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2023年6月
受電弓是電力機車、電動車輛從接觸網導線上受取電流的一種受流裝置。它通過絕緣子安裝在電力機車、電動車輛的車頂上，當受電弓公升起時，其滑板與接觸網導線直接接觸，從接觸網導線上受取電流，通過車頂母線傳送到機車內部，供機車使用。對於電力機車，要使機車與鐵路電網保持良好的接觸，保證列車安全穩定執行，電網的壽命足夠長，就需要設計一種受電弓機構來把機車牽引電機與鐵路電網連線起來。
這就要求輸送電力的受電弓在工作時滿足以下要求：
（1） 受電弓公升弓，接近電線的速度應較慢；受電弓收弓是離線的速度應較快。以避免弓與高壓線之間產生高壓電弧，燒壞弓頭及電線，影響安全。
（2） 又因高壓線在重力作用下使得兩電線桿之間的電線呈向下垂的趨勢，從而受電弓在機車執行中的高度也必須隨其變化，要保持弓與導線良好的接觸，就要求整個受電弓對機車的響應比較快。
（3） 隨著現代社會的快速發展，列車也得朝著高速舒適的方向發展。這就
對受電弓的效能有更高的要求。
設計要求：
(1) 在弓頭上公升、下降的行程內，偏離理想化直線軌跡的距離不得超過,弓頭擺動最大角位移不得超過。
(2) 在任何時候，弓頭上部都是整個機構的最高處。
(3) 只有乙個自由度，用風缸驅動。
圖機構運動範圍圖
（4）收弓後，整個受電弓含風缸不超過下圖虛線所示的區域。如圖所示。
（5）最小的傳動角大於或等於。
（6）垂直於速度方向上，最大尺寸不超過。
除此之外，還需注意的是：①受電弓公升弓時，接近電線時的速度應較慢；受電弓收弓時離線的速度應較快。因為這樣可避免弓線之間產生高壓電弧，燒壞弓頭及電線，影響弓線的接觸效能。
②整個受電弓對原動機的響應速度要快。因為沿鐵路的電網線的高度是週期變化的，故受電工在機車執行的整個過程中的高度也必須隨其變化，要保持弓線良好接觸，就要整個受電工對原動機的響應速度比較快。
由於設計要求中機構收弓時必須在規定的虛線區域，傳動角大於或等於且只有乙個自由度可知：在連桿、凸輪、齒輪中選擇連桿機構，而且連桿之間所行成的低副可設計成面接觸，從而可使機構穩定，承載能力大。
圖 3-1菱形機構簡圖
如圖3-1所示，可以直觀的看到此機構為一對稱的機構，,因而能保證c點的軌跡為一嚴格的直線。若以機構收弓後所滿足的條件，即在1400×400 區域範圍內來設計桿長，如圖3-2所示的極限情況。
圖 3-2菱形機構運動簡圖
點與點重合，，這幾個桿件使點到達的最高位置是，而且其傳動角也不符合要求，可見這又是此機構的缺點。
圖 3-3鉸鏈四桿機構
此機構較簡單，適當設計各桿的桿長，可保證點的軌跡為一近似的直線，且軌跡與理想直線偏離的距離小與。另外，傳動角可始終大於。
圖 3-4平行四邊形機構簡圖1
如圖3-4，此機構利用兩個一樣的平行四邊形組合而成，。當滑塊向左移動時杆逆時針轉動，杆左移，四邊形亦左移，但同時杆和杆分別繞點、點轉動，杆相對杆右移。這樣就能保持fe杆的軌跡為一條嚴格的直線，這就是此機構的優點所在。
現在，如果我們以最小傳動角大於或等於來設計機構的桿長，假設收弓時點和點之間的距離取最大，即等腰的底邊為，頂角為，如圖3-5所示。
圖 3-5 平行四邊形機構簡圖2
由幾何關係可求得。這意味著當點，點和點三點共線時的總高度為。所以此機構的傳動角不能滿足要求。這就是此機構的缺點。
滑塊同時對稱運動，由平行四邊形特性可得點必定沿圖所示的虛線移動，滿足受電弓直線上公升的要求。
分析其極限位置，當滿足最小傳動角不小於時，收弓後點到的距離為，,則
那麼點最高位置距距離為
與方案三存在同樣的制約因素，不符合設計要求。
圖雙滑塊式機構圖
綜合上述，比較這三種方案的優缺點，可知方案三可大體滿足要求，並且，適當設計各桿長比，還可使機構收弓時在1400×400mm區域內，公升弓時的行程為1550mm。
