1.3對點B,點E進(jìn)行運動學(xué)分析由于點A,點D的坐標(biāo)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:因為AB桿是風(fēng)缸直接作用桿件，所以其受力在所有桿件中式最為關(guān)鍵的，故要對其進(jìn)行分析，又因為AB的角速度和角加

23、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。上面可以求出點B的坐標(biāo)點B的速度,對速度再求一次導(dǎo)，可以得到點B的角加速度運用仿真可以在圖中觀察B點角速度。因為在我們的設(shè)計當(dāng)中，要控制點E的線偏移量和角偏移量，要使點E在升弓和降弓的過程當(dāng)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(nèi)，所以很有必要對點E進(jìn)行分析，分析如下：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(yīng)該保證最大線偏離?？梢郧蟪鳇cE的坐標(biāo),然后比較偏離0的大小，線偏離也就是的大小。角偏離：當(dāng)穩(wěn)定在最高點時，隨著列車的

24、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(yīng)該保證最大角偏離。 運用仿真可以在圖中觀察的變化，從而判斷設(shè)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。4.2機構(gòu)動態(tài)靜力變化曲線描述整個過程同樣采用ADAMS對其進(jìn)行分析在上面的基礎(chǔ)上加上作為電機，然后對電機進(jìn)行設(shè)置，每秒鐘轉(zhuǎn)動10°，轉(zhuǎn)了7秒，分500步進(jìn)行，這樣就可以實現(xiàn)對電機的運轉(zhuǎn)角度的控制，然后對其進(jìn)行動力學(xué)分析，建模如下：圖4.2.1 帶電機驅(qū)動的運動簡圖圖4.2.2 上升到最高點的示意圖上圖中右側(cè)的轉(zhuǎn)動副就是電機的簡圖，起到提供驅(qū)動力的作用。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(gòu)中的

25、主動件AB分析，和桿DBE和，鉸鏈點E點進(jìn)行了運動與受力的分析。為了保持弓頭和接觸網(wǎng)之間能良好的接觸，弓頭和接觸網(wǎng)之間必須要存在作用力才能防止因為不確定的震動導(dǎo)致弓頭與接觸網(wǎng)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(yán)格控制。一般標(biāo)準(zhǔn)要求這個力的大小為分布載荷為20Mpa，我們在進(jìn)行動力學(xué)分析的時候必須考慮進(jìn)去，所以我們在構(gòu)建模型的時候在最上面添加了一個20Mpa的恒力，這樣進(jìn)行的受力分析就更加的真實可信。連桿機構(gòu)的傳動角變化曲線在上面的分析計算中已經(jīng)保證了就對整個運動過程中的傳動角進(jìn)行驗證。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(gòu)，應(yīng)該使最小傳動角在運動過

26、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(yīng)該小于150°），下面就是對傳動角進(jìn)行的驗證。圖4.2.1傳動角的變化曲線上圖就是升弓過程當(dāng)中的傳動角的變化曲線圖，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(dāng)中的機械效率能夠滿足我們設(shè)計的需求。4.2.2連桿機構(gòu)的動態(tài)靜力通過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：圖4.2.2 受電弓多位置變化圖（1）：對主動件桿AB的受力運動分析。在受

27、電弓當(dāng)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(jìn)行受力分析進(jìn)行仿真分析。對AB桿的角速度和角加速度的仿真如下：圖4.2.3 桿AB角速度和角加速度曲線圖從圖中可以看出來，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(dāng)中桿AB受到的作用力不斷的減小。圖4.2.4桿AB速度和加速度曲線圖在圖中可以看到桿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度都在緩慢的減少，但是X方向上減少得比Y方向上要少。（2）對桿CBE進(jìn)行運動分析圖4.2.5 桿CBE的位移變化曲線可以看出桿CBE在Y方向上的

28、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(shè)計一樣，減少在X方向偏轉(zhuǎn)，盡量使弓頭在一條豎直線上運動。圖4.2.6桿CBE的速度和加速度變化曲線 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。(3)對點E的運動分析可以看出點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。對點E上升過程當(dāng)中的線偏移量的仿真：圖4.2.7弓頭上升線偏移量的曲線圖 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

