可變速參數(shù)優(yōu)化與三維建模方法研究畢業(yè)論文

1、論文編號： 論文題目：可控變速裝置參數(shù)優(yōu)化與三維建模 方法研究 畢業(yè)論文（設計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設計）是我在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設計）授權使用說明本論文（設計）作者完全了解*學院有關保留、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定，學校有權保留論文（設計）并向相關部門送交論文（設計）的電子版和紙質(zhì)版。有權將論文（設計）用于非贏利目的的少量復制并允許論文（設計）進入學

2、校圖書館被查閱。學?？梢怨颊撐模ㄔO計）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設計）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導教師簽名： 日期： 日期： 注 意 事 項1.設計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。

3、4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂摘 要近十幾年來，以計算機為工具、以數(shù)學規(guī)劃論為理論基礎發(fā)展起來的優(yōu)化設計方法在機械工程設計中得到了廣泛應用。但

4、是，將優(yōu)化設計與計算機輔助制圖相結(jié)合，實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化與自動自動化結(jié)構(gòu)設計的應用軟件還不多見。帶式輸送機是當前最重要的散狀物料輸送設備之一，驅(qū)動裝置是它的關鍵部件，先進的帶式輸送機驅(qū)動裝置不僅對整機運行性能影響顯著，而且對帶式輸送機的制造和使用維護成本具有決定性作用。為了進一步提高其整體設計質(zhì)量，縮短設計周期，降低設計與制造成本，實現(xiàn)優(yōu)化設計與三維參數(shù)化建模的自動化和一體化，對帶式輸送機可控變速裝置的優(yōu)化設計方法及參數(shù)化建模方法進行深入系統(tǒng)的研究，具有重要的理論價值和實際意義。本文針對帶式輸送機可控變速裝置的結(jié)構(gòu)特點，認真研究了以下三個方面的問題：（1）基于帶式輸送機可控變速裝置的工作原理和功能要

5、求，對其進行了運動學、動力學分析、傳動效率分析以及蝸桿傳動機構(gòu)的傳動特性分析。（2）結(jié)合可控變速裝置機械傳動系統(tǒng)主要組成零件大都已經(jīng)標準化的特點，以傳動系統(tǒng)總體積為目標函數(shù)，以取離散值或整型值的參數(shù)為設計變量，并從幾何約束和性能約束兩方面給出了約束條件，建立了可控變速裝置離散優(yōu)化設計的數(shù)學模型。采用改進枚舉法進行優(yōu)化計算，獲得了比較合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。（3）以visual basic6.0為二次開發(fā)工具，編制優(yōu)化計算程序，并以 solidworks的三維建模功能為基礎，實現(xiàn)了帶式輸送機可控變速裝置的參數(shù)優(yōu)化與三維自動建模的一體化設計。關鍵詞：帶式輸送機 可控變速裝置 優(yōu)化設計 參數(shù)化建模 abs

6、tractin recent decades, the optimization design method that grew from taking computer as tool and mathematical programming as method has been widely used in mechanical design, structural design, chemical engineering, aviation, shipbuilding and other fields. the belt conveyor is one of the most impor

7、tant transportation facilities that carries dispel goods, and driving device is its key part. in order to further improve its overall design quality, shorten design cycle, reduce design and manufacturing costs, realize automatization and integration of optimization design and three-dimensional param

8、etric modeling, this thesis has studied on optimization design and parametric modeling methods of controlled speed drive of the belt conveyor, in virtue of solidworks2007 and program language visual basic6.0 which object oriented and visual oriented as a secondary developed tool. the main content in

9、cluded as follow: firstly, kinematics, dynamics and transmission character of the controlled speed drive has been analyzed; secondly, considering the features that most parts of mechanical transmission device of the controlled speed drive have been standardized, discrete mathematical model is establ

10、ished, taking the total volume of drive system as the objective function, discrete values or integer values of parameters as design variables ,geometric constraint performance constraint as constraint condition. using enumeration method, optimization solver is programmed in visual basic. finally, in

11、tegrating the object oriented, visual oriented character of visual basic6.0 and perfect drawing function of solidworks2007 as a whole, this thesis designed systems for involute gear and planetary parameterized modeling.keywords: belt conveyor; controlled speed drive; optimization design; parameteriz

12、ed model目錄摘 要iabstractiii目錄v1 引言11.1研究背景11.2研究的目的和意義21.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3.1國外研究現(xiàn)狀41.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀51.4課題來源與研究內(nèi)容62 帶式輸送機可控變速裝置的特點72.1概述72.1.1軟啟動72.1.2理想軟啟動曲線72.1.3常用軟啟動裝置102.2帶式輸送機可控變速裝置的組成及工作原理112.2.1帶式輸送機可控變速裝置的組成122.2.2帶式輸送機可控變速裝置的工作原理142.3本章小結(jié)163 可控變速裝置運動學、動力學分析173.1運動學分析173.1.1行星傳動機構(gòu)運動學分析183.1.2系統(tǒng)運行曲線223.2

13、動力學分析233.2.1行星傳動機構(gòu)動力學分析233.2.2帶式輸送機可控變速裝置的輸出特性263.3蝸桿傳動機構(gòu)的傳動特性分析263.3.1蝸桿齒面數(shù)學模型的建立273.3.2蝸桿傳動機構(gòu)的受力分析293.3.3蝸桿傳動機構(gòu)的自鎖條件分析323.3.4蝸桿傳動機構(gòu)的驅(qū)動力矩分析343.4傳動效率分析343.4.1行星齒輪傳動效率分析343.4.2蝸桿傳動效率分析363.5本章小結(jié)374可控變速裝置優(yōu)化設計394.1離散優(yōu)化設計的數(shù)學模型394.1.1設計變量404.1.2目標函數(shù)404.1.3約束條件424.2優(yōu)化求解及實現(xiàn)484.2.1優(yōu)化方法選用484.2.2程序編制494.3本章小結(jié)5

