【正文】 ........... 56 漸開線齒輪建模 ................................................................................... 57 三維模型程序的編制 ............................................................................ 58 建模程序與應(yīng)用軟件的連接 ................................................................ 60 程序運行結(jié)果 ........................................................................................ 60 行星傳動機構(gòu)參數(shù)化建模 .............................................................................. 61 行星齒輪傳動的特點 ............................................................................ 61 行星齒輪傳動機構(gòu)參數(shù)化建模的基本思路 ........................................ 62 界面設(shè)計 ................................................................................................ 62 程序設(shè)計 ................................................................................................ 63 目錄 vii 程序運行結(jié)果 ........................................................................................ 66 本章小結(jié) ........................................................................................................... 68 6 總結(jié) 與展望 .................................................................................................................. 69 全文總結(jié) ........................................................................................................... 69 展望 ................................................................................................................... 70 參考文獻 ......................................................................................................................... 71 第 1 章 引言 1 1 引言 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(shù)革命后新材料、新技術(shù)的采用，帶式輸送機的發(fā)展步入了一個新紀元。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 56m/s 的帶式輸送機已經(jīng)在煤礦得到了實際應(yīng)用 [2]。當(dāng)它們作用于輸送 帶時會引起動態(tài)響應(yīng)而導(dǎo)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]。 （ 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(yīng)提高安全系數(shù)，增加了正常使用的能耗。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。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(guān)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。 鑒于目前煤炭工業(yè)發(fā)展的迫切需要，急需開展關(guān)這方面的研究開發(fā)及推廣工作。 CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，它是促進科研成果開發(fā)與轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)設(shè)計制造一體化、自動化，加快國民經(jīng) 濟發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)，也是進一步想計算機集成制造系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ) [10] [11]。 為了進一步提高帶式輸送機可控變速裝置的整體設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率、降低設(shè)計成本與制造成本就需要對其進行優(yōu)化及參數(shù)化設(shè)計。用這些模型可以進行自動編程、零件裝配、模具設(shè)計和產(chǎn)生工程圖等 [16]。 以 Visual 為二次 開發(fā)工具 ， 借助 SolidWorks20xx 的三維建模功能， 在 對結(jié)構(gòu) 參數(shù) 進行 優(yōu)化的基礎(chǔ)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)碩士學(xué)位論文 4 化建模，為帶式輸送機的整機 優(yōu)化和參數(shù)化 設(shè)計 ，提供了理論依據(jù)和有參考價值的實現(xiàn)方法 。在對漸開線圓柱齒輪進行模糊可靠性優(yōu)化設(shè)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(shè)計、運動學(xué)與動力學(xué)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。以中心距最小為目標(biāo)函數(shù)建立數(shù)學(xué)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。 目前主要有以下單位和學(xué)者進行了卓有成效的研究工作。首先結(jié)合實際工況條件并考慮到設(shè)計中的模糊因素 ,建立了以體積最小為目標(biāo)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(shè)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。最終將標(biāo)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(shè)計和傳動性能分析有機的結(jié)合為一體 [30]。 碩士學(xué)位論文 6 河南理工大學(xué)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(shè)計，并在 AutoCAD20xx 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]。 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言 Visual Basic 編制程序 對數(shù)學(xué)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)。 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。 根據(jù)我國有關(guān)標(biāo)準規(guī)定， 啟 動加速度不得大于 m/s2，國外較先進的軟啟動裝 置可使 啟 動加速度控制在 m/s2 以下。加速度曲線的一階導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的。 圖 22 Nordell啟動曲線 Nordell startup curves 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。延遲段的速度一般取為設(shè)計帶速的 10%。 常用軟啟動裝置 長期以來，國內(nèi)外的工程技術(shù)人員在機械、電機和電子、液力和液壓等多學(xué)科領(lǐng)域?qū)泦蛹夹g(shù)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(shè)備，軟啟動技術(shù)也較以往有了突破性進展。 CST（ Controlled Start 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。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(guān)系。 表 11 為幾種常見軟啟動裝置的性能比較 [39]。 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(fù)雜，液壓潤滑系統(tǒng)用油講究，日常維護運行費用高。 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。 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 2KH 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 24 所示。 （ 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。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。 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(shè)計的功率放大器組成。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 Ⅳ 帶動輸出軸 Ⅴ 轉(zhuǎn)動，即通過轉(zhuǎn)臂 H 輸出運動和力矩。因此，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。 當(dāng)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(shè)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 Ⅴ 將按照一定的規(guī)律升速啟動，直至閥 6 的開口完全關(guān) 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 Ⅴ 達到輸送機的額定轉(zhuǎn)速。在此過程中由于行星傳動機構(gòu)的運動合成作用，輸出軸 Ⅴ 和滾筒的轉(zhuǎn)速就會按照相應(yīng)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 Ⅱ 在主電動機的帶動下仍以恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，而輸出軸 Ⅴ 和滾筒的轉(zhuǎn)速減小為零，從而實現(xiàn)輸送機的軟制動。控制系統(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(shè)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 Ⅴ 的轉(zhuǎn)速，完成多個驅(qū)動裝置的功率平衡功能。 ⑤ 檢帶運行 如果需要檢查輸送帶，應(yīng)使其低速運行。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、軸承、蝸輪和蝸桿等各 個傳動件進行有效冷卻和潤滑，實現(xiàn)溫度保護。 本章小結(jié) 在介紹軟啟動技術(shù)、帶式輸送機理想啟動曲線、并分 析常用軟啟動裝置優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本章主要闡述了帶式輸送機可控變速裝置的結(jié)構(gòu)組成、所能實現(xiàn)的功能及工作原理。 Z1Z2Z3Z4Z aZcZb( 接 滾 筒 )H23456 7891 01 11nHnanbn2n1 圖 3 1 機械傳動系統(tǒng)簡圖 1聯(lián)軸器 2主電機 4齒輪 5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 The mechanical transmission system 1Clutch 2Motor 4Gear 5 Hydraulic Motor 6Worm 7Turnplate 8Central gear 9Pla gear 10Inner gear 11Worm wheel 運動學(xué)分析主要分析各傳動部件的運動速度、加速度、角速度、角加速度隨時間的變化規(guī)律。 取相對于轉(zhuǎn)臂的角速度，則有 0HH?? ，結(jié)合（ 3–2）式得 0HHa a b bTT????。相應(yīng)于輸入轉(zhuǎn)速 1n 的方向，結(jié)合軟啟動、軟制動等功能要求，分析易知各傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動方向，記順時針 方向為正，反之為負。 （ 3）主電機額定轉(zhuǎn)速和蝸桿額定轉(zhuǎn)速的匹配條件 根據(jù)變速裝置的功能要求，在軟啟動開始和軟制動結(jié)束時刻，主電機和蝸桿的轉(zhuǎn)速均為額定轉(zhuǎn)速且無論輸出端有無 負載，均有 0Hn ? ，結(jié)合（ 3–9）式得： 10 120 2banZin i Z?? （ 3–12） 式中 10n ——主電機額定轉(zhuǎn)速， /minr ； 20n ——蝸桿額定轉(zhuǎn)速， /minr 。由式（ 3–9）得： 1 0 212( ) ( )abH a b a bZZn n nZ Z i Z Z i???? （ 3–14a） 記1