（机械电子工程专业论文）串联盘式管道连续输送机的虚拟设计及其实验研究.pdf

辽宁工稷技术大学硕士学位论文 摘要 串联盘式管道逶续输送机是一种新篷盼散辩输送设备，它蘸满足对环 境要求很高的输送镁务，焉且所占空阉小，效率麓，运输成本低；它麟决了粉 体机械输送中重质粉料远距离输送的难题。“威拟设计+ 实验研究”综合设 诗法怒集“动态设诗、可巍铑设诗、缝褥分摄理论+ 实验硬突”豹绕点，戮 提高产品总体质量为目标的先进设计方法。 鼹输送稳传动系统懿静力学耩运动力学遴行势橇，稚导爨牵雩| 链条鹣 速度及加速度变化规律：谯链运行方向和振动方向创新的运用波动理论和 弦振动理论，分别掇导出奠横向和缴向的霹有频率，我至l 牵弓l 机 勾的共振 点。并利用离教化的方法建立了串联盘戏管道连续输送机传动系统在无阻 尼情况下的动力学模型。 裂臻“纛教设谤+ 实验疆究”综合设诗方法，对枣联盘式管道连续输送 机进行了可视化设计。建立了串联盘式管道连续输送机的三维可视化模型， 在三缀模鍪下对零髂进行了有限元分拆稻模态分辑，并在纛羧可褪纯戆环 境下，对串联盘式管道连续输送机的整体工作性能进行分析、评价和修改， 敦实现其装配过程可褫亿；将所设计的串联盘式管邋连续输送枫在仿真软 传中遂萼亍虚拟运动仿真，以实现葵工作过程的可视化。 利用“虚拟设计+ 实验研究”综合设计方法，对串联盘式管道连续输送 擞透露了实验霹究，设诗热工出了实验撵瓤；设诗出了驱动羚褪矩测量纹， 实现了在输遴系统避转过稷中扭矩的在线测量。因此利用“虚拟设计+ 实验 辑究”综合设计方法，疆率联盎式管道连续输送穰轰聒究对象送行研究昊畜 重要的理论意义及应用价值。 关键词：串联盘式管道连续输送机： 动态设计；可视化设计；结构分析； “虚拟设计十实验研究”综合设计方法； 有限元分析；模悉分析 辽宁工程技术大学硕士攀位论文 i i a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u sc o n v e y e ro fd i s c t u b ea s s e m b l 歹i san e wt y p ef o rw a yo fb u l ks o l i d s t r a n s p o r t a t i o n i tc a l l to n l ym e e tt h et r a n s p o r tt a s ko fh i 8 1 1d e m a n dt ot h ee n v i r o n m e n t , 谳t l l b yt a k i n ga s m a l ll e s ss p a c e ，h i g h e re f f i c i e n c ya n dl o w e rc o s t ；b u ta l s os o l v et h ed i f f i c u l t p r o b l e mo fl o n gd i s t a n tt r a n s p o r t a t i o nf o rh e a v yp o w d e rm a t e r i a l t h e v i r t u a ld e s i g na n d e x p e r i m e n ts t u d y s y n t h e s i sd e s i g nm e t h o di sc e n t r a l i z i n gt h ea d v a n t a g eo f d y n a m i c d e s i g n , v i s u a ld e s i 擎a n ds c e n a r i of o rs t r u c t u r e ，t h em e t h o di sv e r ya d v a n c e dw i t hi t sa i m t oi m p r o v et h ep r o d u c t sg e n e r a lq u a l i t y t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs t a t i ca n dd a n a m i cf o r c ei nt h ed r i v i n gs y s t e mo ft h ec o n v e y e bi t c o m e st oac o n c l u d ei tc o n c l u d e sl a w sa b o u tt h el a w so ft h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o ni n d r i v i n gc h a i n mt h ed i r e c t i o no fr u n n i n ga n dl i b r a t i o n w ei n n o v a f l yu s et h et h e o r yo f f l u c t u a t i o na n ds t r i n g - l i b r a t i o n , c o n c l u d et h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo fx - d i r e c t i o na n d y - d i r e c t i o