14、25可控變速裝置參數(shù)化建模535.1參數(shù)化模型的建模方法535.2 三維繪圖軟件及其二次開發(fā)技術545.2.1二次開發(fā)原理545.3.2二次開發(fā)思路555.3漸開線齒輪參數(shù)化建模565.3.1 主要思路565.3.2 漸開線齒輪建模575.3.3三維模型程序的編制585.3.4建模程序與應用軟件的連接605.3.5程序運行結(jié)果605.4 行星傳動機構(gòu)參數(shù)化建模615.4.1行星齒輪傳動的特點615.4.2行星齒輪傳動機構(gòu)參數(shù)化建模的基本思路625.4.3界面設計625.4.4程序設計635.4.5程序運行結(jié)果665.5本章小結(jié)686總結(jié)與展望696.1全文總結(jié)696.2展望70參考文獻711

15、引言1.1研究背景帶式輸送機自1795年被發(fā)明以來，經(jīng)過200多年的發(fā)展，已被電力、冶金、煤炭、化工、礦山、港口等各行各業(yè)廣泛采用，特別是第三次工業(yè)技術革命后新材料、新技術的采用，帶式輸送機的發(fā)展步入了一個新紀元。當今，無論從輸送量、運距、經(jīng)濟效益等各方面來衡量，它已經(jīng)可以同火車、汽車運輸相抗衡，成為各國爭先發(fā)展的行業(yè)。帶式輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單、輸送量大、輸送物料范圍廣泛、運距長、裝卸料方便、可靠性高、運費低廉、自動化程度高等特點1，它的優(yōu)越性已十分明顯，是國民經(jīng)濟中不可缺少的關鍵設備。近年來，隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，綜合機械化采煤工藝的推廣應用使得礦井的開采量和運輸量日益增大，從而長距離

16、、大運量、大功率輸送設備的需求量越來越大2。單機總功率達到5000kw、輸送長度達到10km以上、運量超過5000t/h、運行速度超過5-6m/s的帶式輸送機已經(jīng)在煤礦得到了實際應用2。然而，長距離、大運量、高速度的帶式輸送機如采用傳統(tǒng)的直接啟動方式，由于啟動時間為13s，啟動加速度大于0.3,會產(chǎn)生如下問題：（1）啟動時打滑問題 由于大型帶式輸送機的長度和功率較大，如果啟動時間過短，易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為了消除打滑現(xiàn)象保證有效啟動，增大輸送帶與滾筒間的摩擦力，必須提高張緊裝置的初張力，由此相關連接部件的受力加大，對強度和剛度要求增加，提高了整機的初期投資。（2）振動問題 帶式輸送機在運行過程中存

17、在著諸如輸送帶的縱向、橫向、側(cè)向振動，動力裝置、滾筒和托輥等旋轉(zhuǎn)部件的振動，裝卸載時物料的沖擊振動以及基礎的振動等各種形式的振動，這些振動對于大型帶式輸送機來說表現(xiàn)得更為明顯和強烈。當它們作用于輸送帶時會引起動態(tài)響應而導致速度、加速度以及張力的變化，從而產(chǎn)生較大的動載荷，影響元部件、輸送帶以及整機的穩(wěn)定性和使用壽命4。（3）瞬態(tài)沖擊大問題 啟動時產(chǎn)生的動態(tài)初張力會降低輸送帶的使用壽命，可能引發(fā)斷帶事故。為了保證輸送帶運行可靠，必須提高輸送帶的強度等級，相應加大了輸送帶的初期投資。同時，提高輸送帶的強度等級還必須相應加大滾筒的直徑，以滿足輸送帶最小彎曲半徑的要求，從而又加大了機械加工件的初期投資

18、。（4）電動機功率增加問題 由于啟動時間過短，啟動力矩大，容易發(fā)生燒毀電機的事故，考慮電動機的選型時要相應提高安全系數(shù)，增加了正常使用的能耗。此外，大功率電動機在較短的時間啟動運行，對周邊環(huán)境電網(wǎng)的沖擊巨大，其負面影響是無法容忍的。由此可見，啟動問題對帶式輸送機尤其是大型帶式輸送機來說，是一個關鍵的技術，它不僅對啟動性能產(chǎn)生直接影響，而且還可以降低輸送機的成本，因此必須對啟動加以控制。驅(qū)動裝置是帶式輸送機的心臟，從某種程度上來說，驅(qū)動裝置的性能就決定了輸送機的性能。解決上述問題的有效方法就是合理和最佳地確定大型帶式輸送機的驅(qū)動方式。作為帶式輸送機的關鍵技術5之一，可控啟動技術或軟啟動技術6應運

19、而生。實現(xiàn)軟啟動和軟停車是解決大型帶式輸送機上述問題的有效措施?！败泦印笔侵笝C械設備在空、重載工況下，能夠逐步克服整個系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動，而這種啟動是可控的7。對于帶式輸送機而言，“軟啟動”不僅能夠大幅度減輕傳動系統(tǒng)本身所受到的啟動沖擊，延長輸送機關鍵零部件的使用壽命，同時還能大大縮短電動機啟動電流的沖擊時間，減小對電動機的熱沖擊負荷及對電網(wǎng)的影響，從而節(jié)約電力并延長電動機的工作壽命。帶式輸送機可控變速裝置是一種新型的軟啟動裝置，能很好的解決大型帶式輸送機工作過程中產(chǎn)生的問題。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動、軟停車、過載保護、溫度保護、檢帶運行、多機驅(qū)動功率平衡等功能，而且具有結(jié)構(gòu)設計新穎、制造成

