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1、西南交通大学机械综合设计I设计说明书设计题目：受电弓机构设计学生姓名：学生学号：20091347所在班级：车辆六班指导老师：何朝明2012年06月目 录引言.31选题背景41.1问题的提出41.2文献综述（即研究现状）41.3设计的技术要求及指标52机构选型62.1设计方案的提出62.1.1连杆机构62.1.2弓头机构92.2设计方案的确定92.2.1连杆机构92.2.2弓头机构103 尺度综合103.1机构关键尺寸计算103.1.1连杆机构103.1.2弓头机构13 3.1.3 升弓杆角度的计算.153.2机构关键尺寸优化.164受力分析184.1机构动态静力描述184.1.1机构的压力角进
2、行分析184.1.2连杆机构的动态静力分析184.1.3对点B,点E进行运动学分析194.2机构动态静力变化曲线描述204.2.1连杆机构的传动角变化曲线214.2.2连杆机构的动态静力225机构建模265.1机构运动简图及尺寸标注265.1.1连杆机构265.2机构关键构件建模过程275.2.1弓头滑板机构275.2.2底座295.2.3主动杆315.2.4连架杆325.2.5升弓杆345.2.6平衡杆375.3机构总体装配过程385.3.1受电弓爆炸图385.3.2受电弓机构装配图396 机构仿真.406.1机构仿真配置406.2机构仿真过程描述416.3仿真参数测量及分析426.4仿真中
3、存在的不足427 有限元分析.427.1弓头机构的有限元分析437.2下臂杆机构的有限元分析478 设计总结.509 收获及体会.51 10 致谢.5111 参考文献.5212 附 录.52引言受电弓亦称集电弓（Pantograph），亦有人称之为输电架，是一种让电气化铁路车辆从高架电缆取得电力的设备的统称。动作原理：（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
4、用力，使受电弓迅速下降，脱离接触网。受电弓的种类主要有四种主要形式的：（1）双臂式，双臂式集电弓乃最传统的集电弓，亦可称“菱”形集电弓，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，已改用单臂式集电弓；亦有部分铁路车辆从原有的双臂式集电弓，改造为单臂式集电弓。（2）单臂式，除了双臂式，其后亦有单臂式的集电弓，亦可称为“之”（Z）字形的集电弓。此款集电弓的好处是比双臂式集电弓噪音为低。不过依各铁路车辆制造厂的设计方式，在集电弓细部结构上可能会有些不同。（3）垂直式，除了上述两款集电弓，还有某些集电弓是垂直式设计，亦可称成“T”字形（亦叫作翼形）集电弓
5、，其低风阻的特性特别适合高速行驶，以减少行车时的噪音。所以此款集电弓主要用于高速铁路车辆。（4）石津式，日本冈山电气轨道的第六代社长，石津龙辅1951年发明、又称为“冈电式”、“冈轨式”。 现主要针对目前普遍常用的单臂式受电弓进行了尺寸计算，校核，用solidworks对它进行了三维建模以及受力分析等等。1 选题的背景1.1 问题的提出随着目前铁路技术的发展，特别是中国的高铁技术在世界高铁技术的舞台上扮演着越来越重要的角色，受电弓作为铁路技术技术中一项核心的技术，越来越受到人们重视，双臂式受电弓因保养成本较高，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，因此人们
6、对单臂式受电弓的研究越来越深入。 在普通列车上使用的受电弓已经基本能满足我们运行使用的要求，但是随着我国铁路大提速的要求及高铁的日益发展，实用与高速列车的受电弓就显得尤为重要。而普通列车上的受电弓的性能并不能完全满足高速列车的需求。因此，我们需要在结构尺寸，受力分析以及受电弓性能的稳定性上进行再次研究与分析，从而构建出能够适合在高速列车上安装的受电弓模型，这也是本次课程设计的立足点及最终目的。1.2 文献综述现在列车已经逐渐由内燃机车向电力机车发展转变，而在电力机车中，受电弓的作用是显而易见的：受电弓是列车接受来自电网电能的部件，安装在机车或动车的车顶上，它是通过弓头上的导电滑板与电网接触受电
