可变速参数优化与三维建模方法研究毕业论文设计

论文编号： 论文题目：可控变速装置参数优化与三维建模 方法研究 摘要毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘 要近十几年来，以计算机为工具、以数学规划论为理论基础发展起来的优化设计方法在机械工程设计中得到了广泛应用。但是，将优化设计与计算机辅助制图相结合，实现参数优化与自动自动化结构设计的应用软件还不多见。带式输送机是当前最重要的散状物料输送设备之一，驱动装置是它的关键部件，先进的带式输送机驱动装置不仅对整机运行性能影响显著，而且对带式输送机的制造和使用维护成本具有决定性作用。为了进一步提高其整体设计质量，缩短设计周期，降低设计与制造成本，实现优化设计与三维参数化建模的自动化和一体化，对带式输送机可控变速装置的优化设计方法及参数化建模方法进行深入系统的研究，具有重要的理论价值和实际意义。本文针对带式输送机可控变速装置的结构特点，认真研究了以下三个方面的问题：（1）基于带式输送机可控变速装置的工作原理和功能要求，对其进行了运动学、动力学分析、传动效率分析以及蜗杆传动机构的传动特性分析。（2）结合可控变速装置机械传动系统主要组成零件大都已经标准化的特点，以传动系统总体积为目标函数，以取离散值或整型值的参数为设计变量，并从几何约束和性能约束两方面给出了约束条件，建立了可控变速装置离散优化设计的数学模型。采用改进枚举法进行优化计算，获得了比较合理的结构参数值。（3）以Visual Basic6.0为二次开发工具，编制优化计算程序，并以 SolidWorks的三维建模功能为基础，实现了带式输送机可控变速装置的参数优化与三维自动建模的一体化设计。关键词：带式输送机 可控变速装置 优化设计 参数化建模 iiiAbstractIn 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 important 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 parametric 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 included 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 established, 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, integrating 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; Parameterized Model目录目录摘 要iAbstractiii目录v1 引言11.1研究背景11.2研究的目的和意义21.3国内外研究现状41.3.1国外研究现状41.3.2国内研究现状51.4课题来源与研究内容62 带式输送机可控变速装置的特点72.1概述72.1.1软启动72.1.2理想软启动曲线72.1.3常用软启动装置102.2带式输送机可控变速装置的组成及工作原理112.2.1带式输送机可控变速装置的组成122.2.2带式输送机可控变速装置的工作原理142.3本章小结163 可控变速装置运动学、动力学分析173.1运动学分析173.1.1行星传动机构运动学分析183.1.2系统运行曲线223.2动力学分析233.2.1行星传动机构动力学分析233.2.2带式输送机可控变速装置的输出特性263.3蜗杆传动机构的传动特性分析263.3.1蜗杆齿面数学模型的建立273.3.2蜗杆传动机构的受力分析293.3.3蜗杆传动机构的自锁条件分析323.3.4蜗杆传动机构的驱动力矩分析343.4传动效率分析343.4.1行星齿轮传动效率分析343.4.2蜗杆传动效率分析363.5本章小结374可控变速装置优化设计394.1离散优化设计的数学模型394.1.1设计变量404.1.2目标函数404.1.3约束条件424.2优化求解及实现484.2.1优化方法选用484.2.2程序编制494.3本章小结525可控变速装置参数化建模535.1参数化模型的建模方法535.2 三维绘图软件及其二次开发技术545.2.1二次开发原理545.3.2二次开发思路555.3渐开线齿轮参数化建模565.3.1 主要思路565.3.2 渐开线齿轮建模575.3.3三维模型程序的编制585.3.4建模程序与应用软件的连接605.3.5程序运行结果605.4 行星传动机构参数化建模615.4.1行星齿轮传动的特点615.4.2行星齿轮传动机构参数化建模的基本思路625.4.3界面设计625.4.4程序设计635.4.5程序运行结果665.5本章小结686总结与展望696.1全文总结696.2展望70参考文献7173第1章 引言1 引言1.1研究背景带式输送机自1795年被发明以来，经过200多年的发展，已被电力、冶金、煤炭、化工、矿山、港口等各行各业广泛采用，特别是第三次工业技术革命后新材料、新技术的采用，带式输送机的发展步入了一个新纪元。