結論：選擇方案二———鉸鏈四桿機構。
因機構要求有直線軌跡，所以採用平面連桿機構運動設計的位移矩陣法來設計機構的各桿長度。這裡有兩種方法可供選擇和參考：
方法一：由burmester理論可知：當連桿是由兩個轉杆導引時，平面四桿機構可實現精確位置的最大數目為5。
當不考慮運動副間隙和構件的彈性變形時：
則我們可以在的軌跡上取5個點，以兩點的座標以及的轉角為設計變數，然後根據實際情況自取兩點，同樣用剛體位移矩陣方程，可得到8個非線性方程，可解出這8個設計變數。
方法二：由剛體位移矩陣方程進行計算：
在的軌跡上取9個點，以四點的坐以及連桿的轉角等16個變數為設計變數，利用剛體位移矩陣方程，可得到16個非線性方程，可解出這16個變數的值。
比較兩種方案之後可以發現：
利用方法二可得到與直線較接近的軌跡，但是，用此種方法難以控制機構的大小，機構很容易超出的區域範圍。
利用方法一得到的軌跡不如方法二所得到的軌跡理想，偏離理想直線的距離可能較大，但是在這種方法中可自定兩點，這樣就可以人為的控制機構的大小，使之不超過的區域範圍。
即選用方案一來進行機構的尺度綜合。
設計步驟如下：
1.在1400×400內給定（371,175），（126,365）。
在理想直線軌跡附近取五點（0，400）；（1.90,701.35）；（-7.
24,983.89）；（-33.76,1546.
52）；（3.11,1952.46）。
2. 寫出連桿的位移矩陣方程：
4－1)
則b，c兩點的的位置可表示為：
4－2)
4－3)
3. 由杆長為定值， 寫出杆和杆的約束方程：
4－4)
(4－5)
4. 把（4－2），（4－3）分別代入（4－4），（4－5）兩式中，可得8個非線性方程，而方程有8個設計變數，利用matlab解方程（程式附附錄1中），解得：
5. 由求出的各點的座標算出各桿桿長
由第2章的要求可知，本機構只有乙個自由度，用風缸驅動。但是用風缸作為原動件，最後可有不同的方式作用到機構上，直接或者間接形式。因為機構的軌跡四桿機構本身決定，所以驅動方式對機構的運動軌跡並無影響，它只會影響機構的運動速度與加速度。
這裡具體分成直接形式和者間接形式。
風缸活塞桿直接驅動機構，如圖所示。
圖風缸活塞桿直接驅動機構圖
風缸的活塞桿直接推動連桿，使繞點轉動。一般情況下可控制風缸的伸出速度為勻速，而杆的轉速則只能為變速運動。
圖5-2 機構運動簡圖
由圖所示，根據剛體運動知識和幾何學知識， 的角速度在公升弓過程中會不斷遞增和傳動角大於或等於為原則，試可取。
1、機構的初始位置，可算得：
把，，代入上式中，可算出：
點的座標為（667.42，194.71），
點的座標為（556.8，409.14）。
2、算點的座標
由點和點的位置關係可得到如下方程
把（667.42，194.71），（556.8，409.14），，
代入方程中得到：
3、由點和點的位置可算出風缸伸出的長度
計算得到：
所以活塞在風缸中的移動距離為：
4、確定風缸中活塞運動速度
由於受電工在工作中的反應速度要盡可能的快，但是速度過快，整個機構加速度也增加，對電網衝擊會太大，經常這樣會使電網的壽命縮短：但是如果速度過慢，則機車的啟動時間延長，驅動氣幫浦所用蓄電池的放電時間比較長。綜合上面兩方面的因素考慮，受電弓公升弓的時間一般低於。
假設取時間則風缸驅動速度為：
圖 5-3風缸活塞桿推動方式
如上圖5-3，因為風缸作為驅動件，通常它的運動特點為直線運動，而這裡用於驅動機構的方式為勻速圓周運動，所以我們要把風缸的直線運動先轉變為勻速轉動，再加在杆上。把直線運動轉變為轉動的機構很多，如曲柄滑塊機構，齒輪——齒條機構等。
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