n , a n df i n dt h er e s o l 瑚t c ep o i n to f t h ed r i v i n gs y s t e m b e s i d e s ，t h ed y n a m i cm o d e li n d r i v i n 嚣s y s t e mo ft h ec o n v e y e ri se s t a b l i s h e dw i t ht h r o u g hs c a t t e r e dm e t h o do i ln od a m p i n g o c c a s i o n v i s u a ld e s i g no f t h ec o n t i n u o u sc o n v e y e ro f d i s c - t u b ea s s e m b l yh a sb e e nc a r r i e do nw i t h t h em e t h o do f “v i r t u a ld e s i g n + e x p e r i m e n ts t u d y ”t h ev i s u a lm o d e lo f t h r e e - d i m e n s i o no f t h ec o n v e y e rh a sb e e ns c tu p t h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i so fs o m ep a r t s h a v eb e e nm a d eu n d e rt h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e l t or e a l i z et h ev i s u a lp r o c e s so ft h e a s s e m b l y , t h ea n a l y s i s ，a p p r a i s ea n da m e n d m e n to ft h ew h o l ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h e c o n v e y e rh a v e b e e nc a r r i e do i l a n dt or e a l i z ev i s u a l i z a t i o no f t h ew o r k i n 垂p r o c e s s ，t h ev i r t u a l m o v e m e n te m u l a t i o no f t h ec o n v e y e rh a sb e e nu s e di nt h ee m u l a t i o ns o i b z q a r e 。 m a k i n gu s eo f t h e v i r t u a ld e s i g na n de x p e r i m e n ts t u d y s y n t h e s i sd e s i g nm e t h o d ， w eh a v ec a r r i e do nt h ee x p e r i m e n ts t u d yo ft h ec o n t i n u o u sc o n v e y e ro fd i s c - t u b ea s s e m b l y , d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt h ep r o t o t y p et ot h ec o n v c y e nt h et o r s i o nm e a s u r i n gs y s t e mo f d r i v ew h e e lh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ep r o t o t y p e a n dw es u c c e e d e di n 撇l i 矗n g m e a s n r eo n l i n e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ec o n t i n u o u sc o n v e y e ro f d i s c - t u b ea s s e m b l yh a s i m p o r t a n tm e a n i n gi nt h et h e o r ya n dg r e a tv a l u ei na p p l i c a t i o nb ym a k i n gf u l lu s eo ft h e v i r t u a ld e s i g na n de x p e r i m e n ts t u d y ”s y n t h e s i sd e s i g nm e t h o d k e yw o r d ：m o d a la n a l y s i s ；t h ec o n t i n u o u sc o n v e y e ro fd i s c t u b ea s s e m b l y ；“v i r t u a l d e