29、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(shè)計要求。點E的角偏移量的仿真：圖4.2.8 弓頭的線偏移量與上升量的曲線圖隨著弓頭的上升，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(shè)計的要求。弓頭水平角移量仿真：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(shè)計的尺寸在保持弓頭的水平方面起到了很好的效果。5機構(gòu)建模5.1機構(gòu)運動簡圖及尺寸標(biāo)注511 連桿機構(gòu)圖5.1

30、.1 連桿機構(gòu) 加入平衡桿的受電弓機構(gòu)圖5.1.2 加入平衡桿的受電弓5.2機構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件建模過程弓頭滑板機構(gòu)（1）弓頭滑板機構(gòu)主要構(gòu)建建模過程 使用solidworks2006的草圖繪制，選擇上視基準(zhǔn)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。圖5.2.1.1 弓頭滑板草圖使用草圖繪制，選擇前視基準(zhǔn)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。圖5.2.1.2弓頭滑板草圖使用草圖繪制，選擇上視基準(zhǔn)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。圖5.2.1.3弓頭滑板草圖通過各平面草圖的拉伸

31、與切除，最終得到弓頭滑板如下圖所示。圖5.2.1.4弓頭滑板草圖（2）軸主要構(gòu)建建模過程繪制直徑15mm的圓，拉伸長度為280mm。得到軸如下圖所示。軸草圖（3）平衡桿支架主要構(gòu)建建模過程通過拉伸特征得到兩個厚10mm的圓環(huán)，再通過拉伸與兩圓桿連接，得到連接桿。圓環(huán)倒圓角2mm。得到平衡桿支架如下圖所示。平衡桿支架（3）弓頭滑板機構(gòu)組裝過程將弓頭滑板，軸，平衡桿支架，組裝，得到總弓頭滑板機構(gòu)如下圖所示。弓頭滑板機構(gòu)5.2.2底座（1）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準(zhǔn)面為草圖繪制平面，拉伸厚度140mm。底座草圖（2）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準(zhǔn)面為草圖繪制平面，拉伸厚度10mm。底座草圖底座草

32、圖（3）插入?yún)⒖济婊鶞?zhǔn)面3（如下圖所示），選擇基準(zhǔn)面3為鏡像平面，使用鏡像特征得到基座。基座（4）得到底座機構(gòu)如右圖所示。底座5.2.3主動桿（1）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準(zhǔn)面為草圖繪制平面，拉伸厚度20mm。主動桿（2）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。主動桿（3）得到主動桿機構(gòu)如下圖所示。主動桿5.2.4連架桿（1）右圖為連架桿機構(gòu)建模過程（2）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準(zhǔn)平面為草圖繪制平面，拉伸厚度10mm。連架桿機構(gòu)建模過程連架桿機構(gòu)（3）拉伸如下所示草圖，選擇如下圖所示平面基準(zhǔn)面3為草圖繪制平面，拉伸厚度494.32mm。連架桿機構(gòu)（4

33、）插入?yún)⒖济婊鶞?zhǔn)面4（如下圖所示），選擇基準(zhǔn)面4為鏡像平面，使用鏡像特征得到連架桿兩端。連架桿機構(gòu)（5）得到連架桿機構(gòu)如下圖所示。連架桿機構(gòu)5.2.5升弓桿（1）右圖為升弓桿機構(gòu)建模過程（2）拉伸如下所示草圖，選擇前視基準(zhǔn)面為草圖繪制平面，拉伸厚度260mm。圖5.2.5.1升弓桿圖5.2.5.2升弓桿建模過程（3）切除步驟2生成的實體，使用草圖繪制，選擇上視基準(zhǔn)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。圖5.2.5.3升弓桿建模（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。圖5.2.5.4升弓桿建模 圖5.2.5.5升弓桿建模（

34、5）拉伸如右上所示草圖，選擇基準(zhǔn)面3為草圖繪制平面，拉伸厚度5mm。（6）插入?yún)⒖济婊鶞?zhǔn)面2（如左下圖所示），選擇基準(zhǔn)面2為鏡像平面，使用鏡像特征得到升弓桿的對稱兩臂。圖5.2.5.6升弓桿建模 圖5.2.5.7升弓桿建模（7）拉伸如右上圖所示草圖，選擇基準(zhǔn)面2為草圖繪制平面，拉伸厚度37.5mm。（8）倒圓角（9）得到升弓桿機構(gòu)如下圖所示。圖5.2.5.8升弓桿建模5.2.6平衡桿（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(zhǔn)面如右圖所示。（2）拉伸如下兩圖所示草圖，選擇基準(zhǔn)面為草圖繪制平面。圖5.2.5.9升弓桿建模 圖5.2.5.10升弓桿建模（3）掃描特征，掃描如下圖所示

