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输送设备/机器人 |
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基于虚拟样机技术的液粘传动系统研究 |
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作者：山东科技大学 肖林京 桑运洪 孙慧 |
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带式输送机是一种应用最为广泛的散料输送设备，是物流技术装备的重要组成部分，广泛地应用于矿山、港口码头、化工、建材和粮食等行业和部门。随着我国工业技术的迅速发展，大功率带式输送机的应用越来越广泛，传统的设计理论和刚性传动(或不可控的软传动)方法已经无法满足实际生产的要求。大型带式输送机的传动问题已经严重地影响了我国相关行业的技术应用和发展。目前，大型带式输送机的传动系统主要采用国内调速型液力耦合器和进口美国的CST系统。我国对带式输送机动态特性已经进行了大量的理论研究，而改善其动态性能最终必须落脚在可控传动系统上，这也正是我国目前亟待研究和解决的重要课题。
对于传动系统通常采用的设计方法是：首先进行不同的方案设计，并绘制出工程图纸；然后在经过较长的时间的基于经验的方案论证后，选出较为合理的方案并试制出物理样机；此后进行试验设计，并对物理样机在多种工况下进行测试；当发现结构或性能方面存在问题时，再修改设计方案及工程图纸，然后再制造物理样机并对其进行实验测试。不难看出传统的物理样机→制造→试验的设计方法大大增加了新产品开发的周期和成本，对于类似传动系统这种多种规格，在不同设备上有不同性能要求的产品，其开发过程是及其漫长的。本文以虚拟样机技术为手段，利用CAD技术所提供的各种零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上进行虚拟装配，从而获得虚拟样机，并对其进行仿真分析。
一、液粘传动系统建模方法
在最初的仿真分析建模时，不必过分追求构件几何形体的细节部分同实际构件完全一致，因为这往往需要花费大量的几何建模时间，此时的关键是能够顺利地进行仿真并获得初步结果。从程序的求解原理来看，只要仿真构件几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同，其仿真结果就是等价的。待获得满意的仿真分析结果以后，再完善构件几何形体的细节部分和视觉效果。这里存在着一个模型简化的过程，即将现实机构分解为ADAMS的基本元素。而确定系统模型就是根据所研究的问题来进行合理的简化，这对仿真结果的正确性和有效性有重要的影响。
1.运用三维建模软件建模
MECHANISM／Pro是MDI公司开发的连接三维实体建模软件PRO/ENGINEER与机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的接口模块，二者采用无缝连接的方式——即不需要退出Pro/ENGINEER应用环境，就可以将装配完毕的总成根据其运动关系定义为机械系统模型，进行系统的运动学或动力学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算约束副的作用力等等；使用它还可以在Pro/ENGINEER中定义刚体和施加约束后，将模型传送到AMAMS中，以便进行全面的动力学分析。
在PRO/ENGINEER中建立的三维模型如图1所示，它是由单独的零件装配而成。利用PRO/E的强大功能，我们可以进行设计、功能仿真和加工制造等设计开发工作，大大缩短了产品开发的时间与流程。在本设计中，我们采用了干涉分析，保证我们的设计配合没有问题，可以生成工程图交付现场进行机加工，也为后续的在ADAMS中进行的动力学分析打下了一个好的基础。
图1 液粘软启动系统爆炸图
2.液粘传动系统的工作原理
液体粘性可控传动装置是集机、电、液于一体的新型装置，对其进行系统性的研究、设计和生产在国内尚不多见。北京航空航天大学提出了一种能够实现输送机的软启动、软制动、无级变速、多驱动平衡、过载自动保护以及能够防止输送机下动时电动机超速的多功能一体化传动装置的方案。这种方案可以克服其他可控传动装置的缺点，具有结构体积小、传动效率高和工作寿命长等优点，这种液体粘性软启动传动装置主要由差动行星机构、液体粘性制动器、传感器以及液压驱动装置等机械和电子部件组成，其基本工作原理与CST系统相类似，但由于种种原因，并未投入生产使用。液体粘性新型可控传动装置的理论基础是液体粘性传动，它利用液体粘性的剪切力来传递动力，它的工作原理是基于牛顿内摩擦定律，如图2所示。
图2 流体的内摩擦
式中F为油膜的剪切力(N)；
τ为油膜的切应力(Pa)；
μ为油膜的动力粘度(Pa·s)；
υ为两平板的相对速度，或油膜的剪切速度(m/s)；
δ为油膜厚度(m)；
A为承受油膜剪切作用的面积(m2)。
由上式可见，切应力[代码1]与动力粘度[代码2]和剪切速度υ成正比，与油膜厚度δ成反比。只要结果和各参数选取合理，就可以设计出满足要求的大功率的液体粘性可控传动装置。
利用液体粘性即油膜剪切性来传递动力，具有以下优点：
(1)可实现对输出转速的无级调节；
(2)易实现机电液一体化闭环控制，转速稳定和高精度；
(3)易于实现转速调节的遥控和自动控制；
(4)可使电机在轻载下启动，缩短启动电流对电网的冲击时间；
(5)在启动惯性较大的负载时，可使之缓慢加速，防止传动系统过载；