20、本低、備件購置方便、維護和日常運行費用低等特點，因而它是一種比較理想的軟啟動裝置。帶式輸送機可控變速裝置在國外已經(jīng)被廣泛應用，但到目前為止國內(nèi)這種產(chǎn)品應用還比較少。鑒于目前煤炭工業(yè)發(fā)展的迫切需要，急需開展關這方面的研究開發(fā)及推廣工作。1.2研究的目的和意義對可控變速裝置的研究開發(fā)及推廣必須借助于cad/cam技術。cad/cam技術是隨著信息技術的發(fā)展而形成的一門新技術，它的應用引起了社會和生產(chǎn)的巨大變革，因此cad/cam技術被視為20世紀最杰出的工程成就之一8。隨著市場競爭的日益激烈及全球市場的形成，對制造業(yè)來說，21世紀企業(yè)競爭的核心將是新產(chǎn)品的開發(fā)能力及制造能力，cad/cam技術作為

21、提高產(chǎn)品設計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的強有力手段，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)中的關鍵技術，它的應用和發(fā)展直接影響著現(xiàn)代制造系統(tǒng)的最終功能及實現(xiàn)9。cad/cam技術的發(fā)展和應用水平已成為衡量一個國家科學技術現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一，它是促進科研成果開發(fā)與轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)設計制造一體化、自動化，加快國民經(jīng)濟發(fā)展的一項關鍵技術，也是進一步想計算機集成制造系統(tǒng)發(fā)展的基礎10 11。長期以來，國內(nèi)許多企業(yè)和高校的cad應用與開發(fā)大都停留在二維階段12，然而，實際中設計人員在使用cad技術時產(chǎn)品的設計思維都是基于三維空間的。因為機械產(chǎn)品是具有顏色、材料、形狀、尺寸、位置以及運動關系等概念的三

22、維實體，制造對象也是三維實體，而利用二維視圖描述、傳遞產(chǎn)品信息由于存在著繪圖、讀圖與理解等過程，易造成信息表達不完整、理解不一致的問題。為解決這些問題，對產(chǎn)品進行三維實體建模就成為必然的發(fā)展趨勢13，這也有利于后續(xù)的有限元分析、裝配模擬和數(shù)控加工等工作的順利開展，是實現(xiàn)設計制造一體化、自動化不可缺少的重要環(huán)節(jié)14 15。為了進一步提高帶式輸送機可控變速裝置的整體設計質(zhì)量、縮短設計周期、提高設計效率、降低設計成本與制造成本就需要對其進行優(yōu)化及參數(shù)化設計。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在的三維模型已經(jīng)是可以進行參數(shù)化設計的以特征為基礎的實體模型。參數(shù)化以其基于特征、全參數(shù)全相關、全尺寸約束和尺寸驅(qū)動設計修改等

23、優(yōu)勢，受到人們的廣泛青睞。參數(shù)化技術的提出，令cad技術實現(xiàn)了劃時代的技術革命，使人們逐步認識到參數(shù)化三維造型系統(tǒng)的魅力。用這些模型可以進行自動編程、零件裝配、模具設計和產(chǎn)生工程圖等16。近年來，由于優(yōu)化設計方法在一般機械設計過程中不斷取得應用成功的經(jīng)驗，因而，在cad系統(tǒng)中引入了優(yōu)化設計方法及其軟件。實踐證明，在機械設計中采用優(yōu)化設計方法，不僅可以減輕機械設備自重，降低材料消耗與制造成本，而且可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能。本文以可靠性工程、離散數(shù)學、規(guī)劃論及計算機技術為基礎，對帶式輸送機可控變速裝置的優(yōu)化設計方法及三維建模方法進行研究。以 visual basic6.0為二次開發(fā)工具，借助s

24、olidworks2007的三維建模功能，在對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化的基礎上，實現(xiàn)了帶式輸送機可控變速裝置的機械傳動系統(tǒng)及其零部件的三維參數(shù)化建模，為帶式輸送機的整機優(yōu)化和參數(shù)化設計，提供了理論依據(jù)和有參考價值的實現(xiàn)方法。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀國外從20世紀60年代初就展開了運用cad/cam技術對齒輪類零件和以該類零件為主要傳動件的變速裝置的優(yōu)化設計、參數(shù)化繪圖、三維建模等方面的研究工作，較具代表性的主要有：英國格拉斯哥大學（university of glasgow）的j.angeles和gonzalez-palacios教授以及里茲大學（university of leed

25、s）的faydor l.litvin教授等根據(jù)模糊數(shù)學的基本理論，為新型2k-h少齒差行星圓柱齒輪減速器提供了一種模糊優(yōu)化設計方法17。以減小體積和提高效率為目標建立了模糊優(yōu)化設計的數(shù)學模型，運用最優(yōu)水平截集法和常規(guī)優(yōu)化方法對模型進行優(yōu)化求解，并運用solidworks對該傳動機構(gòu)是否干涉進行了模擬18。法國格勒諾布爾大學（university of grenoble）的tsay, a.g.和r.t.三位教授進行了基于特征的參數(shù)化齒輪系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究19 20。在對漸開線圓柱齒輪進行模糊可靠性優(yōu)化設計后，將優(yōu)化結(jié)果作為齒輪參數(shù)輸入到齒輪輪廓生成對話框,從而生成三維圖形，為裝配設計、運動學與動