当今，无论从输送量、运距、经济效益等各方面来衡量，它已经可以同火车、汽车运输相抗衡，成为各国争先发展的行业。带式输送机具有结构简单、输送量大、输送物料范围广泛、运距长、装卸料方便、可靠性高、运费低廉、自动化程度高等特点1，它的优越性已十分明显，是国民经济中不可缺少的关键设备。近年来，随着我国工业现代化的迅速发展，综合机械化采煤工艺的推广应用使得矿井的开采量和运输量日益增大，从而长距离、大运量、大功率输送设备的需求量越来越大2。单机总功率达到5000kW、输送长度达到10km以上、运量超过5000t/h、运行速度超过5-6m/s的带式输送机已经在煤矿得到了实际应用2。然而，长距离、大运量、高速度的带式输送机如采用传统的直接启动方式，由于启动时间为13s，启动加速度大于0.3,会产生如下问题：（1）启动时打滑问题 由于大型带式输送机的长度和功率较大，如果启动时间过短，易出现打滑现象。为了消除打滑现象保证有效启动，增大输送带与滚筒间的摩擦力，必须提高张紧装置的初张力，由此相关连接部件的受力加大，对强度和刚度要求增加，提高了整机的初期投资。（2）振动问题 带式输送机在运行过程中存在着诸如输送带的纵向、横向、侧向振动，动力装置、滚筒和托辊等旋转部件的振动，装卸载时物料的冲击振动以及基础的振动等各种形式的振动，这些振动对于大型带式输送机来说表现得更为明显和强烈。当它们作用于输送带时会引起动态响应而导致速度、加速度以及张力的变化，从而产生较大的动载荷，影响元部件、输送带以及整机的稳定性和使用寿命4。（3）瞬态冲击大问题 启动时产生的动态初张力会降低输送带的使用寿命，可能引发断带事故。为了保证输送带运行可靠，必须提高输送带的强度等级，相应加大了输送带的初期投资。同时，提高输送带的强度等级还必须相应加大滚筒的直径，以满足输送带最小弯曲半径的要求，从而又加大了机械加工件的初期投资。（4）电动机功率增加问题 由于启动时间过短，启动力矩大，容易发生烧毁电机的事故，考虑电动机的选型时要相应提高安全系数，增加了正常使用的能耗。此外，大功率电动机在较短的时间启动运行，对周边环境电网的冲击巨大，其负面影响是无法容忍的。由此可见，启动问题对带式输送机尤其是大型带式输送机来说，是一个关键的技术，它不仅对启动性能产生直接影响，而且还可以降低输送机的成本，因此必须对启动加以控制。驱动装置是带式输送机的心脏，从某种程度上来说，驱动装置的性能就决定了输送机的性能。解决上述问题的有效方法就是合理和最佳地确定大型带式输送机的驱动方式。作为带式输送机的关键技术5之一，可控启动技术或软启动技术6应运而生。实现软启动和软停车是解决大型带式输送机上述问题的有效措施。“软启动”是指机械设备在空、重载工况下，能够逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动，而这种启动是可控的7。对于带式输送机而言，“软启动”不仅能够大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲击，延长输送机关键零部件的使用寿命，同时还能大大缩短电动机启动电流的冲击时间，减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响，从而节约电力并延长电动机的工作寿命。带式输送机可控变速装置是一种新型的软启动装置，能很好的解决大型带式输送机工作过程中产生的问题。它不仅能够实现软启动、软停车、过载保护、温度保护、检带运行、多机驱动功率平衡等功能，而且具有结构设计新颖、制造成本低、备件购置方便、维护和日常运行费用低等特点，因而它是一种比较理想的软启动装置。带式输送机可控变速装置在国外已经被广泛应用，但到目前为止国内这种产品应用还比较少。鉴于目前煤炭工业发展的迫切需要，急需开展关这方面的研究开发及推广工作。1.2研究的目的和意义对可控变速装置的研究开发及推广必须借助于CAD/CAM技术。CAD/CAM技术是随着信息技术的发展而形成的一门新技术，它的应用引起了社会和生产的巨大变革，因此CAD/CAM技术被视为20世纪最杰出的工程成就之一8。