35、軌跡，生成平衡桿的主干。圖5.2.5.11升弓桿建模（4）得到平衡桿機構(gòu)如下圖所示。圖5.2.5.12升弓桿建模5.3機構(gòu)總體裝配過程（1）受電弓爆炸圖圖5.3.1受電弓機構(gòu)爆炸圖表5.3.1爆炸圖各個機構(gòu)對應(yīng)名稱1底座4升弓桿2連架桿5弓頭滑板3主動桿6平衡桿(2)受電弓機構(gòu)裝配圖圖5.3.2受電弓機構(gòu)裝配圖（3）裝配過程零件名稱裝配方法1底座底座與主動桿，連架桿采用【同心軸】配合2連架桿連架桿與底座，升弓桿之間采用【同心軸】裝配3主動桿主動桿和底座，升弓桿，平衡桿之間采用【同心軸】裝配4升弓桿升弓桿和連架桿，主動桿，弓頭滑板軸之間采用【同心軸】裝配5弓頭滑板弓頭滑板和副臂之間采用【同心軸】

36、裝配6平衡桿平衡桿和弓頭滑板軸，主動桿之間采用【同心軸】裝配（4）各機構(gòu)之間配合底座 連架桿圖5.3.3底座 圖5.3.4連架桿主動桿 升弓桿 圖5.3.5主動桿 圖5.3.6升弓桿弓頭滑板 平衡桿圖5.3.6弓頭滑板 圖5.3.7平衡桿6機構(gòu)仿真6.1機構(gòu)仿真配置將各個桿件以同心圓的約束進(jìn)行配合，在主動桿處放置一臺旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，詳細(xì)設(shè)置如下：圖6.1.1旋轉(zhuǎn)馬達(dá)配置6.2 機構(gòu)仿真過程進(jìn)入“機構(gòu)”環(huán)境，定義特殊連接。連桿連接的定義。在“標(biāo)準(zhǔn)”環(huán)境內(nèi)，裝配組件（進(jìn)行約束與連接）定義伺服電動機，重力。為各個機構(gòu)定義質(zhì)量屬性，即為機構(gòu)動力學(xué)。對連桿機構(gòu)進(jìn)行動態(tài)定義初始快照，創(chuàng)建測量。錄制機構(gòu)運動視屏。

37、分別創(chuàng)建位置、速度、加速度曲線以及力和力矩曲線。6.3仿真參數(shù)測量及分析這個過程在進(jìn)行動力分析的時候已經(jīng)進(jìn)行了，基本過程和進(jìn)行動力分析和在有限元分析的過程數(shù)據(jù)基本一樣的。6.4仿真中存在的不足機構(gòu)仿真過程中的不足是：（1）仿真過程中，各個配置不是特別和實際情況吻合，導(dǎo)致測試出來的數(shù)據(jù)和實際情況有一定的誤差，（2）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(shè)置沒有涉及。（3）由于采用的是PRO/E仿真，其處理數(shù)據(jù)的功能不是很強大，因而導(dǎo)致不能十分詳盡完善地對一些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（4） 建立的模型與實際模型有差距，這導(dǎo)致仿真過程并不是完全按照實際中的實物的運動過程一樣的。7有限元分析在對受

38、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(gòu)件進(jìn)行了分析，主要從構(gòu)件的應(yīng)力，應(yīng)力分布以及受力變形這幾方面對它們進(jìn)行有限元分析。7.1 弓頭機構(gòu)的有限元分析圖7.1.1弓頭部分環(huán)境配置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(jìn)行有限元分析。圖7.1.2 弓頭應(yīng)力分析整體圖通過這張總體圖，可以清楚地看到各個部分應(yīng)力總體的分布效果，以及各個部分應(yīng)力大小。圖7.1.3 弓頭最大應(yīng)力2500Mpa時分布通過這張圖可以看到，弓頭部分最大應(yīng)力2500Mpa是主要分布在內(nèi)開口矩形的兩個窄邊上，圖中我們用放大鏡顯示出最大應(yīng)力