26、力學仿真、性能分析以及數(shù)控加工作好了準備,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。并以vb為二次開發(fā)工具,實現(xiàn)了圖紙布局智能化、齒輪輪廓的自動生成。運用autolisp開發(fā)出了齒輪圖形庫，既方便了圖形的管理,又減少了重復性勞動,實現(xiàn)了優(yōu)化設計與特征參數(shù)化造型的結(jié)合。美國羅徹斯特理工學院（rochester institute of technology）的egelja教授進行了蝸桿傳動的動態(tài)特性分析及其cad系統(tǒng)的研究工作21。以中心距最小為目標函數(shù)建立數(shù)學模型并優(yōu)化求出蝸桿傳動機構(gòu)的主要參數(shù)（模數(shù)、齒數(shù)等），然后利用ug軟件和優(yōu)化結(jié)果完成了蝸桿機構(gòu)的參數(shù)化繪圖以及三維實體的造型工作。芬蘭坦佩雷大學（tampere

27、 univ. of technology, fin.）的martti mantyla.等教授在齒輪類零件的優(yōu)化設計方法及其參數(shù)化繪圖方面也進行了不少的研究工作22。此外，國外從事該方面研發(fā)工作的還有德國亞琛工業(yè)大學（technical univ.of achen, ger.）的wern-kueir jehng.和加拿大紐芬蘭紀念大學（memorial uni. of newfoundland）的hans j.，pratt m.以及regli w.等教授學者23-25。1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)的相關研究工作雖然起步較晚，但是已有了很大進展。目前主要有以下單位和學者進行了卓有成效的研究工作。東南

28、大學的湯文成等教授研究開發(fā)了基于特征建模的圓柱齒輪cad系統(tǒng)26。提出了對設計參數(shù)的數(shù)據(jù)庫管理,將圓柱齒輪設計計算過程中需要的參數(shù)及計算后產(chǎn)生的參數(shù)用數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理,為后續(xù)的造型設計提供驅(qū)動參數(shù)。華南理工大學的王澤林和郭瑩等學者對圓柱齒輪和蝸桿變速裝置的動態(tài)建模作了較為深入的研究27 28。首先結(jié)合實際工況條件并考慮到設計中的模糊因素,建立了以體積最小為目標函數(shù)的模糊優(yōu)化模型；然后以窮舉法作為優(yōu)化算法,對圓柱齒輪和蝸桿變速裝置的主要參數(shù)（模數(shù)、齒數(shù)、齒寬系數(shù)等）進行了優(yōu)化設計；最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,運用參數(shù)化方法繪制了圓柱齒輪、蝸桿、蝸輪等的零件圖和裝配圖。太原理工大學的任家駿、段德榮教授對基

29、于特征的蝸桿傳動cad/cae/capp集成系統(tǒng)的工作進行了研究29。以蝸桿傳動的各個零件為研究對象,利用數(shù)據(jù)庫技術和圖形單元建模技術建立了蝸桿傳動的特征模型,實現(xiàn)了cad/cae/capp之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。中國農(nóng)業(yè)大學的張淑敏以圓柱齒輪減速器為例闡述了pro/engineer和autocad等軟件的二次開發(fā)方法，并利用autocad創(chuàng)建了標準漸開線齒輪參數(shù)化造型的設計程序和驅(qū)動程序。最終將標準漸開線圓柱齒輪的自動參數(shù)化造型、齒輪參數(shù)的優(yōu)化設計和傳動性能分析有機的結(jié)合為一體30。武漢科技學院的盧記軍采用activex技術，以vb6.0為開發(fā)工具實現(xiàn)vb與matlab和autocad之間

30、的連接，通過編程實現(xiàn)了對斜齒圓柱齒輪的優(yōu)化設計，建立了基于優(yōu)化的cad系統(tǒng)，并根據(jù)優(yōu)化設計所得結(jié)果完成齒輪建模，實現(xiàn)了優(yōu)化設計與計算機參數(shù)化建模及繪圖集成31。陜西科技大學的曹巨江等在visualc+環(huán)境下開發(fā)了行星輪減速器的可視化cad設計系統(tǒng)，實現(xiàn)了行星輪減速器設計過程的程序化，建立了便于修改和維護的行星輪減速器設計參數(shù)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)設計結(jié)果自動生成行星輪減速器中典型零件的三維圖32。大連理工大學的宋景玲和史大光以及中國農(nóng)業(yè)大學的李偉等在齒輪和行星輪減速器的優(yōu)化設計、參數(shù)化繪圖等方面也展開了各具特色的研究工作33-35。河南理工大學的程釗對帶式輸送機可控變速裝置進行了模糊可靠性優(yōu)化設計，并在

31、autocad2004環(huán)境下建立了齒輪傳動機構(gòu)二維參數(shù)化繪圖系統(tǒng)36。1.4課題來源與研究內(nèi)容 本課題來源于河南省科技攻關項目帶式輸送機可控變速裝置設計與關鍵技術研究（項目編號0524260021）。 本文在介紹帶式輸送機新型軟啟動裝置可控變速裝置結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎上，主要做了以下三個方面的研究工作： （1）對帶式輸送機可控變速裝置機械傳動系統(tǒng)進行了動力學、運動學、傳動效率分析以及蝸桿傳動特性分析，揭示可控變速裝置在不同工作狀態(tài)下各傳動機構(gòu)的運動規(guī)律及受力特性。（2）針對可控變速裝置的結(jié)構(gòu)特點，建立帶式輸送機可控變速裝置優(yōu)化設計的數(shù)學模型。根據(jù)工程實際采用合適的方法，用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z