随着市场竞争的日益激烈及全球市场的形成，对制造业来说，21世纪企业竞争的核心将是新产品的开发能力及制造能力，CAD/CAM技术作为提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品生产成本的强有力手段，已经成为现代制造系统中的关键技术，它的应用和发展直接影响着现代制造系统的最终功能及实现9。CAD/CAM技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一，它是促进科研成果开发与转化，实现设计制造一体化、自动化，加快国民经济发展的一项关键技术，也是进一步想计算机集成制造系统发展的基础10 11。长期以来，国内许多企业和高校的CAD应用与开发大都停留在二维阶段12，然而，实际中设计人员在使用CAD技术时产品的设计思维都是基于三维空间的。因为机械产品是具有颜色、材料、形状、尺寸、位置以及运动关系等概念的三维实体，制造对象也是三维实体，而利用二维视图描述、传递产品信息由于存在着绘图、读图与理解等过程，易造成信息表达不完整、理解不一致的问题。为解决这些问题，对产品进行三维实体建模就成为必然的发展趋势13，这也有利于后续的有限元分析、装配模拟和数控加工等工作的顺利开展，是实现设计制造一体化、自动化不可缺少的重要环节14 15。为了进一步提高带式输送机可控变速装置的整体设计质量、缩短设计周期、提高设计效率、降低设计成本与制造成本就需要对其进行优化及参数化设计。经过多年的发展，现在的三维模型已经是可以进行参数化设计的以特征为基础的实体模型。参数化以其基于特征、全参数全相关、全尺寸约束和尺寸驱动设计修改等优势，受到人们的广泛青睐。参数化技术的提出，令CAD技术实现了划时代的技术革命，使人们逐步认识到参数化三维造型系统的魅力。用这些模型可以进行自动编程、零件装配、模具设计和产生工程图等16。近年来，由于优化设计方法在一般机械设计过程中不断取得应用成功的经验，因而，在CAD系统中引入了优化设计方法及其软件。实践证明，在机械设计中采用优化设计方法，不仅可以减轻机械设备自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能。本文以可靠性工程、离散数学、规划论及计算机技术为基础，对带式输送机可控变速装置的优化设计方法及三维建模方法进行研究。以 Visual Basic6.0为二次开发工具，借助SolidWorks2007的三维建模功能，在对结构参数进行优化的基础上，实现了带式输送机可控变速装置的机械传动系统及其零部件的三维参数化建模，为带式输送机的整机优化和参数化设计，提供了理论依据和有参考价值的实现方法。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状国外从20世纪60年代初就展开了运用CAD/CAM技术对齿轮类零件和以该类零件为主要传动件的变速装置的优化设计、参数化绘图、三维建模等方面的研究工作，较具代表性的主要有：英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）的J.Angeles和Gonzalez-Palacios教授以及里兹大学（University of Leeds）的Faydor L.Litvin教授等根据模糊数学的基本理论，为新型2K-H少齿差行星圆柱齿轮减速器提供了一种模糊优化设计方法17。以减小体积和提高效率为目标建立了模糊优化设计的数学模型，运用最优水平截集法和常规优化方法对模型进行优化求解，并运用SolidWorks对该传动机构是否干涉进行了模拟18。法国格勒诺布尔大学（University of Grenoble）的Tsay, A.G.和R.T.三位教授进行了基于特征的参数化齿轮系统的优化设计研究19 20。在对渐开线圆柱齿轮进行模糊可靠性优化设计后，将优化结果作为齿轮参数输入到齿轮轮廓生成对话框,从而生成三维图形，为装配设计、运动学与动力学仿真、性能分析以及数控加工作好了准备,提高了产品的质量。并以VB为二次开发工具,实现了图纸布局智能化、齿轮轮廓的自动生成。运用AutoLisp开发出了齿轮图形库，既方便了图形的管理,又减少了重复性劳动,实现了优化设计与特征参数化造型的结合。美国罗彻斯特理工学院（Rochester Institute of Technology）的Egelja教授进行了蜗杆传动的动态特性分析及其CAD系统的研究工作21。以中心距最小为目标函数建立数学模型并优化求出蜗杆传动机构的主要参数（模数、齿数等），然后利用UG软件和优化结果完成了蜗杆机构的参数化绘图以及三维实体的造型工作。