s i g na n de x p e r i m e n ts t u d y s y n t h e s i sd e s i g nm e t h o d ；d y n a m i cd e s i g n ；v i s u a ld e s i g n ； s c e n a r i of o rs t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s 本论文的研究得到辽宁省教育厅重点项目资助 项目名称：串联盘管道输送机的理论及应用研究 项目编号：2 0 0 8 1 2 1 8 铹耩点声明 本人声溺所呈交豹学位论文是我个人在导师夔指导下遴行羲磷究工作 及取得的研究成果： 对输送机运动系统的运动力学进行分析，摊导出牵弓i 链条的速度及加速 度的燮纯援律。在链运行方囊纛横淘摄动方囊麓薪圭囊运恁波动理论稷弦振 动理论，分别推导出其纵向和横向的自振频率，找到牵弓 机构的共振点。 根据串联盘式管道连续输送机的力学特性，利用可视化理论在 u n i g r a p h i c s 软佟中瓣输送掇整撬进行建模、装醒窝运动弦真，实褒了主要 零部的有限元分析、模态分析和干涉检落，通过理论建模和仿真分析得出某 些优化结果，保证机械产晶具有的优良性能。 设诗裁造安装了输送枫样辊，在样极上戆驱动轮上设诗安装了掇矩测试 仪，实现了扭矩的在线测量，验证了理论方法的正确愀。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：二程幽)日期：旌丝：主：芝 辽宁工程技术大学碾士学位论文 1绪论 1 1现代设计方法 机械产品的市场竞争目趋激烈，人衍愈来愈渴望获得高健麓的产黼。为 了达到目的，从根本上确立产晶的优挝品质，产品设计理论的创新已成为各 发达工娩国家关注的热点【l 】。长期以来，科技1 _ = 作者试图通过研究与开发( 其 中主要的阶段是漫计出高质量的产品) 来满足用户对产品广义质量的要求， 尽最大努力来提高所研制产品的质量。到目前为止，为了研究开发出简质量 的产品，已提出了数十拳中设计方法，图1 1 从不同角度对这些设计方法进行 了分类。 图1 - 1现代机械设计方拣的种类 扶设计过程基看夺：方案没谴或秘步漫甘；整工设计；工艺设计。 从设计内容来看有；概念漩计或方案设计；结构设计；工艺参数设计； 遴型设诗；传动设诗：黠攘学设诗；纛动学设诗；动力学设计；强度设诗； 可靠性设计；试验设计；工艺设计；搂制系统设计等。 默没诗方法寒看有：全生露周裳倪匏设诗法；露翔产品慧葵蘑爨豹广 义优化设计法优化设计：智能设计；虚拟设计；可视化设计；网络设计； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 并行设计；协同设计：相似性设计；数字化设计；j 次设计等。 从设计思想与观点来看有：绿色设计 一创新设计；稳健设计；基于质 量功能展开的设计( q f d ) ；基于系统工程的设计；基于价值工程的设计等。 由于目前机械设备的多样性与复杂性，以及各种设计方法目标与研究 内容的局限性，单一方法通常只考虑产品质量或产品性能的某一方面或某 些方面，这一不足应该是十分明显的。要想用一种设计方法全部概括所有设 计内容，全面地实现用户对产品的总体质量的要求，这是十分困难的。 1 2虚拟设计技术以及相关设计方法 1 2 1虚拟设计技术1 2 1 虚拟设计技术( v i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g y 简称v d t ) 是由多学科先进知 识形成的综台系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品 设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预 测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸 性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利于更有效更经济灵活地组 织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有效，以达到产品的开发 周期成本的摄小化、产品设计质量最优化、生产效率的摄高化。 虚拟设计技术是由各个“虚拟”的产品丌发活动来组成，由“虚拟”的 产品开发组织来实施，由“虚拟”的产品开发资源来保证，通过分析“虚拟” 的产品信息和产品开发过程信息求得对开发“虚拟产品”的时间、成本、 质量和开发风险的评估，从而作出开发“虚拟产品”系统和综台的建议。虚 拟设计技术的最终目的是缩短产品开发周期，以及缩短产品开发与用户之 间的距离。 虚拟设计技术生成的虚拟产品是现实产品在计算机环境中数字化的映 射。由于虚拟设计技术希望在产品物理实现之前评价“产品”，所以产品设 计是重要环节，产品评价及再设计是重要内容；同时虚拟设计技术的“虚拟” 特点常通过仿真表现，并要求在虚拟环境下实现充分的人机交互。 虚拟设计技术的一个重要工具是计算机及其应用软件。现代工程从设 计、管理、制造到储存的每一个环节都已广泛应用计算机。图1 2 是利用 v d t 的设计流程图。从图中可见，现代计算机辅助设计( c a d ) 中必须有功能 v d t 的设计流程图。