32、言visual basic 6.0編制程序?qū)?shù)學模型進行優(yōu)化求解，得到可控變速裝置傳動系統(tǒng)主要參數(shù)。（3）把solidworks2007與visual basic6.0為二次開發(fā)工具相結(jié)合，編制參數(shù)化建模程序，從而實現(xiàn)了帶式輸送機可控變速裝置機械傳動系統(tǒng)主要零件和部件的參數(shù)化建模，為最終實現(xiàn)設計、加工制造一體化及系列化奠定基礎。2 帶式輸送機可控變速裝置的特點2.1概述2.1.1軟啟動 軟啟動技術是大型帶式輸送機的關鍵技術，已成為帶式輸送機技術先進性的標志之一。 帶式輸送機的軟啟動是指動力輸出裝置在其系統(tǒng)即便是滿載的情況下應能提供足夠的啟動時間，使啟動動加速度保持在設定的范圍內(nèi)，而且能夠按照既

33、定的要求逐步克服整個系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動或停車。對于輸送帶，如果啟動時間過短，啟動加速度快，啟動張力就大，輸送帶振蕩變形會很嚴重，巨大的瞬時沖擊將損壞輸送帶與其他元部件。對于電動機過大的啟動電流、長時間的電流沖擊對電動機的負面影響也會很大。軟啟動系統(tǒng)則是對動力系統(tǒng)和機械負載應保證在啟動和停車的過程中作用在機械電器設備上的沖擊能量最小，使設備運行更平穩(wěn)，從而起到保護設備的作用，同時還能解決多電機的順序啟動和過載自動保護及多級驅(qū)動的功率平衡問題。2.1.2理想軟啟動曲線針對大型帶式輸送機的實際工況，理想的驅(qū)動裝置應滿足以下技術要求：（1）啟動時間可在一定的范圍內(nèi)調(diào)整，使帶式輸送機平穩(wěn)啟動，并可實

34、現(xiàn)滿載啟動；（2）啟動加速度控制在一定的范圍內(nèi)，可有效降低啟動時的動態(tài)初張力，降低整機輸送帶的選用安全系數(shù)，有效地降低輸送帶的初期投資；（3）在多機啟動或多點中間起動時，可以實現(xiàn)多機的功率平衡；（4）電動機空載啟動，降低對電網(wǎng)的沖擊；（5）具有過載保護功能；（6）帶式輸送機瞬時停車時，可以實現(xiàn)不停電動機，提高電動機使用壽命；（7）帶式輸送機低速檢帶運行時，系統(tǒng)不會嚴重發(fā)熱導致停車故障，確保正常檢修工作。根據(jù)我國有關標準規(guī)定，啟動加速度不得大于0.3 m/s2，國外較先進的軟啟動裝置可使啟動加速度控制在0.1 m/s2以下。對于帶式輸送機理想啟動過程的研究，較具影響力的是澳大利亞harrison

35、博士提出的正弦加速度控制曲線和美國cdi公司總裁nordell博士提出的三角形加速度控制曲線37 38。 harrison推薦的起動過程可表示如下： （21） 式中 膠帶穩(wěn)定運行速度，；輸送機啟動時間，。圖2-1 harrison啟動曲線fig.2-1 harrison startup curves圖2-1中，t=0時啟動加速度為零，此后速度平穩(wěn)增加；t=t/2時加速度達到最大值，然后逐漸對稱地減小，速度繼續(xù)增大；t=t帶速達到輸送機設計帶速v0時，加速度減小到0。加速度曲線的一階導數(shù)是連續(xù)的。nordell推薦的啟動過程可表示如下： （2-2）式中 膠帶穩(wěn)定運行速度，；輸送機起動時間，。圖2

36、-2中，t=0時啟動加速度為零，此后速度逐漸增大；t=t/2時加速度線性增大到最大值，然后逐漸對稱地減小，而速度繼續(xù)增大；t=t帶速達到輸送機設計帶速v0時，加速度減小到0。此處加速度最大值比harrison推薦的大27%，加速度的一階導數(shù)在t=0、t/2及t處均不連續(xù)，但加速度導數(shù)的峰值只是harrison曲線的81%。圖2-2 nordell啟動曲線fig.2-2 nordell startup curves圖2-3 dodge啟動曲線fig.2-3 startup curves of dodoge harrison和nordell啟動速度曲線都能有效地避免起動過程中加速度的突變，明顯減小

37、了輸送帶啟動時的瞬態(tài)峰值張力，取得了較為理想的效果。但是隨著進一步的研究發(fā)現(xiàn)，如果在速度曲線中加入約38s的延遲時段，可進一步有效的改善起動時的瞬態(tài)峰值張力。這是由于帶式輸送機在起動之前，輸送帶處于松弛狀態(tài)，為避免輸送帶的沖擊，將輸送帶拉緊啟動，可進一步改善啟動峰值張力作用。這樣，需要在啟動開始階段加入一段時間延遲段。延遲段的速度一般取為設計帶速的10%。在延遲段內(nèi)，下垂皮帶被張緊，延遲段結(jié)束后，按最小加速度或最小沖擊的方式完成輸送帶的起動過程，從而最大程度地降低了膠帶輸送機的起動張力。這就是dodge最佳起動曲線。如圖2-3所示。2.1.3常用軟啟動裝置長期以來，國內(nèi)外的工程技術人員在機械、