芬兰坦佩雷大学（Tampere Univ. of Technology, Fin.）的Martti Mantyla.等教授在齿轮类零件的优化设计方法及其参数化绘图方面也进行了不少的研究工作22。此外，国外从事该方面研发工作的还有德国亚琛工业大学（Technical Univ.of Achen, Ger.）的Wern-Kueir Jehng.和加拿大纽芬兰纪念大学（Memorial Uni. of Newfoundland）的Hans J.，Pratt M.以及Regli W.等教授学者23-25。1.3.2国内研究现状国内的相关研究工作虽然起步较晚，但是已有了很大进展。目前主要有以下单位和学者进行了卓有成效的研究工作。东南大学的汤文成等教授研究开发了基于特征建模的圆柱齿轮CAD系统26。提出了对设计参数的数据库管理,将圆柱齿轮设计计算过程中需要的参数及计算后产生的参数用数据库进行统一管理,为后续的造型设计提供驱动参数。华南理工大学的王泽林和郭莹等学者对圆柱齿轮和蜗杆变速装置的动态建模作了较为深入的研究27 28。首先结合实际工况条件并考虑到设计中的模糊因素,建立了以体积最小为目标函数的模糊优化模型；然后以穷举法作为优化算法,对圆柱齿轮和蜗杆变速装置的主要参数（模数、齿数、齿宽系数等）进行了优化设计；最后根据优化结果,运用参数化方法绘制了圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮等的零件图和装配图。太原理工大学的任家骏、段德荣教授对基于特征的蜗杆传动CAD/CAE/CAPP集成系统的工作进行了研究29。以蜗杆传动的各个零件为研究对象,利用数据库技术和图形单元建模技术建立了蜗杆传动的特征模型,实现了CAD/CAE/CAPP之间的数据传输和信息共享。中国农业大学的张淑敏以圆柱齿轮减速器为例阐述了Pro/Engineer和AutoCAD等软件的二次开发方法，并利用AutoCAD创建了标准渐开线齿轮参数化造型的设计程序和驱动程序。最终将标准渐开线圆柱齿轮的自动参数化造型、齿轮参数的优化设计和传动性能分析有机的结合为一体30。武汉科技学院的卢记军采用ActiveX技术，以VB6.0为开发工具实现VB与Matlab和AutoCAD之间的连接，通过编程实现了对斜齿圆柱齿轮的优化设计，建立了基于优化的CAD系统，并根据优化设计所得结果完成齿轮建模，实现了优化设计与计算机参数化建模及绘图集成31。陕西科技大学的曹巨江等在VisualC+环境下开发了行星轮减速器的可视化CAD设计系统，实现了行星轮减速器设计过程的程序化，建立了便于修改和维护的行星轮减速器设计参数数据库，根据设计结果自动生成行星轮减速器中典型零件的三维图32。大连理工大学的宋景玲和史大光以及中国农业大学的李伟等在齿轮和行星轮减速器的优化设计、参数化绘图等方面也展开了各具特色的研究工作33-35。河南理工大学的程钊对带式输送机可控变速装置进行了模糊可靠性优化设计，并在AutoCAD2004环境下建立了齿轮传动机构二维参数化绘图系统36。1.4课题来源与研究内容 本课题来源于河南省科技攻关项目带式输送机可控变速装置设计与关键技术研究（项目编号0524260021）。 本文在介绍带式输送机新型软启动装置可控变速装置结构和工作原理的基础上，主要做了以下三个方面的研究工作： （1）对带式输送机可控变速装置机械传动系统进行了动力学、运动学、传动效率分析以及蜗杆传动特性分析，揭示可控变速装置在不同工作状态下各传动机构的运动规律及受力特性。（2）针对可控变速装置的结构特点，建立带式输送机可控变速装置优化设计的数学模型。根据工程实际采用合适的方法，用面向对象的可视化编程语言Visual Basic 6.0编制程序对数学模型进行优化求解，得到可控变速装置传动系统主要参数。（3）把SolidWorks2007与Visual Basic6.0为二次开发工具相结合，编制参数化建模程序，从而实现了带式输送机可控变速装置机械传动系统主要零件和部件的参数化建模，为最终实现设计、加工制造一体化及系列化奠定基础。第2章 带式输送机可控变速装置的特点2 带式输送机可控变速装置的特点2.1概述2.1.1软启动 软启动技术是大型带式输送机的关键技术，已成为带式输送机技术先进性的标志之一。 带式输送机的软启动是指动力输出装置在其系统即便是满载的情况下应能提供足够的启动时间，使启动动加速度保持在设定的范围内，而且能够按照既定的要求逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动或停车。