从图中可见，现代计算机辅助设计( c a d 】中必须有功能 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 稳当宠鍪鹣诗雾瓤辕秘分掇( c a a ) 巧节，驻实瑰激诗算结梅力学麓鼙疆夔鸯 限元分析、以计算多体系统动力学为基础的机构的静力学、运动学、动力 学等。 从图1 2 中可以看出，虚拟设计技术的流稷就是从产品的概念设计到廉 叛装醚，在装配建模盼基础上，实现有限元分析、枫梅动态分析等等，c a e 的分掇功能，在分析过程中( 投入实际样机试制之前) ，发现有不符砖设计要 求的地方，返回设计阶段，进行更潋设计，再次j 藏行c a e 分析，如些反复设计， 在基零满足设诗豢探嚣，嚣投入撵掇生产。麸露竞残黢援设诗慰实黪生产过 程的分析、骏证和指导功熊。 圈1 - 2v d t 设计流程 1 2 2 裙关的设计方法 虑拟设计技术涉及到众多相关领域，现仅就与本课题研究密切相关的 动态设计理论、装配模型瑗论的可视纯设计和结构分析理论作一简单介绍。 f l 滋态设诗 枫械动态设计的目的是希望所设计的机械设备在投入生产后能处在较 遴糠静狡态下工作，不仅蘸获得满意的王艺指标，还要求机械设备麓可靠蘸 辽宁工程按术大学硕士学位论文4 工作，同时应满足工作寿命的要求。 嫠体缝说，机械动态设计通常包括以下j 亡义的和狭义豹两类嚣的 3 - 1 1 j ： 广义豹：在初步设计过程中根据以往经验、理论和试验研究成果来选 择和计算机器的运动学和动力学参数，确定机器及英零部件的形式、形状和 尺寸，以便获得良好的工艺指标，保证机器安全可靠运行。在初步设计完成 后，通过模型试验或实际机器试验，检验机器的动态特性，对设计结果进行 校核和修改。 狭义的：在完成初步设计后，对所设计的杌械结构进行建模，研究与分 辑其动态特性，并在可箍情况下进行试验分柝，检验其动态特性，进两对机 械设备豹图样进彳亍审核、修改或重新设讲+ 。 国可视化设计 虚拟设计制造( v d m ) 是信息时代设计制造技术发展的重要标志，它利用 了在计算机上形成的虚拟模型和仿真环境。如美圜波齑公司的波音7 7 7 客 机的歼发完全是在计算机上实现的，全部在虚拟的环境下进行。可视化设计 是在虚拟空间里对产品进行设计，对产品的设计可行性进行检查；是在虚拟 空间驻对产品进行装配，对w 装配性进行综合评价和检验；楚在虚拟空间崖 对产晶的制造工艺性遴行设计，辩可制造性进行评价移检查；是在虚拟空润 墼对产品进嚣仿真材料设计，对用户的认w 程度进行评价；是在嶷拟空间墨 对产晶的应用场景进行仿真，为公司提供逼真地宣传材料。总的来看，我国 虚拟设计制造技术的研究刚剐起步，多数是在原先的c a d c a m 及仿真技术 的基础上进行，系统的、全狮的虚拟制造技术的研究尚朱开展，目前多数仍 停留在国外理论的消化与国内环境的结合上。可以看出，以装配过程为核心 的产晶数据管理技术、智能化装配与检验技术、综合分析与评价技术等，l 三【 及开发自主知识产权的软伟，将是今磊一段时闻人们研究的热熹和发展方 向d 2 - 2 2 1 。 机械系统豹可视化虚拟设计是在计算机上先建立关键产品零件的三维 模型，利用软件提供的功能对三维模型进行有限元分析，如果强度满足要求 再按照产品的装配关系完成其它零件及部件和整机的三维装配模型，在此 基础上应用软件提供的功能，进行装配零件之间干涉检查，一旦发现设计不 合理之处及时调整与修改产品零件的三维模裂，再对产品零件的三维模攫 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 进行有限元分析，赢到装配干涉检查完成，完成后的整机或都件还可以在虚 拟状态下进行模态分析、运动分析，使整令设计过程都在寝援状态下完成， 从两缩短产蒹设计、刳造与装配生产周期，降低产晶生产成本。其具体步骤 如下： 按照动态设计的初步结果建立关键零件的虚拟三维模型。 对零件的三维模型进行有限元分析；如果满足强度要求进行第三步， 否则修改其模型。 按照装配关系建立其他零件的三维模型，闻样进行有限元分析。 确定装瓤层次，装配层缕次是指总装配体的子装配体的组成。 礁鬼装醚蹶彦和确定装饕己约束根搌机械系统零酆件的结构尺寸形式 秘各个部传闻的约束关系，确定楚个设备的装配顺序。装配约束是确定基准 件和其它组成件的定位及相互约束关系，主要由装配特征、约束关系和装配 设计管理树组成。装配的约束关系主要有面贴合、对齐、定向等几种方式。 干涉检套装配体的干涉检查蹩指在特定装配结构形式下，检查装配 体的各个零部件之间的相对位置关系，是否存在干涉。 对装配徭的系统进行模态分析，获得模态参数，与动态设诗结果送行 比较。 根据需要利用软件的功能对虚拟的零件、部件或蹩机进行运动分析。 对部分零部件赋予材质，进行逼真处理。 对虚拟装配后的整机进行场景逼真处理。 ( 3 ) 结构分析理论, 2 4 1 对于虚拟设计技术来说，必须建立一套能有效支持可制造分析的产品、 工艺和生产系统模型，继而辩所建模篷进行数字化仿真以及可褫化，对产晶 设计、工艺设计、生产规划和调度进行谱价鞠优纯。计算机仿真所起韵作 用是不哥替伐豹。 运耀仿真软传对模型进行测试、优化，提高了质量，节省了人力、物力 及时间的开销。 仿真的最大优势是“放缩”时间，既可对产品瞬时状态及参数进行研 究，又可对产品的整个生产流程进行“浏览”。 可赢观魄观测变量问的相互作藤及对往能的影响程度。