38、電機和電子、液力和液壓等多學科領域?qū)泦蛹夹g開展了深入和廣泛的研究，開發(fā)出了多種多樣的軟啟動裝置或設備，軟啟動技術也較以往有了突破性進展。常用的軟啟動裝置有：（1）液體粘性軟啟動裝置，如澳大利亞的boss系統(tǒng)、美國的cst等；（2）液力型軟啟動裝置，如調(diào)速型液力耦合器、加長后腹腔液力耦合器等；（3）電氣軟啟動裝置。如變頻調(diào)速、可控硅控制開關磁阻啟動等；（4）機械式軟啟動裝置，如best、德國力士樂公司的輔助液壓馬達周轉(zhuǎn)齒輪系統(tǒng)（原理與best相同）等。 boss系統(tǒng)：該系統(tǒng)是澳大利亞nm采礦國際有限公司研制的，適用于帶式輸送機單機200500kw的可控系統(tǒng)。 cst（controlled s

39、tart transmissions）系統(tǒng)：該系統(tǒng)是美國道奇公司專門為大型帶式輸送機配套的集減速、離合和調(diào)速于一體的驅(qū)動裝置。 調(diào)速型液力耦合器：通過改變液力耦合器工作腔內(nèi)工作液的充油量，在電動機轉(zhuǎn)速不變的情況下，實現(xiàn)對工作機的無級調(diào)速與軟啟動。 變頻調(diào)速裝置：主要由igbt絕緣柵極可控晶體管、控制器、與電抗器組成。其工作原理是通過控制器調(diào)節(jié)功率器件中的絕緣柵極，使進入功率器件的交流電源頻率發(fā)生變化。由公式n=60f/p(n為電動機轉(zhuǎn)速、f為交流電源頻率、p為電動機極對數(shù))可知，電動機轉(zhuǎn)速與交流電源頻率成正比關系。當交流電源的頻率由小到大變化時，電動機轉(zhuǎn)速也隨之由小到大變化，只要控制頻率變化范

40、圍以及頻率變化的時間，就可使輸送機按照設定的速度曲線平穩(wěn)啟動，達到輸送機的軟啟動。電軟啟動：電軟啟動控制器以反并聯(lián)的晶閘管組為開關，以軟啟動交流調(diào)壓方式限制電動機的啟動電流，以使該電動機拖動帶式輸送機平穩(wěn)地過渡到額定轉(zhuǎn)速，完成軟啟動。機械式軟啟動裝置：大多是通過改變機械系統(tǒng)的工作原理而不是依賴于電動機本身的特性來實現(xiàn)軟啟動功能。表1-1為幾種常見軟啟動裝置的性能比較39。上述幾種常用裝置都能保證帶式輸送機平穩(wěn)啟動而且具有功率平衡調(diào)節(jié)和過載保護的功能，但是它們又都有各自的缺點。調(diào)速型液力耦合器工作效率低，維護工作量大，調(diào)節(jié)控制反應慢、精度低，難以達到理想的功率平衡。boss系統(tǒng)裝置傳動效率低，不

41、能實現(xiàn)無級調(diào)速，傳動系統(tǒng)種存在薄弱環(huán)節(jié)，其中摩擦片是易耗品，使用壽命短，液壓控制系統(tǒng)復雜，價格昂貴。cst系統(tǒng)初期投資費用高，機械零件加工精度要求高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，液壓潤滑系統(tǒng)用油講究，日常維護運行費用高。電軟啟動差動功率損耗大，效率低，必須與限矩型耦合器配套使用，電動機不能空載啟動。表1-1 幾種常用軟啟動裝置性能比較frm.1-1 some commonly used soft-start device performance comparison調(diào)速型液力耦合器bosscst電軟啟動軟啟動特性較好好好較差控制系統(tǒng)簡單較復雜復雜簡單功率平衡較好好好一般低速運行較穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定一般傳動效率較高

42、高高低可靠性可靠可靠可靠一般互換性好差差好體積大小大小運行成本低高高低價格低高高低驗帶可以可以可以不可以本文所研究的帶式輸送機可控變速裝置充分運用了機械傳動、液壓傳動與現(xiàn)代電氣控制技術，是典型的機電液一體化系統(tǒng)。從工作原理上來講，與機械類軟啟動裝置有相似之處，但是由于該裝置采用了液壓傳動技術和先進的可編程控制器（plc）及其擴展模塊等作為控制系統(tǒng)，又使得它具有許多特別之處。2.2帶式輸送機可控變速裝置的組成及工作原理帶式輸送機可控變速裝置是典型的機、電、液一體化產(chǎn)品，它有機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三大部分組成，機、電、液有機結(jié)合，布局合理。從零部件的結(jié)構(gòu)工藝性和標準化程度看，機械和液壓系

43、統(tǒng)制造技術成熟，容易達到設計要求，獲得預期的工作性能。電氣控制系統(tǒng)以先進的plc（可編程控制器）及其配套功能模塊構(gòu)成，功能完善，制造成本低。因此，帶式輸送機可控變速裝置的總體結(jié)構(gòu)具有設計新穎，制造成本低，備件購置方便，維護和日常運行費用較低等特點。2.2.1帶式輸送機可控變速裝置的組成（1）機械傳動系統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)由一級齒輪減速機構(gòu)和一級2k-h行星傳動機構(gòu)組成，蝸桿傳動機構(gòu)中的蝸輪與行星傳動機構(gòu)中的內(nèi)齒輪固聯(lián)在一起，如圖2-4所示。圖2-4 機械傳動系統(tǒng)簡圖1-聯(lián)軸器 2-主電機 3、4-齒輪 5-液壓馬達 6-蝸桿 7-轉(zhuǎn)臂 8-太陽輪 9-行星輪 10-內(nèi)齒輪 11-蝸輪fig.2-4

