【正文】 xyyxxyyxyyxxyxxyx???????????????? 采用逆向設(shè)計(jì)的方法，先確定設(shè)計(jì)的尺寸，然后利用仿真軟件直接模擬出點(diǎn) E的運(yùn)動軌跡，或者 matlab 軟件解出上面的方程；對點(diǎn) E 的運(yùn)動進(jìn)行分析，并驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。 CD 桿， AB 桿的運(yùn)動約束方程分別是： ???????????????????212122212122)()()()()()()()(DCDCDCiDCiABABABiABi yyxxyyxx yyxxyyxx 另外，又由于 E 點(diǎn)在豎直線上運(yùn)動，因此 E 點(diǎn)的坐標(biāo) E 點(diǎn)的軌跡來求出的，然后可利用 E 點(diǎn)建立位移矩陣來求出點(diǎn) B 和點(diǎn) C 的坐標(biāo)。 10 弓頭 弓頭的設(shè)計(jì)選圖中所示的結(jié)構(gòu)。 我們采用的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 弓頭機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)方案的確定 連桿機(jī)構(gòu) 方案一設(shè)計(jì)簡單， 但結(jié)構(gòu)占用空間大 ，而且在運(yùn)動過程當(dāng)中不容易保持穩(wěn)定。 優(yōu)缺點(diǎn)：鉸鏈三桿機(jī)構(gòu)能夠確保弓頭在最高點(diǎn)能穩(wěn)定下來，因?yàn)闂U 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，這種設(shè)計(jì)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，不占用空間。 優(yōu)缺點(diǎn)：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 8 運(yùn)行當(dāng)中保持固定不變，而且能夠使弓頭的運(yùn)動軌跡保持為一條直線，但是美中不足的是該機(jī)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜連桿較多，在實(shí)現(xiàn)的過程中比較困難。 根據(jù)上面的要求，可以設(shè)計(jì)出不同的連桿機(jī)構(gòu)： 方案一：平面 RR 開鏈機(jī)械臂 7 圖 平面 RR 開鏈機(jī)械臂 工 作原理：平面 RR 開鏈機(jī)械臂工作時，下桿作圓周運(yùn)動，而上桿作搖擺運(yùn)動，下桿運(yùn)動時，確保上桿的運(yùn)動軌跡在圖中所畫的中心線軌跡上作豎直運(yùn)動。 2 機(jī)構(gòu)選型 設(shè)計(jì)方案的提出 連桿機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu)是整個受電弓設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)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(yùn)動，而且要使弓頭在運(yùn)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(diǎn)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。 ）。 圖 DSA250 型受電弓 上面提出了很多的高速受電弓的設(shè)計(jì)要求，所以在設(shè)計(jì)時候應(yīng)進(jìn)行更為嚴(yán)格的分析計(jì)算，本為提出幾種受電弓的設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)（包括升弓機(jī)構(gòu)和平衡桿機(jī)構(gòu)）。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。運(yùn)行中受電弓會隨著接觸導(dǎo)線不平順而上下波動， 5 高速運(yùn)動將使這種運(yùn)動加劇，從而影響受流質(zhì)量。 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(yùn)營和維修費(fèi)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(diǎn)： （ 1） 受流可靠。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。 （ 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 ” 。此款集電弓的好處是比雙臂式集電弓噪音為低。 （ 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，脫離接觸網(wǎng)。 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） 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。所以此款集電弓主要用于高速鐵路車輛。 在普通列車上使用的受電弓已經(jīng)基本能滿足我們運(yùn)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(shí)用與高速列車的受電弓就顯得尤為重要。正因?yàn)槭茈姽闹匾饔茫詫λ难芯恳惨恢睕]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(jì)與優(yōu)化。 （ 2） 受電弓重量需要降低。高速列車運(yùn)行時所受的空氣阻力較常規(guī)列車大很多。 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(jī)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。 3， 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 30176。 6， 受電弓的整個工作過程應(yīng)該安全可靠。 3， 要是連桿機(jī)構(gòu)的傳動角大于或等于 30 度。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。 方案四：鉸鏈三桿機(jī)構(gòu) 圖 鉸鏈三桿機(jī)構(gòu) 9 工作原理：桿 3 為主 動件，桿 3 運(yùn)動的過程當(dāng)中，帶動桿 2 向右運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)桿 1 的緩慢的上下運(yùn)動，從而保證弓頭的軌跡為豎直直線。 2,為了保護(hù)弓頭在運(yùn)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。