对于输送带，如果启动时间过短，启动加速度快，启动张力就大，输送带振荡变形会很严重，巨大的瞬时冲击将损坏输送带与其他元部件。对于电动机过大的启动电流、长时间的电流冲击对电动机的负面影响也会很大。软启动系统则是对动力系统和机械负载应保证在启动和停车的过程中作用在机械电器设备上的冲击能量最小，使设备运行更平稳，从而起到保护设备的作用，同时还能解决多电机的顺序启动和过载自动保护及多级驱动的功率平衡问题。2.1.2理想软启动曲线针对大型带式输送机的实际工况，理想的驱动装置应满足以下技术要求：（1）启动时间可在一定的范围内调整，使带式输送机平稳启动，并可实现满载启动；（2）启动加速度控制在一定的范围内，可有效降低启动时的动态初张力，降低整机输送带的选用安全系数，有效地降低输送带的初期投资；（3）在多机启动或多点中间起动时，可以实现多机的功率平衡；（4）电动机空载启动，降低对电网的冲击；（5）具有过载保护功能；（6）带式输送机瞬时停车时，可以实现不停电动机，提高电动机使用寿命；（7）带式输送机低速检带运行时，系统不会严重发热导致停车故障，确保正常检修工作。根据我国有关标准规定，启动加速度不得大于0.3 m/s2，国外较先进的软启动装置可使启动加速度控制在0.1 m/s2以下。对于带式输送机理想启动过程的研究，较具影响力的是澳大利亚Harrison博士提出的正弦加速度控制曲线和美国CDI公司总裁Nordell博士提出的三角形加速度控制曲线37 38。 Harrison推荐的起动过程可表示如下： （21） 式中 胶带稳定运行速度，；输送机启动时间，。图2-1 Harrison启动曲线Fig.2-1 Harrison startup curves图2-1中，t=0时启动加速度为零，此后速度平稳增加；t=T/2时加速度达到最大值，然后逐渐对称地减小，速度继续增大；t=T带速达到输送机设计带速v0时，加速度减小到0。加速度曲线的一阶导数是连续的。Nordell推荐的启动过程可表示如下： （2-2）式中 胶带稳定运行速度，；输送机起动时间，。图2-2中，t=0时启动加速度为零，此后速度逐渐增大；t=T/2时加速度线性增大到最大值，然后逐渐对称地减小，而速度继续增大；t=T带速达到输送机设计带速v0时，加速度减小到0。此处加速度最大值比Harrison推荐的大27%，加速度的一阶导数在t=0、T/2及T处均不连续，但加速度导数的峰值只是Harrison曲线的81%。图2-2 Nordell启动曲线Fig.2-2 Nordell startup curves图2-3 Dodge启动曲线Fig.2-3 startup curves of Dodoge Harrison和Nordell启动速度曲线都能有效地避免起动过程中加速度的突变，明显减小了输送带启动时的瞬态峰值张力，取得了较为理想的效果。但是随着进一步的研究发现，如果在速度曲线中加入约38s的延迟时段，可进一步有效的改善起动时的瞬态峰值张力。这是由于带式输送机在起动之前，输送带处于松弛状态，为避免输送带的冲击，将输送带拉紧启动，可进一步改善启动峰值张力作用。这样，需要在启动开始阶段加入一段时间延迟段。延迟段的速度一般取为设计带速的10%。在延迟段内，下垂皮带被张紧，延迟段结束后，按最小加速度或最小冲击的方式完成输送带的起动过程，从而最大程度地降低了胶带输送机的起动张力。这就是Dodge最佳起动曲线。如图2-3所示。2.1.3常用软启动装置长期以来，国内外的工程技术人员在机械、电机和电子、液力和液压等多学科领域对软启动技术开展了深入和广泛的研究，开发出了多种多样的软启动装置或设备，软启动技术也较以往有了突破性进展。常用的软启动装置有：（1）液体粘性软启动装置，如澳大利亚的BOSS系统、美国的CST等；（2）液力型软启动装置，如调速型液力耦合器、加长后腹腔液力耦合器等；（3）电气软启动装置。如变频调速、可控硅控制开关磁阻启动等；（4）机械式软启动装置，如BEST、德国力士乐公司的辅助液压马达周转齿轮系统（原理与BEST相同）等。 BOSS系统：该系统是澳大利亚NM采矿国际有限公司研制的，适用于带式输送机单机200500KW的可控系统。 CST（Controlled Start Transmissions）系统：该系统是美国道奇公司专门为大型带式输送机配套的集减速、离合和调速于一体的驱动装置。 调速型液力耦合器：通过改变液力耦合器工作腔内工作液的充油量，在电动机转速不变的情况下，实现对工作机的无级调速与软启动。 变频调速装置：主要由IGBT绝缘栅极可控晶体管、控制器、与电抗器组成。其工作原理是通过控制器调节功率器件中的绝缘栅极，使进入功率器件的交流电源频率发生变化。