【正文】 由式（ 3–9）得： 1001aHHabZnnn Z Z i? ? ?? （ 3–13） 當(dāng)變速裝置運(yùn)行在軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)、功率平衡及過(guò)載保護(hù)工作過(guò)程中時(shí)，均有 1 10nn? ，且蝸桿轉(zhuǎn)速 2n 是不斷變化的。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主電動(dòng)機(jī)通電后始終以額定轉(zhuǎn)速 10n 運(yùn)轉(zhuǎn)， 1 0?? ，于是 22()bH abZZ Z i???? ? （ 3–11） 由上式知，輸出構(gòu)件的角加速度 H? 是蝸桿角加速度 2? 的函數(shù)，則可通過(guò)控制蝸桿的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的角加速度，即輸出轉(zhuǎn)速的角加速度是可控的。 （ 2）轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 如圖 3 2 所示，太陽(yáng)輪 a 的角速度為 a? ，內(nèi)齒輪 b 的角速度為 b? ，轉(zhuǎn)臂 H 的第 3 章 可控變速裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析 19 角速度為 H? ， c 為行星輪。若忽略摩擦，則作用在基本構(gòu)件上的外轉(zhuǎn)矩代數(shù)和為零，且它們所傳遞的功率代數(shù)和也為零，即： 0a b HT T T? ? ? （ 3–1） 0a a b b H HT T T? ? ?? ? ? （ 3–2） 式中 aT 、 bT 、 HT ——太陽(yáng)輪、內(nèi)齒輪和轉(zhuǎn)臂所受外轉(zhuǎn)矩， Nm? ； a? 、 b? 、 H? ——太陽(yáng)輪、內(nèi)齒輪和轉(zhuǎn)臂角速度， /rads 。主電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速1n ，蝸桿轉(zhuǎn)速 2n ，轉(zhuǎn)臂 H 輸出轉(zhuǎn)速 Hn ，蝸輪和內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)速為 bn ，太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速 an ，各轉(zhuǎn)速方向和各齒輪齒數(shù)如圖 31 所示。能夠提供可調(diào)的、平滑而無(wú)沖擊的啟動(dòng)力矩，能夠較好的實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的加減速度控制、多機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率平衡、檢帶運(yùn)行、過(guò)載保護(hù)及溫度保護(hù)等多種功能，與煤炭生產(chǎn)結(jié)合緊密，開(kāi)發(fā)推廣前景廣闊，是大運(yùn)量、大功率、長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)理想的驅(qū)動(dòng)裝置。本裝置除采用循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)各個(gè)傳動(dòng)件進(jìn)行潤(rùn)滑外，還設(shè)置有溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)。當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速下降值超過(guò)某預(yù)設(shè)值或載荷偏差超過(guò)了設(shè)定值時(shí)可認(rèn)為過(guò)載，此時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)并啟動(dòng)過(guò)載保護(hù)程序使液壓系統(tǒng)向液壓馬達(dá)供油，電液比例調(diào)速閥 6 的開(kāi)口量逐漸開(kāi)到最大而解除內(nèi)齒輪的約束，行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由內(nèi)齒輪不動(dòng)系桿輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橄禇U不動(dòng)內(nèi)齒輪輸出，從而避免電動(dòng)機(jī)過(guò)熱或零部件損壞，實(shí)現(xiàn)了過(guò)載保護(hù)。 在帶式輸送機(jī)可控變速裝置中設(shè)有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)載荷的大小。輸送機(jī)停車(chē)前滾筒一般具有一定的轉(zhuǎn)速，若控制系統(tǒng)發(fā)出停車(chē)信號(hào)，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(kāi)口量按照一定的規(guī)律由零逐漸增大，液壓馬達(dá)將帶動(dòng)內(nèi)齒輪按 照軟啟動(dòng)時(shí)它們的轉(zhuǎn)速方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速隨著閥 6 開(kāi)口量的增大而按照一定的規(guī)律增大。適當(dāng)調(diào)整液壓系統(tǒng)，使此轉(zhuǎn)動(dòng)方向與主電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)向一致，然后再啟動(dòng)主電動(dòng)機(jī)就可實(shí)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)。當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)處于額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，液壓馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)只需為潤(rùn)滑系統(tǒng)提供油液即可。 （ 1）額 定運(yùn)行狀態(tài) 由圖 24 可知，主電動(dòng)機(jī) 2 通過(guò)聯(lián)軸器 1 將運(yùn)動(dòng)和力矩傳給軸 Ⅰ ，再通過(guò)齒輪 4 和軸 Ⅱ 傳給 2KH 行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心輪 8。 （ 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(jī)啟停信號(hào)、主電機(jī)啟停信號(hào)、各電液比例調(diào)速閥和電液比例溢流閥的控制信號(hào)以及發(fā)聲發(fā)光報(bào)警信號(hào)等各種輸入輸出 信號(hào)，并對(duì)系統(tǒng)的各種動(dòng)作實(shí)施相應(yīng)的控制，確保系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和裝置的正常運(yùn)行。 第 2 章 帶式輸送機(jī)可控變速裝置的特點(diǎn) 13 128746539潤(rùn) 滑 油 液 圖 25 液壓系統(tǒng)原理圖 Principle of the hydraulic system 1 油箱 2液壓泵 4單向閥 5液壓馬達(dá) 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 1Tank 2Hydraulic pump 4Oneway valve 5Hydraulic Motor 6Electrohydraulic proportional throttle 7Relief 8Electrohydraulic proportional relief valve 9 electrohydraulic proportional speed valve 電液比例調(diào)速閥 9 可控制潤(rùn)滑油液的流量。