44、the mechanical transmission system1-clutch 2-motor 3、4-gear 5- hydraulic motor 6-worm 7-turnplate 8-central gear 9-planet gear 10-inner gear 11-worm wheel齒輪減速機構(gòu)起到降速和初步擴大力矩的作用，2k-h行星傳動機構(gòu)不僅可以進一步擴大力矩、降低轉(zhuǎn)速，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)運動合成及過載保護。在傳動結(jié)構(gòu)上把2k-h行星傳動機構(gòu)放在齒輪減速機構(gòu)之后既充分利用了2k-h行星傳動機構(gòu)承載能力大的優(yōu)良特性，又可避免過載時對齒輪機構(gòu)產(chǎn)生過大的應力沖擊，有利于延長

45、齒輪和相關傳動件的壽命。因此，這是一種科學合理的傳動結(jié)構(gòu)。（2）液壓傳動系統(tǒng)考慮蝸桿載荷小，要求無級變速等具體情況，變速裝置采用由電液比例閥組成的液壓系統(tǒng)作為蝸桿的動力源。液壓系統(tǒng)原理圖如2-5所示，主要液壓元件有液壓泵、液壓馬達、電液比例調(diào)速閥和電液比例溢流閥等。液壓馬達為蝸桿機構(gòu)提供動力，通過電液比例調(diào)速閥6調(diào)節(jié)液壓馬達的流量而使其轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無級變化。圖2-5 液壓系統(tǒng)原理圖fig.2-5 principle of the hydraulic system1- 油箱 2-液壓泵 3、4-單向閥 5-液壓馬達 6-電液比例節(jié)流閥 7-溢流閥 8-電液比例溢流閥 9-電液比例調(diào)速閥1-tank

46、2-hydraulic pump 3、4-one-way valve 5-hydraulic motor 6-electro-hydraulic proportional throttle 7-relief 8-electro-hydraulic proportional relief valve9- electro-hydraulic proportional speed valve電液比例調(diào)速閥9可控制潤滑油液的流量。根據(jù)電氣控制系統(tǒng)中溫度變送器的信號來控制調(diào)速閥9的開口量而達到對潤滑油量的控制。而電液比例溢流閥8可調(diào)整液壓系統(tǒng)的工作壓力。通過電氣控制系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)不同工作狀態(tài)下的壓力設定

47、使其始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，從而實現(xiàn)高效率、低油溫的設計目標。（3）電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的主要作用是處理系統(tǒng)的液壓電機啟停信號、主電機啟停信號、各電液比例調(diào)速閥和電液比例溢流閥的控制信號以及發(fā)聲發(fā)光報警信號等各種輸入輸出信號，并對系統(tǒng)的各種動作實施相應的控制，確保系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和裝置的正常運行。電氣控制系統(tǒng)由先進的可編程控制器（plc）及其擴展模塊以及自行設計的功率放大器組成。具體包括：plc、a/d轉(zhuǎn)換模塊、d/a轉(zhuǎn)換模塊、高速計數(shù)模塊、三線制電感式速度傳感器、jyb壓力變送器、兩線制溫度變送器以及液晶顯示器，各部分具體工作過程不再祥述。2.2.2帶式輸送機可控變速裝置的工作原理根據(jù)功能要求

48、和工作狀態(tài)的不同，帶式輸送機可控變速裝置的工作原理可分為額定運行狀態(tài)下的工作原理和調(diào)速運行狀態(tài)下的工作原理兩種情況。（1）額定運行狀態(tài)由圖2-4可知，主電動機2通過聯(lián)軸器1將運動和力矩傳給軸，再通過齒輪3、4和軸傳給2k-h行星傳動機構(gòu)的中心輪8。在額定運行狀態(tài)（正常運行狀態(tài)）下內(nèi)齒輪10不轉(zhuǎn)動，則行星輪在自轉(zhuǎn)的同時通過軸帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，即通過轉(zhuǎn)臂h輸出運動和力矩?？梢?，額定運行狀下機械傳動系統(tǒng)本質(zhì)上是一級齒輪減速加一級行星傳動，運轉(zhuǎn)中沒有轉(zhuǎn)速損失，效率較高。液壓系統(tǒng)是根據(jù)機械傳動系統(tǒng)的具體要求進行工作的。當機械傳動系統(tǒng)處于額定運行狀態(tài)時，液壓馬達不轉(zhuǎn)動，液壓系統(tǒng)只需為潤滑系統(tǒng)提供油液即可。因

49、此，此時控制系統(tǒng)將電液比例溢流閥8的壓力調(diào)節(jié)到較低數(shù)值，液壓系統(tǒng)處于低壓溢流工作狀態(tài)，從而可以減小液壓系統(tǒng)的功率消耗，節(jié)約能量，提高效率。（2）調(diào)速運行狀態(tài)當機械傳動系統(tǒng)運行在調(diào)速狀態(tài)時，由于行星傳動機構(gòu)可以作為一個運動合成機構(gòu)來使用，則液壓馬達通過蝸輪蝸桿驅(qū)動內(nèi)齒輪以不同轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)可以使輸出軸的轉(zhuǎn)速隨之變化。根據(jù)輸入和輸出的轉(zhuǎn)速不同又可分為下述幾種情況：輸送機軟啟動輸送機啟動時先使液壓馬達帶動內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動至轉(zhuǎn)速達到一定的數(shù)值，根據(jù)行星傳動機構(gòu)的工作原理可知，輸出軸和輸入軸都有可能轉(zhuǎn)動，但是由于輸出軸與滾筒聯(lián)接，阻力矩很大，而輸入軸通過齒輪機構(gòu)與主電動機的轉(zhuǎn)子聯(lián)接，阻力矩較小，則主電動機的轉(zhuǎn)子就會