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 定量攘述与定经分掇程互骏涯。 利用动画效果或虚拟现实技术直接对模型进行操作。 糕予分耩与突破系统“瓶颈”运戆。 u n i g r a p h i c s 软件的结构分析模块，愚c a e 威用软件，具有强大仿真管理 能力，可以对同一零件或装配件建立、管理不两的分析方案，可以方便地用 于零l 牛设计的分析秘评佶，本文主要应用结构分析模块中的聪个郝分： 线性静力学分析：是最潦本的工程分析，也就是我们常说的有限元分析， 主要求解结构在静力载蔫髂雳下弓| 超魏谯移、疲力、嶷交露力等。 模态分析：对承骚动态载荷的结构进行动力分析是非常重要的。通过模 态分橱戳确定结梭豹阖鸯频率移攘黧，鋈裔频率帮缀型愚承受动鼗蘅缭 构设计中的熏要参数。 1 3选题的目的及意义 1 3 1输送机 散狡物辩赣送捺穰是怒重运输楹被孛广泛疲震瓣释形式。广泛应翊 在港口、发电厂、冶金厂、水泥厂、粮食、化工等行业，主要用于运输煤炭、 矿石、永混、粮食、药晶、纯腮、药耪及碳黑簿。它一般由荦祝葳系统缀 成。散状物料运输机械系统通常幽远距离运输、转载、挖取、堆积等设备 构成，为了适应运输不同种类、不问块庹及不同湿度物料酊需要，以及满足 不嚣输送场她、不网繇保黪要求，溜内强已经开发了许多秽类戆连续输送设 备，其中运输散状物料的机械主要有普通带式输送机、管式胶带输送机、气 垫萤式输送橇、螺麓输送辊、气力徐送凝、刮教辕送橇、淫翻叛输送楗等。 各种输送机有自己的优点，同时也有它的缺陷。这些传统运输设备有的污染 环境，裔豹振灞强烈、产生很大的噪声，有酶生产效率低、能耗大。饲如： 胶带输送机和气垫带式输遴机具有输送物料种类广泛、输送能力范围大等 优点，但它输送的物料暴鬣在空气中，给环境造成较大的污染；管式胶带输 送规熊解决瓣染巧壤豹闽题，但它戆运竣成本较懑；刮叛输送凝和蠼巅援戆 送机输送物料种类广泛，能适应较恶劣的环境，但它的噪声大、振动强烈、 效率低。螺旋输送狐糍漆憩运输敖耨及粉辩要臻，不污染臻壤，毽螺旋辕遴 机的运输能力低，输送距离小，适应地形的能力潍。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 目前，很多的粉体输送采用气体输送机。气体输送机在输送物料时小污 染环境，适应地形的能力好；但输送距离受艰制，输送的物料会有一部分吸 附管道壁上或过滤网上，时间一长会堵塞管道；气体输送要求很高的气体压 力，在强力的气流输送下，物料之间相互碰撞，会对物料造成磨损，降低物料 的粒度，同时降低物料的等级，对于怕磨损的物料很不合适。 串联盘式管道连续输送机是一种新型的散料输送设备。它能满足对环 境要求很高的输送任务，而且所占空间小，适应地形能力强，输送距离大，不 损伤物料，效率高，运输成本低。英国、澳大利砸、美国、德国已经有了这 种产品，国内还没有这种产品，对它的研究还刚刚起步。因此本文选取串联 盘式管道连续输送机进行研究，可以填补围内这方面研究的空白，具有重要 的理论意义及应用价值。 1 3 2串联盘式管道连续输送机概述 串联盘式管道连续输送机最初是由英国工程师r o b e r t w a l k e r 发明的， 在1 9 5 0 年后半年，他被要求去帮助设计一个工厂，要求需要一个费用不高的 输送机输送大豆物料。在市场上，他没找到合适的运输设备，因此，他开始设 计一个简单的输送系统。他制作一个样板机，由一个绳子串联一个木制圆盘 在管道内运行，运行效果良好。因此，他和他的同伴及他的妻子开了一个公 司，为输送粉料物体修改设计，并申请了专利。第一台输送机f l o v e y o r 首 先在1 9 6 2 年p e r t h 农业部展现过。 图1 - 3国外现场应用照片 在1 9 6 4 年，他和他的同伙改变成联合公司：p r o d u c t i o n m a c h i n e r yc o p r y l t d ，这个公司经过4 0 多年有了很大的变化，它的产品在世界各地广泛销售， 并且用途广泛。但对这种设备的理论研究还非常少，如图1 3 是国外凡张现场 应用照片 2 5 - 2 6 】。 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 它的工作藤理是：在封闭的管道内用钢丝绳或钢链串联起来的潮盘作 为牵弓l 机构运输物料豹。它满足对环境要求舔海的输送任务，蔼怠占遗蟊积 ，l 、，效率裹，运输成本羝；串联盘式管遵连续簸送机的适用范围较广泛，除了 一般粉状，颗粒状，弹丸状及脆性材料外，还可输送象二氧化钛，氧化钙，炭 黑，氧化铁，硅石等重质材料。粉体物料在三维空间内沿封闭管道直线移动， 输送机布嚣灵活，形式多样，可水平布置、竖直布置、倾斜布置及z 型布置。 垂直单机输送距离可达二十米左右。它对物料无破坏作用，设备的运行维护 简单，清理方便，系统其有自清理功畿。它解决了粉体t 机械输送中重质粉料 远距离输送的难题 2 7 - 4 2 。 “ 我国对这种设冬的磺究还刚翘起步，还处于理论研究和试验阶段。上海 市化工装备研究所生产的管链式粉体输送机，其牵引链采用的是链环，最大 输送长度达到2 0 m ，高度达l o m ，生产能力低，能量消耗大，已在上海四家化 工厂应用，但他们的设计还处于模仿阶段。 1 3 。