由公式n=60f/P(n为电动机转速、f为交流电源频率、P为电动机极对数)可知，电动机转速与交流电源频率成正比关系。当交流电源的频率由小到大变化时，电动机转速也随之由小到大变化，只要控制频率变化范围以及频率变化的时间，就可使输送机按照设定的速度曲线平稳启动，达到输送机的软启动。电软启动：电软启动控制器以反并联的晶闸管组为开关，以软启动交流调压方式限制电动机的启动电流，以使该电动机拖动带式输送机平稳地过渡到额定转速，完成软启动。机械式软启动装置：大多是通过改变机械系统的工作原理而不是依赖于电动机本身的特性来实现软启动功能。表1-1为几种常见软启动装置的性能比较39。上述几种常用装置都能保证带式输送机平稳启动而且具有功率平衡调节和过载保护的功能，但是它们又都有各自的缺点。调速型液力耦合器工作效率低，维护工作量大，调节控制反应慢、精度低，难以达到理想的功率平衡。BOSS系统装置传动效率低，不能实现无级调速，传动系统种存在薄弱环节，其中摩擦片是易耗品，使用寿命短，液压控制系统复杂，价格昂贵。CST系统初期投资费用高，机械零件加工精度要求高，系统结构复杂，液压润滑系统用油讲究，日常维护运行费用高。电软启动差动功率损耗大，效率低，必须与限矩型耦合器配套使用，电动机不能空载启动。表1-1 几种常用软启动装置性能比较Frm.1-1 Some commonly used soft-start device performance comparison调速型液力耦合器BOSSCST电软启动软启动特性较好好好较差控制系统简单较复杂复杂简单功率平衡较好好好一般低速运行较稳定稳定稳定一般传动效率较高高高低可靠性可靠可靠可靠一般互换性好差差好体积大小大小运行成本低高高低价格低高高低验带可以可以可以不可以本文所研究的带式输送机可控变速装置充分运用了机械传动、液压传动与现代电气控制技术，是典型的机电液一体化系统。从工作原理上来讲，与机械类软启动装置有相似之处，但是由于该装置采用了液压传动技术和先进的可编程控制器（PLC）及其扩展模块等作为控制系统，又使得它具有许多特别之处。2.2带式输送机可控变速装置的组成及工作原理带式输送机可控变速装置是典型的机、电、液一体化产品，它有机械系统、液压系统和电气控制系统三大部分组成，机、电、液有机结合，布局合理。从零部件的结构工艺性和标准化程度看，机械和液压系统制造技术成熟，容易达到设计要求，获得预期的工作性能。电气控制系统以先进的PLC（可编程控制器）及其配套功能模块构成，功能完善，制造成本低。因此，带式输送机可控变速装置的总体结构具有设计新颖，制造成本低，备件购置方便，维护和日常运行费用较低等特点。2.2.1带式输送机可控变速装置的组成（1）机械传动系统机械传动系统由一级齿轮减速机构和一级2K-H行星传动机构组成，蜗杆传动机构中的蜗轮与行星传动机构中的内齿轮固联在一起，如图2-4所示。图2-4 机械传动系统简图1-联轴器 2-主电机 3、4-齿轮 5-液压马达 6-蜗杆 7-转臂 8-太阳轮 9-行星轮 10-内齿轮 11-蜗轮Fig.2-4 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齿轮减速机构起到降速和初步扩大力矩的作用，2K-H行星传动机构不仅可以进一步扩大力矩、降低转速，而且还能够实现运动合成及过载保护。在传动结构上把2K-H行星传动机构放在齿轮减速机构之后既充分利用了2K-H行星传动机构承载能力大的优良特性，又可避免过载时对齿轮机构产生过大的应力冲击，有利于延长齿轮和相关传动件的寿命。因此，这是一种科学合理的传动结构。（2）液压传动系统考虑蜗杆载荷小，要求无级变速等具体情况，变速装置采用由电液比例阀组成的液压系统作为蜗杆的动力源。液压系统原理图如2-5所示，主要液压元件有液压泵、液压马达、电液比例调速阀和电液比例溢流阀等。液压马达为蜗杆机构提供动力，通过电液比例调速阀6调节液压马达的流量而使其转速实现无级变化。图2-5 液压系统原理图Fig.2-5 Principle of the hydraulic system1- 油箱 2-液压泵 3、4-单向阀 5-液压马达 6-电液比例节流阀 7-溢流阀 8-电液比例溢流阀 9-电液比例调速阀1-Tank 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电液比例调速阀9可控制润滑油液的流量。根据电气控制系统中温度变送器的信号来控制调速阀9的开口量而达到对润滑油量的控制。而电液比例溢流阀8可调整液压系统的工作压力。