50、隨之轉(zhuǎn)動而輸出軸不轉(zhuǎn)動。適當調(diào)整液壓系統(tǒng)，使此轉(zhuǎn)動方向與主電動機工作時的轉(zhuǎn)向一致，然后再啟動主電動機就可實現(xiàn)主電動機的空載啟動。當主電動機空載啟動并且達到額定轉(zhuǎn)速時，通過電氣控制系統(tǒng)將電液比例溢流閥8的壓力調(diào)節(jié)到額定值，而將電液比例調(diào)速閥6的開口量由最大值按照設定的規(guī)律減小，從而使液壓馬達按照一定的規(guī)律降速，即內(nèi)齒輪按照一定的規(guī)律降速，而輸出軸將按照一定的規(guī)律升速啟動，直至閥6的開口完全關閉，液壓馬達、蝸桿傳動機構(gòu)以及內(nèi)齒輪的轉(zhuǎn)速均降至為零，此時輸出軸達到輸送機的額定轉(zhuǎn)速。由于蝸桿傳動機構(gòu)具有反向自鎖功能，則輸送機也將進入穩(wěn)定的正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)了主電動機先空載啟動、再使?jié)L筒均勻、平穩(wěn)升速

51、到額定轉(zhuǎn)速的軟啟動，輸送機軟啟動過程結(jié)束。輸送機軟制動軟制動本質(zhì)上是軟啟動的逆過程。輸送機停車前滾筒一般具有一定的轉(zhuǎn)速，若控制系統(tǒng)發(fā)出停車信號，首先將電液比例溢流閥8的壓力調(diào)節(jié)到額定值，然后使電液比例調(diào)速閥6的開口量按照一定的規(guī)律由零逐漸增大，液壓馬達將帶動內(nèi)齒輪按照軟啟動時它們的轉(zhuǎn)速方向轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速隨著閥6開口量的增大而按照一定的規(guī)律增大。在此過程中由于行星傳動機構(gòu)的運動合成作用，輸出軸和滾筒的轉(zhuǎn)速就會按照相應的規(guī)律減小，直至閥6的開口量達到最大，此時主電動機以額定轉(zhuǎn)速處于空載運轉(zhuǎn)狀態(tài)，輸入軸在主電動機的帶動下仍以恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，而輸出軸和滾筒的轉(zhuǎn)速減小為零，從而實現(xiàn)輸送機的軟制動。多機或多

52、點驅(qū)動的功率平衡當長距離、大運量帶式輸送機采用多機或多點驅(qū)動時，驅(qū)動裝置需要具備功率平衡功能。多機或多點驅(qū)動的功率平衡功能本質(zhì)上都是通過調(diào)速實現(xiàn)的。在帶式輸送機可控變速裝置中設有電動機轉(zhuǎn)速檢測與控制系統(tǒng)，通過檢測電動機轉(zhuǎn)速的變化來判斷電動機載荷的大小?？刂葡到y(tǒng)把載荷給定值與檢測的實際值進行比較，根據(jù)載荷偏差情況，如果載荷偏差處于設定值以內(nèi)，就通過控制電液比例調(diào)速閥6的開口量來控制液壓馬達的供油量而使內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動，從而控制機械傳動系統(tǒng)輸出軸的轉(zhuǎn)速，完成多個驅(qū)動裝置的功率平衡功能。過載保護控制系統(tǒng)是否啟動過載保護功能是通過檢測輸出軸的轉(zhuǎn)速進行判斷的?；竟ぷ髟砼c多機或多點驅(qū)動的功率平衡類似，在裝置

53、中同樣設有輸出軸轉(zhuǎn)速檢測與控制系統(tǒng)。當輸出軸轉(zhuǎn)速下降值超過某預設值或載荷偏差超過了設定值時可認為過載，此時控制系統(tǒng)發(fā)出信號并啟動過載保護程序使液壓系統(tǒng)向液壓馬達供油，電液比例調(diào)速閥6的開口量逐漸開到最大而解除內(nèi)齒輪的約束，行星傳動機構(gòu)由內(nèi)齒輪不動系桿輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橄禇U不動內(nèi)齒輪輸出，從而避免電動機過熱或零部件損壞，實現(xiàn)了過載保護。檢帶運行如果需要檢查輸送帶，應使其低速運行。為滿足檢帶的速度要求，控制系統(tǒng)啟動檢帶運行程序后，將電液比例溢流閥8的壓力調(diào)節(jié)到設定值；其次把電液比例調(diào)速閥6的開口量控制在設定值，并供給液壓馬達適當流量油液，則在主電動機以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的同時液壓馬達也以一定轉(zhuǎn)速帶動內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動，二者通過行星傳動機構(gòu)合成為輸出軸的較低轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)了檢帶運行時的速度要求。溫度保護齒輪、軸承等傳動件溫度過高會顯著降低使用壽命。本裝置除采用循環(huán)潤滑系統(tǒng)對各個傳動件進行潤滑外，還設置有溫度檢測與控制系統(tǒng)。若溫度過高，電氣控制系統(tǒng)中的溫度變送器就會發(fā)出溫升過高的信號，繼而電液比例調(diào)速閥9的開口量增大，從而通過加大潤滑油液的流量對齒輪