方案四，結(jié)構(gòu)簡單，并且在運(yùn)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。 可以根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，找出運(yùn)動約束條件建立約束方程。 這樣方程的未知數(shù)只有： 111115141312 , CCBB yxyx???? ，一共八個未知數(shù)可以進(jìn)行求解。 平衡桿機(jī)構(gòu)計(jì)算模型計(jì)算 平衡機(jī)構(gòu)是受電弓連桿機(jī)構(gòu)中另外一塊很重要的組成部分，在升弓和降弓的運(yùn)動當(dāng)中起到平衡的作用，下面我們對確定平橫機(jī)構(gòu)的尺寸。 可取 792，180 ?? ECAB LL ，代入計(jì)算可以得出 ??? 弓頭機(jī)構(gòu)的計(jì)算 16 圖 弓頭機(jī)構(gòu) 在弓頭這部分，由于機(jī)構(gòu)比較簡單，根本沒有什么計(jì)算部分，因此我們在設(shè)計(jì)這部分的時候主要是根據(jù)弓頭這部分的實(shí)際長度并結(jié)合我們在前面計(jì)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(jì)算的。據(jù)跟這些要求對受電弓尺寸進(jìn)行優(yōu)化。 19 圖 ． 2 連桿機(jī)構(gòu)示意圖 對于連桿機(jī)構(gòu)， 進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析的順序?yàn)椋? 讓風(fēng)缸對桿 BF 一個外力為 F ,利用杠桿原理可以求出點(diǎn) B 受到的力為 1F , ?sin1 FLLF AFBA? ，其中 ? 為風(fēng)缸與桿 BF 的夾角（圖中沒有標(biāo)出來），測出點(diǎn) 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(diǎn) C,點(diǎn) D,點(diǎn) E 受到的力，并且測出他們的變化曲線。 可以求出點(diǎn) E 的坐標(biāo) ? ?EE yx , ,然后比較 Ex 偏離 0 的大小，線偏離也就是maxmaxmax 0 EE xxl ??? 的大小。轉(zhuǎn)了 7秒，分 500 步進(jìn)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的運(yùn)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 帶電機(jī)驅(qū)動的運(yùn)動簡圖 21 圖 上升到最高點(diǎn)的示意圖 上圖中右側(cè)的轉(zhuǎn)動副就是電機(jī)的簡圖，起到提供驅(qū)動力的作用。 連桿機(jī)構(gòu)的傳動角 變化曲線 在上面的分析計(jì)算中已經(jīng)保證了就對整個運(yùn)動過程中的傳動角進(jìn)行驗(yàn)證。 22 圖 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 30176。 連桿機(jī)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(yùn)動軌跡線： 圖 受電弓多位置變化圖 （ 1）：對主動件桿 AB 的受力運(yùn)動分析。 （ 2）對 桿 CBE 進(jìn)行運(yùn)動分析 24 圖 桿 CBE 的位移變化曲線 可以看出桿 CBE 在 Y 方向上的位移隨著桿向上運(yùn)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(jì)一樣，減少在 X 方向偏轉(zhuǎn)，盡量使弓頭在一條豎直線上運(yùn)動。 點(diǎn) E 的角偏移量的仿真： 26 圖 弓頭的線偏移量與上升量的 曲線圖 隨著弓頭的上升，點(diǎn) 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(jì)的要求。小的多，說明我們設(shè)計(jì)的尺寸在保持弓頭的水平方面起到了很好的效果。 圖 弓頭滑板草圖 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。 圓環(huán)倒圓角 2mm。 30 圖 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。 32 圖 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。 圖 連架桿機(jī)構(gòu) （ 4）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。 圖 升弓桿 建模 （ 4） 拉伸如左下所示草圖， 選擇拉伸實(shí)體平面為草圖繪制平面， 拉伸厚度 75mm。 （ 8）倒圓角 （ 9）得到升弓桿機(jī)構(gòu)如下圖所示。 圖 升弓桿 建模 （ 4）得到平衡桿機(jī)構(gòu)如下圖所示。 定義伺服電動機(jī)，重力。 42 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。 43 弓頭機(jī)構(gòu)的有限元分析 圖 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。 45 圖 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?？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。 48 圖 下臂桿最大應(yīng)力分布 下臂桿最大應(yīng)力 1600Mpa,可以看出最大應(yīng)力主要分布在桿的中間部分。 圖 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。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(jì)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(shí)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。在建模的過程當(dāng)中，由于 剛接觸 SolidWorks，很多功能 都不知道 ，只好邊學(xué)邊用，盡管模型有點(diǎn)簡單，不是很完 美，但是面對著自己建出來的模型，仍然感到很驕傲，在對模型的尺寸分析的過程當(dāng)中，借鑒了一些網(wǎng)上， 以及前人一些資料的數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械原理，一個一個計(jì)算出來。 在這個過程當(dāng)中檢索了大量的資料，翻閱了大量的書籍，這些都提高了我們 搜集資料的能力，同時這個過程讓我接觸到了新的知識，提高了自學(xué)能力。殷益駿在 MATLAB計(jì)算時給我提供了很大的幫