39、的分布位置。圖6.3.1.4 弓頭豎截面處的應(yīng)力分布在這張圖中可以看到弓頭在豎截面處的內(nèi)部應(yīng)力分布的情況，在內(nèi)部處的應(yīng)力分布明顯大于表面處的應(yīng)力分布。圖7.1.5 弓頭橫截面處的應(yīng)力分布情況在這張圖中可以看到弓頭在橫截面處的內(nèi)部應(yīng)力分布的情況，在圖中可以看到在橫截面處靠近內(nèi)矩形框窄邊得應(yīng)力明顯大于四周的應(yīng)力。圖7.1.6 弓頭處得應(yīng)力分布曲線在這張圖中可以看到在兩邊的應(yīng)力分布比較小，而在中間的時候應(yīng)力分布就比較大了。圖7.1.7 弓頭整體的應(yīng)變分布在圖中可以看到弓頭各個部分的應(yīng)變分布情況，應(yīng)變的分布也是在矩形框四周的應(yīng)變明顯大一弓頭各個四周的應(yīng)變分布。圖7.1.8 弓頭豎截面處的應(yīng)變分布在弓頭

40、豎截面處的應(yīng)變分布圖中?？梢钥吹街虚g處得應(yīng)變分布明顯大于四周的應(yīng)變分布。圖7.1.9 弓頭橫截面處的應(yīng)變分布在弓頭橫截面處的應(yīng)變分布圖中，可以看到弓頭內(nèi)部應(yīng)變的分布也是在矩形框四周的應(yīng)變明顯大一弓頭各個四周的應(yīng)變分布。圖7.1.10 弓頭應(yīng)力數(shù)值7.2 下臂桿機構(gòu)的有限元分析圖7.2.1環(huán)境配置在對下臂桿機構(gòu)的有限元分析當(dāng)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。圖7.2.2 下臂桿應(yīng)力分析整體效果圖 桿應(yīng)力分析整體效果圖中，可以看到在中間部分受到的應(yīng)力比較大，而兩端部分受到應(yīng)力比較小。圖7.2.3下臂桿最大應(yīng)力分布下臂桿最大應(yīng)力

41、1600Mpa,可以看出最大應(yīng)力主要分布在桿的中間部分。圖7.2.4下臂桿截面處應(yīng)力分布在圖中可以看出，在桿的內(nèi)部應(yīng)力分布都比較小，而在截面周圍應(yīng)力分布應(yīng)力比較大。圖7.2.5下臂桿應(yīng)力分布曲線在這張圖中可以看到在兩邊的應(yīng)力分布比較小，而在中間的時候應(yīng)力分布就比較大了，應(yīng)力分布曲線呈拋物線狀。圖7.2.6下臂桿整體應(yīng)變分布效果圖在下臂桿整體應(yīng)變分布效果圖中可以看到，桿在中間部分受到的應(yīng)變的值比較大，而兩邊部分受到的應(yīng)變比中間部分要小。圖7.2.7下臂桿變形情況分布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。圖7.2.8下臂桿應(yīng)力值8 設(shè)

42、計總結(jié)經(jīng)過一學(xué)期的努力，該課題設(shè)計方案“受電弓”終于告一段落。對于在機械課程設(shè)計過程當(dāng)中我們有如下總結(jié)：（1） 軟件運用縱觀這次課題設(shè)計，大致用到的軟件有：AUTO CAD、SolidWorks還有MATLAB等等一些軟件。在軟件運用的過程，遇到了各式各樣的困難，有好幾個軟件都是現(xiàn)學(xué)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，往往通過圖書館查閱各種關(guān)于軟件的書籍，或者通過網(wǎng)絡(luò)看視頻，或者請教同學(xué)中水平比較好的人，然后把問題解決掉，盡管課程設(shè)計只有一個學(xué)分，而為了這一個學(xué)分付出了艱辛的努力，但在這個過程當(dāng)中接觸到了很多很好很實用的軟件，開展了自己的視野，