通过电气控制系统对液压系统不同工作状态下的压力设定使其始终工作在最优状态，从而实现高效率、低油温的设计目标。（3）电气控制系统电气控制系统的主要作用是处理系统的液压电机启停信号、主电机启停信号、各电液比例调速阀和电液比例溢流阀的控制信号以及发声发光报警信号等各种输入输出信号，并对系统的各种动作实施相应的控制，确保系统功能的实现和装置的正常运行。电气控制系统由先进的可编程控制器（PLC）及其扩展模块以及自行设计的功率放大器组成。具体包括：PLC、A/D转换模块、D/A转换模块、高速计数模块、三线制电感式速度传感器、JYB压力变送器、两线制温度变送器以及液晶显示器，各部分具体工作过程不再祥述。2.2.2带式输送机可控变速装置的工作原理根据功能要求和工作状态的不同，带式输送机可控变速装置的工作原理可分为额定运行状态下的工作原理和调速运行状态下的工作原理两种情况。（1）额定运行状态由图2-4可知，主电动机2通过联轴器1将运动和力矩传给轴，再通过齿轮3、4和轴传给2K-H行星传动机构的中心轮8。在额定运行状态（正常运行状态）下内齿轮10不转动，则行星轮在自转的同时通过轴带动输出轴转动，即通过转臂H输出运动和力矩。可见，额定运行状下机械传动系统本质上是一级齿轮减速加一级行星传动，运转中没有转速损失，效率较高。液压系统是根据机械传动系统的具体要求进行工作的。当机械传动系统处于额定运行状态时，液压马达不转动，液压系统只需为润滑系统提供油液即可。因此，此时控制系统将电液比例溢流阀8的压力调节到较低数值，液压系统处于低压溢流工作状态，从而可以减小液压系统的功率消耗，节约能量，提高效率。（2）调速运行状态当机械传动系统运行在调速状态时，由于行星传动机构可以作为一个运动合成机构来使用，则液压马达通过蜗轮蜗杆驱动内齿轮以不同转速运转可以使输出轴的转速随之变化。根据输入和输出的转速不同又可分为下述几种情况：输送机软启动输送机启动时先使液压马达带动内齿轮转动至转速达到一定的数值，根据行星传动机构的工作原理可知，输出轴和输入轴都有可能转动，但是由于输出轴与滚筒联接，阻力矩很大，而输入轴通过齿轮机构与主电动机的转子联接，阻力矩较小，则主电动机的转子就会随之转动而输出轴不转动。适当调整液压系统，使此转动方向与主电动机工作时的转向一致，然后再启动主电动机就可实现主电动机的空载启动。当主电动机空载启动并且达到额定转速时，通过电气控制系统将电液比例溢流阀8的压力调节到额定值，而将电液比例调速阀6的开口量由最大值按照设定的规律减小，从而使液压马达按照一定的规律降速，即内齿轮按照一定的规律降速，而输出轴将按照一定的规律升速启动，直至阀6的开口完全关闭，液压马达、蜗杆传动机构以及内齿轮的转速均降至为零，此时输出轴达到输送机的额定转速。由于蜗杆传动机构具有反向自锁功能，则输送机也将进入稳定的正常工作状态，从而实现了主电动机先空载启动、再使滚筒均匀、平稳升速到额定转速的软启动，输送机软启动过程结束。输送机软制动软制动本质上是软启动的逆过程。输送机停车前滚筒一般具有一定的转速，若控制系统发出停车信号，首先将电液比例溢流阀8的压力调节到额定值，然后使电液比例调速阀6的开口量按照一定的规律由零逐渐增大，液压马达将带动内齿轮按照软启动时它们的转速方向转动，且转速随着阀6开口量的增大而按照一定的规律增大。在此过程中由于行星传动机构的运动合成作用，输出轴和滚筒的转速就会按照相应的规律减小，直至阀6的开口量达到最大，此时主电动机以额定转速处于空载运转状态，输入轴在主电动机的带动下仍以恒定的转速转动，而输出轴和滚筒的转速减小为零，从而实现输送机的软制动。多机或多点驱动的功率平衡当长距离、大运量带式输送机采用多机或多点驱动时，驱动装置需要具备功率平衡功能。多机或多点驱动的功率平衡功能本质上都是通过调速实现的。在带式输送机可控变速装置中设有电动机转速检测与控制系统，通过检测电动机转速的变化来判断电动机载荷的大小。控制系统把载荷给定值与检测的实际值进行比较，根据载荷偏差情况，如果载荷偏差处于设定值以内，就通过控制电液比例调速阀6的开口量来控制液压马达的供油量而使内齿轮转动，从而控制机械传动系统输出轴的转速，完成多个驱动装置的功率平衡功能。过载保护控制系统是否启动过载保护功能是通过检测输出轴的转速进行判断的。基本工作原理与多机或多点驱动的功率平衡类似，在装置中同样设有输出轴转速检测与控制系统。当输出轴转速下降值超过某预设值或载荷偏差超过了设定值时可认为过载，此时控制系统发出信号并启动过载保护程序使液压系统向液压马达供油，电液比例调速阀6的开口量逐渐开到最大而解除内齿轮的约束，行星传动机构由内齿轮不动系杆输出转变为系杆不动内齿轮输出，从而避免电动机过热或零部件损坏，实现了过载保护。