受电弓机构综合

-.-考试文档-机械原理课程设计设计思路和过程很认真，考虑也非常细，用了多种软件并在实验室进行了验证方案，达到了设计目的，效果也非常不错。设计思路和过程很认真，考虑也非常细，用了多种软件并在实验室进行了验证方案，达到了设计目的，效果也非常不错。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：金宗学号：20116201指导老师：鉴2013目录一、设计题目：受电弓机构综合 11.1设计题目简介 11.2设计要求和有关数据 11.3设计任务 1二、数据收集与设计思路 22.1受电弓工作原理 22.2受电弓分类 22.2.1双臂式 22.2.2单臂式 32.2.3垂直式 42.2.4津式 42.3受电弓主要构成 4三、机构选型设计 53.1设计案的要求 53.2机构的设计 53.2.1案一：菱形机构 53.2.2案二：平行四边形机构 63.2.3案三：铰链四连杆机构 7四、机构尺度综合 8五、运动分析 105.1驱动式的确定与计算 105.1.1直接型驱动机构 105.2运动仿真（ADAMS） 135.2.1受电弓弓头的位移曲线图 135.2.2受电弓弓头的速度曲线图 135.2.3受电弓弓头的加速度曲线图 145.3受电弓弓头上升偏离理想直线的位移验证 145.4传动角的验证 155.5Pro/e建模模型 15六、总结 15七、收获与体会 16参考文献 16附录 161.利用位移矩阵求解初始位置坐标的Matlab程序 16-.-考试文档-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，偏离理想化直线轨迹的距离不得超过100mm。2.在任时候，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向，最大尺寸不超过1200mm。 6.最小传动角大于或等于30°。 图1-2 1.3设计任务1.至少提出两种运动案，然后进行案分析评比，选出一种运动案进行设计；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式不同，在受电弓的设计上会有些差异。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津式日本冈山电气轨道的第六代社长、津龙辅于1951年发明，又称为“冈电式”、“冈轨式”。2.3受电弓主要构成底架组成；阻尼器；升弓装置；下臂组装；弓装配；下导杆；上臂组成；上导杆；弓头；碳滑板；绝缘子图2-4三、机构选型设计3.1设计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：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，都在误差允的围。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，而且安装维修便，节约资源）。要是连杆机构的传动角大于或等于。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：所以其最大上升高度所以，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处在区域，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：所以机构在弓头到达最高时，其最大高度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）处在区域，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，但在一定偏差围，此机构在弓头E的上升高度，传动角的围都符合设计要求。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围。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。这里有两种法可供选择和参考：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：则我们可以在的轨迹上取5个点，以两点的坐标以及的转角为设计变量，然后根据实际情况自取两点，同样用刚体位移矩阵程，可得到8个非线性程，可解出这8个设计变量。法二：由刚体位移矩阵程进行计算：在的轨迹上取9个点，以四点的坐以及连杆的转角等16个变量为设计变量，利用刚体位移矩阵程，可得到16个非线性程，可解出这16个变量的值。比较两种案之后可以发现：利用法二可得到与直线较接近的轨迹，但是，用此种法难以控制机构的大小，机构很容易超出的区域围。利用法一得到的轨迹不如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，使之不超过的区域围。下面用案一对升弓机构（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：4-1利用位移矩阵建立点B和点D与位移的矩阵关系：4-24-32.由杆长为定值，写出杆和杆的约束程：4-43.采用逆向设计的法，先确定尺寸，然后用Matlab软件解出上面的程；对弓头E点运动进行分析，并验证是否满足要求。