(6)可以自动限制传递的转矩，因而对传动系统起到保护作用；
(7)输送机启动时产生的热量，被冷却油所吸收，容易控制其温度，不产生火花；
(8)油膜同时起到润滑摩擦片的作用，降低磨损，使装置性能更加稳定；
(9)通过增减主从动片的数目，达到传递的功率在很大范围内变化，通用性好，系列化程度高。
主动摩擦片在主动轴上可以轴向移动，采用齿轮传动方式传递动力，从动摩擦片通过压盘、连接圈、连接盘等与输出轴相连接。当输送机要启动时，控制系统发出启动信号，润滑系统电机通电，油泵供油，当壳体内油液满足要求后，控制系统电机通电，根据设定的启动加速度曲线控制电液比例阀的油压变化，使活塞克服弹簧力的作用，推动摩擦片轴向移动，改变主动摩擦片与从动摩擦片之间的间隙，间隙变化，相应的启动力矩也发生变化，使输送机按预定加速度曲线启动起来。
二、系统仿真
参数化分析可以分析设计参数变化对样机性能的影响。在参数化分析过程中，采用不同的设计参数值，自动地运行一系列的仿真分析，然后返回分析结果。通过对参数化分析结果的分析，可以研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最危险的操作工况以及最优化的样机。
1.摩擦片单独仿真
摩擦片的结合过程可分为流体粘性摩擦、混合摩擦、边界摩擦和静摩擦四种状态。流体粘性摩擦时，摩擦片表面完全被连续的油膜所隔开，摩擦片间的间隙较大，属于较大滑差的工况，此时传递的扭矩受摩擦片的形状和材料影响较小。混合摩擦时，摩擦片表面的一部分被油膜隔开，另一部分发生微凸体间的接触，摩擦片间的间隙很小，属于低滑差的工况，此时传递的扭矩受摩擦片的形状和材料影响不大。边界摩擦时，摩擦片间的间隙较小，可认为相互接触，摩擦片表面只有极薄的边界油膜，主要是微凸体接触，属于很小滑差的工况，此时摩擦片的摩擦系数比较稳定，摩擦片的寿命和传递扭矩的能力与摩擦片的形状和材料有密切的关系。静摩擦时，摩擦片相互压得很紧，摩擦片间没有滑差，靠静摩擦力来传递扭矩。此时性能与摩擦片的形状和材料也有密切关系。
对摩擦片做单独仿真时，做了一定的假设，首先是弹簧的选取，用普通的线性弹簧取代三片碟簧，其刚度系数取870N/mm，近似与三片碟簧相当，用其阻尼系数模拟传动液体摩擦，用两摩擦片间的摩擦力来模拟混合摩擦、边界摩擦和静摩擦，同时可以设定两摩擦面的陷入深度，这一点是同实际的摩擦片传动是非常相似的。
该装置的额定功率为200kW，额定转速为1500r/min。额定转速转化为ADAMS中默认单位为9000deg/sec。
带式输送机我们选用正弦形加速度控制曲线(又称为Harrison加速度控制曲线)，它由外摩擦片带动减速器得到，带式输送机的加速度最大值为 ，同理可以得到外摩擦片的加速度的最大值，其正弦形加速度计算公式为：
图3 被动摩擦片速度曲线
图4 被动摩擦片加速度曲线
2.液粘传动系统整体仿真
设计研究主要考虑和研究：如果某个设计变量发生变化，或者取不同的值，样机的性能将会发生怎样的变化。在设计研究的过程中，对某个参数在一定范围内取若干值，然后自动地进行一系列仿真分析，每次取不同的设计参数值，完成设计分析后报告各次分析的结果，分析设计参数的影响。通过设计分析，可以获得以下的分析结果：(1)样机的有关性能可能的变化范围；(2)样机有关性能的变化对设计参数变化的敏感程度；(3)在一定的分析范围内，最佳的设计参数值。通过如图5所示的对整个系统的仿真，我们可以得到系统整体的运动情况如图3和图4所示，并且可以得到系统最优化的仿真结果。
图5 整体仿真
3.液粘传动系统的优化分析
在优化分析的过程中，可以设定设计变量的变化范围，并施加一定的限制以保证最优化设计处于合理的取值范围。通常优化分析问题可以归结为：在满足各种设计条件和在制定的变量变化范围内，通过自动地选择设计变量，由分析程序求取目标函数的最大值或最小值。
三、装置的加工制造
通过上面的分析和试验，我们可以看到设计完全满足了要求，接下来便可以进行加工制造，利用在PRO/ENGINEER中建立的模型，我们可以直接生成NC代码，在数控机床上加工出带有复杂曲面的零件；考虑到本设计零件一部分为标准件，利于加工，我们可以利用在PRO/ENGINEER中建立的三维图生成工程图纸，指导现场加工。生成的装配图如图6所示。
图6 液体粘性传动装置机械本体结构图
四、结论
本文根据液体粘性传动技术的发展现状，设计了一种新型的用于带式输送机的液体粘性可控传动装置，本装置性能价格比较高，不仅适用于大型煤矿，中小型煤矿也可以广泛采用；并且利用三维建模软件PRO/ENGINEER建立了液粘传动系统的模型，通过三维实体建模软件PRO/ENGINEER与机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的接口模块MECHANISM／Pro将模型导入MSC.ADAMS软件，建立了液粘传动系统的运动仿真模型，并结合具体的工作环境，进行了系统的运动仿真，生成了二维工程图，大大减少了液粘传动系统的设计时间，降低了产品的开发成本，为进一步液粘传动系统的设计打下了坚实的基础。仿真过程和结果表明ADAMS在进行机构仿真中是十分有效的。尤其在今后考虑复杂产品的设计时必将显示更大的生命力。
--《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)
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(11/18/2005) |
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