7、来发挥作用的。正因为受电弓的重要作用，所以对它的研究也一直没有停止，国内外多年来一直都有专业人士在从事受电弓的设计与优化。对于高速受电弓，除了与普通受电弓相同的诸如磨耗小，可靠性高，运营和维修费较低的一般技术要求外，还应该具有以下更为严格的特点：（1） 受流可靠。列车运行速度提高后，受电弓沿接触网导线移动的速度大大加快，接触网与受电弓的接触特性更加复杂。因此要求受电弓在高速滑动时受流可靠，即要求离线率小，接触压力尽可能保持恒定。（2） 受电弓重量需要降低。运行中受电弓会随着接触导线不平顺而上下波动，高速运动将使这种运动加剧，从而影响受流质量。由于弓-网接触压力与受电弓静态特性和动态特性直接相关
8、，因此，对于高速受电弓，在保证强度和刚度的前提下，应降低受电弓运动部分的质量，从而减小运动惯性力，保证弓-网接触良好。（3） 良好的空气动力学性能。高速列车运行时所受的空气阻力较常规列车大很多。安装在车顶的受电弓是车体突出部分，必须采取相关措施提高受电弓空气动力学性能，即减小空气动力学作用对受流的影响，减小空气阻力和气动噪声。（4） 采用单弓受流。理论计算和实际运用表明，基于减小空气阻力、噪声，避免接触网波动的角度出发，现代高速列车应该采用单弓受流。目前我们CRH系列动车组所采用的是DSA250型受电弓（如下图），该受电弓采用轻量化优质材料，具有良好的机械和动力学性能，受电弓滑板采用纯硬碳材料
9、，对接触网起到保护作用。图1.2.1 DSA250型受电弓 上面提出了很多的高速受电弓的设计要求，所以在设计时候应进行更为严格的分析计算，本为提出几种受电弓的设计方案并最终采用了目前应用广泛的单臂受电弓的连杆机构，之后对其重新进行了主动件的选取及尺寸的设计（包括升弓机构和平衡杆机构）。1.3 设计的技术要求及指标为了能够在结构尺寸，受力分析以及受电弓性能的稳定性上进行研究与分析，从而构建出能够适合在高速列车上安装的受电弓模型，我们所设计的受电弓必须满足以下的要求：1， 进行仿真时各部分动作连续，结构紧密，能够连续的完成升弓和降弓的动作。2， 在升弓和降弓，弓头偏离所设计的理想轨迹的距离不宜过大
10、，弓头的最大角位移也不得太大。3， 为了达到效率最大，节约能源的目的，弓头的传动角必须合理（最好大于或等于30）。4， 为了使受电弓维修方便，便于安装，节约原材料的目的，要让设计的受电弓结构尽可能的简单。5， 为使受电弓的结构尽可能的简单，应使受电弓的自由度只有一个。6， 受电弓的整个工作过程应该安全可靠。2 机构选型2.1 设计方案的提出2.1.1连杆机构 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运动，而且要使弓头在运动的过程当中的理想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，上下偏差要尽可能的小，而且要保证弓
11、头的角位移偏差也要尽可能的小。因此对连杆机构的要求是：1， 尽量保证弓头的轨迹为一条竖直的直线，而且要让弓头的角偏差也要尽可能小，都在误差允许范围内。2， 连杆机构的结构要尽可能的简单，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）。3， 要是连杆机构的传动角大于或等于30度。根据上面的要求，可以设计出不同的连杆机构：方案一：平面RR开链机械臂图2.1.1 平面RR开链机械臂工作原理：平面RR开链机械臂工作时，下杆作圆周运动，而上杆作摇摆运动，下杆运动时，确保上杆的运动轨迹在图中所画的中心线轨迹上作竖直运动。 优缺点：平面RR开链机械臂结构简单，占用的空间小，但在运动过
12、程中由于杆的支少，容易发生上下的偏离，不容易在最高点稳定，而且在列车高速运动过程中容易发生角偏转，从而有角位移。方案二：滑块连杆组合机构图2.1.2滑块连杆组合机构工作原理：当2杆作为主动件，整体结构都会向上并且向右运动，此时7杆的长度不能改变，则会让5和6杆慢慢的在铰链处产生一个角度，此时中间四边形水平对角线就会变短。即CD的长度就会变短，会使弓头上升，且行程为竖直向下的直线。优缺点：这种结构能够在受电弓的顶部保持稳定的，因而不容易在列车高速运行当中保持固定不变，而且能够使弓头的运动轨迹保持为一条直线，但是美中不足的是该机构的结构比较复杂连杆较多，在实现的过程中比较困难。方案三：曲柄滑块机构图2.1.3曲柄滑块机构工作原理：当滑块沿着倾斜的轨道运