首先，根据连杆机构的实际运动情况以及我们的设计要求，我们根据弓头E的运动轨迹，以及误差允的围，我们初步假设弓头E在上升结果的五个位置分别为：再假设A、D点的坐标为已知，这里将A、D点取在的围，这里定为A（175,300），D（475,150）。根据所假设的点，再将公式3-1和3-2代入公式3-3和3-4，可以得到8个非线性程，程本身有8个未知数（），用Matlab求解得（程序见附录）：根据求解的（），相当于知道了初始位置时的铰B和铰C坐标，由两点间的坐标可以计算出杆长：由弓头E的初始坐标（0,400）以及B点坐标，可以求出杆BE的长度：B点，C点的坐标已经求解出来，且E点的初始坐标（0,400）已知，所以的长度计算出来，由此可以计算出的角度：到此，升弓机构所有计算结束，经验证，计算后的数据符合设计要求。五、运动分析5.1驱动式的确定与计算由第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直接型驱动机构风缸活塞杆直接驱动机构，如图5-1-1所示。图5-1-1风缸活塞杆直接驱动机构图风缸的活塞杆直接推动连杆CD，使绕D点转动。一般情况下可控制风缸的伸出速度为匀速，而CD杆的转速则只能为变速运动。图5-1-2机构运动简图由图5-1-2所示，根据刚体运动知识和几学知识，的角速度在升弓过程中会不断递增和传动角大于或等于为原则，试可取。1、根据机构的初始位置，可算得：把，，代入上式中，可算出：点的坐标为（770.52，201.65），点的坐标为（642.4，398.9）。2、算点的坐标由点和点的位置关系可得到如下程：把（770.52，201.65），（642.4，398.9），，代入程中得到：3、由点和点的位置可算出风缸伸出的长度：计算得到：所以活塞在风缸中的移动距离为：4、确定风缸中活塞运动速度由于受电工在工作中的反应速度要尽可能的快，但是速度过快，整个机构加速度也增加，对电网冲击会太大，经常这样会使电网的寿命缩短：但是如果速度过慢，则机车的启动时间延长，驱动气泵所用蓄电池的放电时间比较长。综合上面两面的因素考虑，受电弓升弓的时间一般低于。假设取时间则风缸驱动平均速度为：。5.2运动仿真（ADAMS）5.2.1受电弓弓头的位移曲线图由图知：弓头上升时偏离理想直线距离为73mm左右，用ADAMS设定风缸的推动速度为0.02m/s时，上升到规定高度的时间约为8秒，符合目前铁路面的升弓要求。 图5-2-1受电弓弓头的位移曲线图5.2.2受电弓弓头的速度曲线图图5-2-2受电弓弓头的速度曲线5.2.3受电弓弓头的加速度曲线图根据右图，知道一开始加速度较大，接着慢慢变小，上升到规定高度时，加速度大小约为0.01mm/s2，0.01的数量级本身就很小，符合铁路中弓头与接触网即将接触时，要求冲击力较小，所以加速度设计符合要求。图5-2-3受电弓弓头的加速度曲线图5.3受电弓弓头上升偏离理想直线的位移验证由弓头上升去轨迹图知，当杆长按照计算出的数据确定时，弓头的上升轨迹近似为一条直线。 图5-3-1弓头上升轨迹图5.4传动角的验证根据右图知，受电弓处在未升弓时，传动角大于，约为左右，并且在升弓的过程中，传动角始终大于30度，满足设计要求。 图5-4传动角变化曲线5.5Pro/e建模模型图5-5Pro/e建立的模型六、总结根据课程设计的要求，设计升弓机构，保证弓头上升为偏离理想直线不超过100mm。通过对设计的几种机构进行可行性验证，发现铰链四连杆机构符合设计要求。计算采用位移矩阵法，先假设弓头上升轨迹可能要经过的五个点E1，E2，E3，E4，E5，然后确定两个位置点A，D。根据已知的点，可以写出8个含有8个未知数的程。解出B，C的初始位置的坐标，根据坐标计算杆长。再进行传动角的验证，直至设计符合要求。用ADAMS画出受电弓机构，输出弓头位移、速度、加速度曲线，验证弓头上升轨迹线，发现轨迹近似为一条直线，偏离直线距离约为73mm，符合设计要求。七、收获与体会通过此的机械原理课程设计，学到了平时在学习中没有学到的知识。在做课程设计的初期，从网上查找了多资料去了解受电弓，认识受电弓，查清楚其工作原理，根据自己的认识加上机械原理的知识，知道升弓装置应当属于四连杆机构，因为四连杆机构在机械中应用广泛，并且应用灵活。为了验证四连杆机构是否合适，自学了一点ADAMS仿真知识。在ADAMS中画出四连杆机构，进行仿真，查看弓头上升的位移图，观察是否满足设计要求。整个过程都是在不断的查资料和不断求解。这次的课程设计，我从中的最大收获是学会了如思考，如查资料，如克服困难。参考文献[1]鉴，俊，雷智翔主编.机械原理.西南交通大学.2013年8月[2]惟庆主编.连杆机构的分析综合.科学.2002年5月[3]军，刑俊文，覃文洁等.ADAMS实例教程.理工大学.2002年7 月[4]增刚编著.ADAMS入门详解与实例.国防工业.2006年4月.附录1.利用位移矩阵求解初始位置坐标的Matlab程序>>symsxb1xc1yb1yc1xE1=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;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-(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)