【文章內(nèi)容簡介】 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。驅動裝置是帶式輸送機的心臟，從某種程度上來說，驅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。 “ 軟啟動 ” 是指機械設備在空、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。它不僅能夠實現(xiàn)軟 啟動、軟停車、過載保護、溫度保護、檢帶運行、多機驅動功率平衡等功能，而且具有結構設計新穎、制造成本低、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。 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]。隨著市第 1 章 引言 3 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 技術作為提高產(chǎn)品設計質量、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動設計修改等優(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 為二次 開發(fā)工具 ， 借助 SolidWorks20xx 的三維建模功能， 在 對結構 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)碩士學位論文 4 化建模，為帶式輸送機的整機 優(yōu)化和參數(shù)化 設計 ，提供了理論依據(jù)和有參考價值的實現(xiàn)方法 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 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 和 GonzalezPalacios教授 以及里茲大學（ University of Leeds）的 Faydor 教授等根據(jù)模糊數(shù)學的基本理論 ， 為新型 2KH 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 對該傳動機構是否干涉進行了模擬 [18]。 法國格勒諾布爾大學（ University of Grenoble）的 Tsay, 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)化結果完成了蝸桿機構的參數(shù)化繪圖以及三維實體的造型工作。 芬蘭坦佩雷大學（ Tampere Univ. of Technology, Fin.）的 Martti 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 Achen, Ger.）的 WernKueir 加拿大紐芬蘭紀念大學（ Memorial Uni. of Newfoundland） 的 Hans J.， Pratt Regli [2325]。 第 1 章 引言 5 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合為一體 [30]。 武漢科技學院的盧記軍采用 ActiveX 技術，以 為開發(fā)工具實現(xiàn) VB 與Matlab 和 AutoCAD 之間的連接，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 [3335]。 碩士學位論文 6 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 AutoCAD20xx 環(huán)境下建立了齒輪傳動機構二維參數(shù)化繪圖系統(tǒng) [36]。 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 —— 可控變速裝置結構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 傳動機構的運動規(guī)律及受力特性 。 （ 2） 針對可控變速裝置的結構特點，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， 用面向對象的可視化編程語言 Visual Basic 編制程序 對數(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 SolidWorks20xx 與 Visual 為二次開發(fā)工具相結合 ，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。 第 2 章 帶式輸送機可控變速裝置的特點 7 2 帶式輸送機可控變速裝置 的特點 概述 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動的功率平衡問題。 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)調整，使帶式輸送機平 穩(wěn) 啟 動，并可實現(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 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。對于帶式輸送機理想 啟 動過程的研究，碩士學位論文 8 較具影響力的是 澳大利亞 Harrison 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： 0( ) (1 co s )2vv t tT??? (0 )tT?? （ 2–1） 0 sin2vatTT? ?? (0 )tT?? 式中 0v ——膠帶穩(wěn)定運行速度， /ms； T ——輸送機 啟 動時間， s 。