因此，這是一種科學(xué)合理的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此，帶式輸送機(jī)可控變速裝置碩士學(xué)位論文 12 的總體結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)新穎，制造成本低，備件購(gòu)置方 便，維護(hù)和日常運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)。從工作原理上來(lái)講，與 機(jī)械類(lèi)軟啟動(dòng)裝置有相似之處，但是由于該裝置采用了液壓傳動(dòng)技術(shù)和 先進(jìn)的可編程 控制器（ PLC）及其擴(kuò)展模塊等作為控制系統(tǒng)，又使得它具有許多特別之處。 BOSS 系統(tǒng)裝置傳動(dòng)效率低，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，傳動(dòng)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(fù)雜，價(jià)格昂貴。 機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置：大多是通過(guò)改變機(jī)械系統(tǒng)的工作原理而不是依賴(lài)于電動(dòng)機(jī)本身的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。其工作原理是通過(guò)控制器調(diào)節(jié)功率器件中的絕緣柵極，使進(jìn)入功率器件的交流電源頻率發(fā)生變化。 BOSS 系統(tǒng)：該系統(tǒng)是澳大利亞 NM 采礦國(guó)際有限公司研制的，適用于帶式輸送機(jī)單機(jī) 200~500KW 的可控系統(tǒng)。如圖 23所示。這樣，需要在啟動(dòng)開(kāi)始階段加入一段時(shí)間延遲段。此處加速度最大值比 Harrison推薦的大 27%，加速度的一階導(dǎo)數(shù)在 t=0、 T/2及 T處均不連續(xù)，但加速度導(dǎo)數(shù)的峰值只是 Harrison曲線(xiàn)的 81%。 圖 21 Harrison啟 動(dòng)曲線(xiàn) Harrison startup curves 圖 21中， t=0時(shí) 啟 動(dòng)加速度為零，此后速度平穩(wěn)增加； t=T/2時(shí)加速度達(dá)到最大值，然后逐漸對(duì)稱(chēng)地減小，速度繼續(xù)增大； t=T帶速達(dá)到輸送機(jī)設(shè)計(jì)帶速 v0時(shí)，加速度減小到 0。 理想軟啟動(dòng)曲線(xiàn) 針對(duì)大型帶式輸送機(jī)的實(shí)際工況，理想的驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)滿(mǎn)足以下技術(shù)要求： （ 1） 啟 動(dòng)時(shí)間可在一定的范圍內(nèi)調(diào)整，使帶式輸送機(jī)平 穩(wěn) 啟 動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)載 啟 動(dòng)； （ 2） 啟 動(dòng)加速度控制在一定的范圍內(nèi)，可有效降低 啟 動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)初張力，降低整機(jī)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(jī)啟動(dòng)或多點(diǎn)中間 起 動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)的功率平衡； （ 4）電動(dòng)機(jī)空載 啟 動(dòng)，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊； （ 5）具有過(guò)載保護(hù)功能； （ 6）帶式輸送機(jī)瞬時(shí)停車(chē)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不停電動(dòng)機(jī)，提高電動(dòng)機(jī)使用壽命； （ 7）帶式輸送機(jī)低速檢帶運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱導(dǎo)致停車(chē)故障，確保正常檢修工作。 帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)是指動(dòng)力輸出裝置在其系統(tǒng)即便是滿(mǎn)載的情況下應(yīng)能提供足夠的 啟 動(dòng)時(shí)間，使 啟動(dòng) 動(dòng)加速度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，而且能夠按照既定的要求逐步克服整個(gè)系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地 啟 動(dòng)或停車(chē)。 （ 2） 針對(duì)可控變速裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立帶式輸送機(jī)可控變速裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的 數(shù)學(xué)模型。 大連理工大學(xué) 的宋景玲和史大光 以及中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的李偉等在齒輪和行星輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、參數(shù)化繪圖等方面也展開(kāi)了各具特色的研究工作 [3335]。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)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(kāi)發(fā)方法，并利用 AutoCAD 創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線(xiàn)齒輪參數(shù)化造型的設(shè)計(jì)程序和驅(qū)動(dòng)程序。 華南理工大學(xué)的王澤林和郭瑩等學(xué)者對(duì)圓柱齒輪和蝸桿變速裝置的動(dòng)態(tài)建模作了較為深入的研究 [27] [28]。 第 1 章 引言 5 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究工作雖然起步較晚，但是已有了很大進(jìn)展。 美國(guó)羅徹斯特理工學(xué)院（ Rochester Institute of Technology） 的 Egelja教授進(jìn)行了蝸桿傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性分析及其 CAD系統(tǒng)的研究工作 [21]。 法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)（ University of Grenoble）的 Tsay, 進(jìn)行了基 于特征的參數(shù)化齒輪系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 [19] [20]。 