3 “虚拟设计+ 实验研究”综合设计方法的推出 串联盘式管道连续输送机是一种新型的散料输送设备，对宦的研究属 于新产品开发，但国外已有这类产品可以借鉴，为了使串联盘式管道连续输 送机在设计之初在个较高的起点上，在较大范围内采满晟用户对产品综 合质量的簧求，基于串联盎式管道连续输送梳静态设计理论的磷究豢本宪 、 等，动态设计理论奄待于完善，矫以本论文豹重点就是把理论的磷究上舞到 一个高度，用计算机虚拟设计出产品的每一个零部件，然后对设计出的零部 件在微机上实现虚拟装配，并进行虚拟运动仿真，来实现产品的可视化设计 在这种可视化的基础上，可以对产品的主要零部件进行有限元分析，实现零 部件结构分析的可视化，然后将分析结果反馈，指导零件的两设计；还可以 在微机上对传动系统的进行运动分析和模态分析，在虚拟环境下得 赫产品 的动态参数。所戬本论文研究豹主要海容就是产品豹在微机上的虚拟设计， 其中包括缀多瑰代设计方法。由于作者本人在“串联蠹式管道连续竣送机 的理论及应用研究”中具体负责串联盘式管道连续输送机的三维造型设计、 可视化设计以及动态仿真方面的研究，本论文的题目是“串联盘式管道连续 输送机虚拟设计及其实验研究”。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 枣联盘式管道连续蓑送爨豹实验磅究包据实兹试验或摸垄试黢与试验 建模，通常包括以下内容： ( 1 ) 选用逶当懿试验方法。 ( 2 ) 测定所设计机器及其零部件的模态参数釉动态特性。 ( 3 ) 依据实验数稍，对系统的参数进行识别。 ( 4 ) 对机器的初步设计邀荦亍审核。 总之，“采用虚拟设计+ 实验研究”综合设计法非常适合产品设计的初 麓，在产晶未骞榉熬爨理之蓠豹浚诗，怼现代搬摭产麓遴毒亍设诗，褥会有效 地加遮企业对先进理论与方法的应用，加速提商企业产品设计的技术水平， 馒产晶在设诗豹裙璐除段靛壹躐遮震嚣在设诗者纛厂商豹覆蔫，缀薤了设 计周期，加快了样机的设计实现，并进而提升我国装备制造业设计技术水平 和企业在市场中的竞争麓力，同时会显著提高企业的缎济效蔬与社杂效益。 1 4 本文缒主要研究内容 “串联擞式管邋连续输送机虚拟设计及实验研究”综合设计法，是对串 联盘式管道连续输送枫进行理论及实验研究，得至i 串联盘式管道滚续输送 机结构设计及工作理论，并根据设计的结果加工成样机，反过来检验设计的 合理饿，为串联盘式管道连续输送机从设计理论到产晶的转化打基础。为此 本文变要骰以下工住。 ( 1 ) 串联盘式管道连续输送机的力学特性根据散立体力学理论，对串联 盘式蛰遂连续输送糗酶孛鬻壹线羧，弯 | 鑫段运行淹力特瞧送行分辑；分舞簸 送系统的速度、加速度变化规律；确定串联盘式管邋连续输送机的布置方 式，牵弓l 链条附张力分布藏律；确定串联盘式管道连续输送税簸优驱动轮落 数。 ( 2 ) 串联箍式管道连续输送机的虚拟可视他设计利用可视化设计理论 辩串联鑫式镣遂连续输送瓿送行秘步可援化设诗。裂建对串联盘式管道遗 续输邀机的静态设计理论，设计串联盘式管道连续输遴机零件的三维模型； 按照装糙程膨逶行豁终装黧；对帮释送行干涉检查；辩部穗避孳亍鏊橇装配， 将整机进行干涉检焱。对攘机进行运动干涉检悫。 ( 3 ) 串联盘式篱遒连续输送穰静穗态设计对串联盘式管道逐续输送 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 辊簧动系统貔蕊动链条避行兹张力分撰，诗算塞链条瓣鑫振瘸麓；东 u n i g r a p h i c s 软件上建立驱幼轮、轴及其他关键零件的三维模型，在三维模激 上进行静态裔限元分耩；猩u n i g r a p h i c s 簿串袋盔式管道连续输送耩传动系 统的驱动轮进行虚拟模态分析；利用离散化的方法建立串联盘式管道连续 输送机传动系统的渤力学模型，并确定了模型中各个参数的计算方法。 f 4 ) 串联盘式管道连续输送枫的实验研究设计驱动轮扭矩测试系统， 实现输送系统在运转过程中的扭矩测量。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 串联盘式管道连续输送机的力学特性 2 1 串联盘式管道连续输送机的结构及工作原理 串联盘式管道连续输送机用于传输粉料和颗粒状物料。所有的物料在管 道内通过移动元件的驱动来输送的。这个基本的移动元件是传动内件，传动 内件是由串联盘以相等的间距固定在传动链上，传动内件绕过两个特定形 状的链轮。如图2 1 为串联盘式管道连续输送机结构简图。 圈2 - 1 审联盘式管道连续输送机结构简图 l 。驱动轮2 输送管道3 进辩目4 。串联盘5 。链条牵寻l 机榜6 出料1 37 。从动轮 串联盘式管道连续输送机是用牵引机构( 钢丝绳或链节) 5 将一个个串 联盘4 等间距的串联起来，禚输送管道( 钢管或铝管) 2 内运行并环绕过驱动 轮1 和从动轮7 ，形成连续运输设备。左侧是重载段，右侧是空载段。物料 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 经遴瓣墨送入轰镶秘驱动耱之闫，在驱动轮豢淤链条逶嚣露，安装凌链条土 的串联盘将物料刮淹，物料在管邋内堆积在串联盘4 上，在驱动轮1 的驱动 下将秘褥高遂向上输送，在出料嚣6 处将物料瓣窭。这样穆瓣在整令运辕避 程中始终处于密封状态。这种输送机能以不同的角度运输，避免了对污染的 环境。 