检带运行如果需要检查输送带，应使其低速运行。为满足检带的速度要求，控制系统启动检带运行程序后，将电液比例溢流阀8的压力调节到设定值；其次把电液比例调速阀6的开口量控制在设定值，并供给液压马达适当流量油液，则在主电动机以额定转速运转的同时液压马达也以一定转速带动内齿轮转动，二者通过行星传动机构合成为输出轴的较低转速，从而实现了检带运行时的速度要求。温度保护齿轮、轴承等传动件温度过高会显著降低使用寿命。本装置除采用循环润滑系统对各个传动件进行润滑外，还设置有温度检测与控制系统。若温度过高，电气控制系统中的温度变送器就会发出温升过高的信号，继而电液比例调速阀9的开口量增大，从而通过加大润滑油液的流量对齿轮、轴承、蜗轮和蜗杆等各个传动件进行有效冷却和润滑，实现温度保护。若在规定时间内温度不能下降，控制系统就会通过发声发光报警装置请求人工干预。总之，带式输送机可控变速装置充分运用了机械传动、液压传动与现代电气控制技术，是典型的机、电、液一体化系统。能够提供可调的、平滑而无冲击的启动力矩，能够较好的实现输送机的加减速度控制、多机驱动的功率平衡、检带运行、过载保护及温度保护等多种功能，与煤炭生产结合紧密，开发推广前景广阔，是大运量、大功率、长距离带式输送机理想的驱动装置。2.3本章小结在介绍软启动技术、带式输送机理想启动曲线、并分析常用软启动装置优缺点的基础上，本章主要阐述了带式输送机可控变速装置的结构组成、所能实现的功能及工作原理。第3章 可控变速装置运动学、动力学分析3 可控变速装置运动学、动力学分析基于带式输送机可控变速装置的工作原理和功能要求，本章主要对其进行运动学、动力学、传动效率分析以及蜗杆传动机构的传动特性分析，旨在揭示各传动机构的运动规律、受力特性，主电动机和蜗杆额定转速的匹配条件，变速装置的输出特性以及蜗杆传动机构的自锁条件和解锁条件等。3.1运动学分析图31为带式输送机可控变速装置的机械传动系统简图。主电动机输入转速，蜗杆转速，转臂输出转速，蜗轮和内齿轮转速为，太阳轮转速，各转速方向和各齿轮齿数如图3-1所示。图31 机械传动系统简图1-联轴器 2-主电机 3、4-齿轮 5-马达 6-蜗杆 7-转臂 8-太阳轮 9-行星轮 10-内齿轮 11-蜗轮Fig.3-1 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运动学分析主要分析各传动部件的运动速度、加速度、角速度、角加速度随时间的变化规律。由于圆柱齿轮传动机构设在系统输入端，而蜗杆按照预设规律运转，此处主要对行星传动机构进行运动学分析。3.1.1行星传动机构运动学分析（1）行星传动基本构件间的转矩关系图31所示的2K-H型行星传动机构包括太阳轮8、行星轮9、内齿轮10、以及转臂H，其中8、10、H为基本构件。若忽略摩擦，则作用在基本构件上的外转矩代数和为零，且它们所传递的功率代数和也为零，即： （31） （32）式中 、太阳轮、内齿轮和转臂所受外转矩，；、太阳轮、内齿轮和转臂角速度，。取相对于转臂的角速度，则有，结合（32）式得。即 （33a）仿上 （33b） （33c）于是 （34a） （34b）式中 、太阳轮、内齿轮相对于转臂的相对角速度，；太阳轮、内齿轮相对于转臂的相对角速度之比；太阳轮、转臂相对于内齿轮的相对角速度之比；内齿轮、转臂相对于太阳轮的相对角速度之比；内齿轮与太阳轮的齿数比，也称行星排的特性参数。式（34a）、（34b）即为行星传动中基本构件之间的转矩关系。（2）转臂运动学分析如图32所示，太阳轮的角速度为，内齿轮的角速度为，转臂的角速度为，为行星轮。相应于输入转速的方向，结合软启动、软制动等功能要求，分析易知各传动机构的转动方向，记顺时针方向为正，反之为负。图32 转臂运动学分析简图Fig.3-2 Kinematic analysis of the turnplate由“转化机构”法40，当给整个行星传动机构角速度时，其转化机构中各构件相对于转臂的角速度分别为： （35a） （35b） （35c）因此，相对传动比 （36）于是 （37a）即 （37b）又 ， （38）则 （39）式中 圆柱齿轮机构传动比，； 蜗杆传动机构传动比，。式（39）中、和都是时间的函数，求导得： （310）式中 转臂角加速度，； 输入端角加速度，； 蜗杆角加速度，。根据设计要求，主电动机通电后始终以额定转速运转，于是 （311）由上式知，输出构件的角加速度是蜗杆角加速度的函数，则可通过控制蜗杆的运动来控制系统输出转速的角加速度，即输出转速的角加速度是可控的。（3）主电机额定转速和蜗杆额定转速的匹配条件根据变速装置的功能要求，在软