本文以可靠性工程、離散數(shù)學(xué)、規(guī)劃論及計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)， 對(duì) 帶式輸送機(jī)可控變速裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及三維建模方法進(jìn)行研究。參數(shù)化技術(shù)的提出，令 CAD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了劃時(shí)代的技術(shù)革命，使人們逐步認(rèn)識(shí)到參數(shù)化三維造型 系統(tǒng)的魅力。為解決這些問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維實(shí)體建模就成為必然的發(fā)展趨勢(shì) [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(kāi)展，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化、自動(dòng)化不可缺少的重要環(huán)節(jié) [14] [15]。隨著市第 1 章 引言 3 場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈及全球市場(chǎng)的形成，對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)， 21 世紀(jì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心將是新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力及制造能力， CAD/CAM 技術(shù)作為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的強(qiáng)有力手段，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它的應(yīng)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(shí)現(xiàn) [9]。 帶式輸送機(jī)可控變速裝置在國(guó)外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但到目前為止國(guó)內(nèi)這種產(chǎn)品應(yīng)用還比較少。 “ 軟啟動(dòng) ” 是指機(jī)械設(shè)備在空、重載工況下，能夠逐步克服整個(gè)系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動(dòng)，而這種啟動(dòng)是可控的 [7]。驅(qū)動(dòng)裝置是帶式輸送機(jī)的心臟，從某種程度上來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)裝置的性能就決定了輸送機(jī)的性能。同時(shí)，提高輸送帶的強(qiáng)度等級(jí)還必須相應(yīng)加大滾筒碩士學(xué)位論文 2 的直徑，以滿(mǎn)足輸送帶最小彎曲半徑的要求，從而又加大了機(jī)械加工件的初期投資。 （ 2）振動(dòng)問(wèn)題 帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存在著諸如輸送帶的縱向、橫向、側(cè)向振動(dòng)，動(dòng)力裝置、滾筒和托輥等旋轉(zhuǎn)部件的振動(dòng)，裝卸載時(shí)物料的沖擊振動(dòng)以及基礎(chǔ)的振動(dòng)等各種形式的振動(dòng)，這些振動(dòng)對(duì)于大型帶式輸送機(jī)來(lái)說(shuō)表現(xiàn)得更為明顯和強(qiáng)烈。 近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè) 現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，綜合機(jī)械化采煤工藝的推廣應(yīng)用使得礦井的開(kāi)采量和運(yùn)輸量日益增大，從而 長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、大功率 輸送設(shè)備的需求量越來(lái)越大 [2]。 Optimization Design。 （ 3） 以 Visual ，編制優(yōu)化計(jì)算程序，并以 SolidWorks的三維建模功能為基礎(chǔ)， 實(shí)現(xiàn)了 帶式輸送機(jī)可控變速裝置 的 參數(shù) 優(yōu)化與 三維 自動(dòng) 建模的 一體化設(shè)計(jì) 。 為 了 進(jìn)一步提高其 整體 設(shè)計(jì)質(zhì)量 ， 縮短設(shè)計(jì)周期 ， 降低設(shè)計(jì)與制造成本， 實(shí)現(xiàn) 優(yōu)化 設(shè)計(jì)與 三維 參數(shù)化 建模的自動(dòng)化和一體化， 對(duì)帶式輸送機(jī)可控變速裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 及參數(shù)化建模方法 進(jìn)行 深入系統(tǒng)的 研究 ，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義 。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě) 2）工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。據(jù)我所知， 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 已在文中作了明確說(shuō)明并表示謝意。保密的論文（設(shè)計(jì)）在解密后適用本規(guī)定。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà) 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類(lèi)課題應(yīng)有程序清單，并提供 電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 摘要 iii 摘 要 近十幾年來(lái)，以計(jì)算機(jī)為工具、以數(shù)學(xué)規(guī)劃論為理論基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。 本文針對(duì) 帶式輸送機(jī)可控變速裝置 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，認(rèn)真研究了以下三個(gè)方面的問(wèn)題： （ 1）基于帶式輸送機(jī)可控變速裝置的工作原理和功能要求，對(duì)其進(jìn)行 了 運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析 、傳動(dòng)效率分析 以及蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性分析。 關(guān)鍵詞： 帶式輸送機(jī) 可控變速裝置 優(yōu)化設(shè)計(jì) 參數(shù)化建模 Abstract v Abstract In recent decades, the optimization design method that grew from taking puter 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 important transportation facilities that carries dispel goods, and driving device is its key part. I