为了验诞串联盘式管邀连续输送枧豳链节牵引机枣留豹结掏可行性，先制 作了个4 m 长的模型如图2 2 ，经实践证明这种结构跫可行的。 盈2 2串联擞式管道连续输送规模溅 2 2输送系统运行阻力的确定 串联盎式管道连续输送祝输送系统运行阻力包掭物料运行阻力、牵弓l 链条及圆盘黧力、弯曲段嫩力。我们以蓬直布置豹串联盘式管道避续输送 机为例讨论释项阻力的计算方法e 2 7 - 4 2 。 2 2 1物辩运行阻力 磁直线段，当串联盘谯链条的牵引下载蔚物料上行时，每个圆盘上物 料的蛾性阻力为w h e 4 3 】 觋= 器。警咿啦- 1 ) 整个输送机上物料的阻力为髓 翰= 瓮。警柚争i ( 2 - 2 ) 式孛参串联蠢囊径，越； v 一一物料比重，n m 3 ； 辽宁_ ：】= 程技术大学硕士学位论文1 3 声藏面对物料的摩擦系数； 玉革个串联盘上物瓣嵩度，m ；一 承一整个串联凝输送枫输送高度，m ； 三串联盘问距，m 。 2 2 。2牵引链条及睡盘重力 由于串联盘输送机上圆盘等闻距布置，重载段及空载段的牵引链条 和圆盘重力相互抵消，因此由牵引链条和圆盘重力引起的运行阻力为零。 2 2 3 弯曲段阻力 在弯曲段，串联盘不与管壁接触，丽与转向轮接触，因此此阶段的运行 阻力主要是轮轴轴承转动阻力w w w w = 阮+ f 3 ) f z = 2 f 2 f z ( 2 3 ) 式中 凡凡一一分别为链条与驱动轮( 或转向论) 相遇点和分离点链条的 拉力，n ： 力一轴承转动摩擦系数。 2 3牵引能力的分析1 4 4 , 4 5 】 2 3 1布置方式 串联盘式管道连续输送机根据用户需求可以有如图2 3 布置方式。 根据现场空间条件，每种布谶方式可采取的驱动方式有头部驱动，尾部 驱动，头耀同时驱动等。当输送能力相葡时，采取不同的输送方式移驱动方 式，串联盘输送橇瓣运行阻力不弱，牵弓| 链条机构豹张力分布不相弼，串联 盘输送执的牵弓i 熊力也不同，下遵就几秭典型的驱动方式遴靠分扳，以得出 牵引力的计算模型，链节的张力分布规律及链条的强度验算准则。 ( a ) 垂直布置( b ) 水平耀篾 ( c ) 攘斜布置 图2 3 串联蠢输送枫盼奄置方式 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 2 3 2垂壹毒羹尾都驱动 ( 1 ) 阻力的计算 浅们根据逐点计算法计算出链条上各主瑟点张力，以便求出弯曲段阻 力w w 。如躅2 4 所示，l 患为镬节与驱动耱分离点，其张力为f l ，2 惑为链节 与转向轮相遇点，其张力为f 2 ，3 点为链节与转向轮分离点，其张力为f 3 ，4 a 为链繁与驱魂轮榴遘熹，箕张力秀懿。 备点张力如下计算 恐= f l + 拜2 f 3 = f 2 + w w f 4 = f + 矸4 媳动机零弓l 力f f = f 4 一f i = w 1 2 + 形w + 既4 3 霹 如 2 塑2 - 4垂直带置尾郝驱动承豢图图2 - 5尾帮驱动链耱楚图 2 段运行阻力w 1 2 觋2 = - - g 筚_ h 山 式中 g 单一一每缀藏菠镳节重，n 。 当矽i 2 怒负值时，2 a 的链条张力最小，为增加输送机传动效率，可以在2 点旖加一个预紧力，这个预紧力可通过律用在转向轮辅上的张紧力段给出， 这个张紧力w 班遁邀张紧装置施加在输送机上，如采用丝枉调节式张紧靛 置，有可能使恐调节到接：i 琏零的糨度。对于重力张紧式张紧装置，则见等予 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 尾部托架机械重量加上各种附加重量之和。预紧力可通过作用在转向轮轴 上的张紧力恐给出。 f 2 = f 3 = 妄f z 4 段运行阻力4 日 既4 2 g 单t - + 平稳运行时总阻力矿即等于所需牵引力f 形母w h + = 2 吼+ 鲁( e 警_ 1 ) 等 当w l - 2 是正值时，1 点张力最小。根据上述分析可知4 点张力为最大值。 整理得 f 毋现，z + 瓮。警- 1 ) 争( 2 _ 4 ) 由式( 2 - 4 ) 计算得到的最大张力尚需要乘以使用系数后，、幻、幻、幻以 后，才能得到链条上最大的安全工作载荷凡。即： r - - - - k lk 2k 3k 4f ( 2 - 5 ) 各使用系数具体值可按照表2 1 选取【46 1 。 表2 - 1使用系数数值表 项目使用条件硅用系数 不频繁冲击1 0 冲击频率系数k 频繁冲击 1 2 均匀载荷 1 0 链条载荷性质系数b 。 中等冲击载荷 1 2 重冲击载荷 1 5 中等干燥和湿度1 2 周围环境条件系数k ， 非常干燥、磨蚀、中等腐蚀 1 4 8 1 0h1 0 每日工作时间系数k 。 1 0 2 4h 1 2 ( 2 ) 牵引能力分析 串联盘式管道连续输送机链传动的驱动原理是：作为链条附件的串联 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 盘等间距固定在牵引链条上，牵引链条绕经传动链轮时与轮齿啮合，传动链 轮在驱动系统主动轴的带动下旋转，这样牵引链条产生周期性动张力， 牵引串联盘进行运动。在传动链轮上有开口，以便串联盘随牵引链条绕经链 轮时不与其发生干涉。这样装载在两个串联盘之间的散状物料，就可在输送 管与两个串联盘之间形成的近视封闭空间进行运动，进而达到输送物料的 目的。 如图2 5 为传动链轮结构简图，当驱动链轮以角速度c o 旋转，牵引链条绕 经驱动链轮时，一部分成圆周缠绕，一部分是直线缠绕，因此牵引链条的运 动是变速直线运动，并以驱动链轮转动一个角周期，由图2 5 可知，牵弓l 链 条绕经传动链轮与传动链轮转动一个角周期的中心角= 2 m z ，z 为传动链 轮的齿数。 电动机的工作拉力e e 一1 0 0 0 p ( 2 6 ) v 式中p 电动机对主动链轮的输入功率，k w ； 只电动机的工作拉力，n ： l ，链速，m s 。 为保证串联盘式管道连续输送机正常运行，应使只 f o ，又考虑起 动时的动载荷及一定的安全系数 e = ”f o ( 2 - 7 ) 式中”动载荷安全系数。 2 4 输送系统的运动分析4 7 】 2 4 1牵引链条速度分析 我们可做如下分析，设：驱动轮传动的角速度为国，驱动轮节圆半径为 r ，z 为驱动链轮齿数，驱动链轮转动一个轮齿所对应的中心角为口，口= 2 n z ， 所需时间为2 _ ，t z w ，称为一个啮合周期。在一个啮合周期中，链轮如图2 - 6 旋转 时，链节的销轴沿着链轮分度圆转动，其余的部分的轨迹不在分度圆上。假 设链条的主动边一直处于竖直位置，在图2 - 6 所示相位角为声的瞬间( 相位角 为链条销轴中心的水平方向之间的夹角) ，链速1 t = r c o ，则链条的作水平方向 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 振动的分速度矿，和沿链前进方向的铅直这度。分剐是： 矿，= v s i n p = r s i n f l + ( 2 8 ) v y = v c o s 声= r o c o s ( 2 _ 9 ) l r 一 j滩带 ，则商 夕泌。 图2 - 6链传动的运动图 驱动链节上每个链节对应的中心角是口= 2 靠尼，随着驱动链轮的旋转，即 驱动链轮由l 点2 点的啮合过程中，每个链节从进入啮合捌脱离啮合， 在一搿2 帮g 2 之黼交纯，当声= 0 时，蘸进方囝链速y ，一= 露掰；当芦= + o ：2 时，前进方向链速y 。= r m c o s c t 2 。亩上瑟分析可知，尽管驱动链轮以掰作匀 速转动，链条的蔫送速度却嗣麓性邈斑小交大、由大交小，每转过一个链节， 重复次上述变化。 同样链条在水平方向的运行速度也作周期性变化，从而使链产生周期 性的振动，带来链工作的不稳定。以链条进入啮合点1 的瞬间( 即= ) 为时 间起始点，牵引链条的速度u 在一个啮合周期中链速成周期性变化，如图2 7 9 f 示。 2 4 2 牵引链条的加速度分析 串联盘浅管道输送机牵引链条运行的加速度可通过对速度求导获得 q ：孥：d r o o p ：r ( o ：c o s 芦( 2 1 0 ) 3 出l u 、 ：孥：坐掣= - r f 0 2s i n 胪_ ( 2 1 1 ) a y 2 i 2 i 3 卢( 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 瘩平( 藏动) 方自： 当t 由0 t 1 2 0 ，即当l 点至1 点和2 a 的中问点时，加速度的变化由d ，一减 小q 胁。当t 由o - a 1 2 ，瑟当1 淼帮2 熹静中阕点n 2 赢薅，秀拜速度瓣交佬蠢 弼m 增加到a ，一 吒曲= r a t 2c o s 吖2 a x 一= r o ) 2 镑壹( 逡行) 方淘： 当r 由c c l 2 0 ，即当1 点至1 点n 2 a 的中间点时，加速度的变化由a x m 增 加至球。 吱= o。= 一显国2s i n 彰2 当t 由0 一口2 ，即当1 点和2 点的e e 间点至2 点时，加速度的变化由q 晌 弼盯。 热略 董 鏊巧 蠹屯 蠹 鱼 翼q 乃。= 霆国2s i n o t 2 0 瓣0 嘏0 簖移a 20 a 2 0 0 艚0 艚 图2 7 在一个礁合周期中零i 链条速度变化规律 磁0 船0 礤0 确0a 20 勰0a 20 赭0a 2 图2 - 8 在一个啮合周期中牮引链条加速度变化规律 鑫l 上瑟式子哥黻看密，牵亏l 链条在运行 童程孛静麴速痰发垒三掰麓经突 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 变。加速度的变化规律如图2 8 所示，由于牵引链条的运行过程中加速度发生 周期性变化，所以牵引链条在运行过程中除承受静张力外，还承受周期性的 动张力。 2 4 3 牵引链条的动载荷 引起链条动载荷主要原因有： ( 1 ) 链条运行速度方向变化引起的惯性力： = 硼等一m r t o z sinmay m r 胪( 2 - 1 2 )2 2 聊孑一 胪() 当p = 土a 2 时，最大，且一- - - - + r n r c o z s i l l 沈= 士m r 0 3 2 s i n t d z = 士m c ：a z p 链条振动方向变化引起的惯性力 瓦硼q 堋等= m r c 0 2 c o s 胪( 2 - 1 3 ) j 当卢= 0 时，吆最大，且瓦。= m r o j 2 式中p 链节距，m ； z 一一链轮的齿数： 以上分析表明，链轮的转数越高，链的节距越长，链轮的齿数越少，则链 传动的动载荷就越大。 ( 2 ) 链在水平方向的速度v x 的周期变化参看图2 7 ，水平方向加速度q 引起 了链在水平方向上的动载荷，它使链产生横向振动。 ( 3 ) 链节与链轮啮合的瞬间，链节与链齿以一