撰文/王茜　韓剛　韻婷婷

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帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)研究

撰文/王茜韓剛韻婷婷

本文通過帶式輸送機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化、3D樣機(jī)建模、樣機(jī)裝配、施加載荷約束等設(shè)計(jì)步驟，最終在ADAMS上建立簡(jiǎn)化的帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)。通對(duì)樣機(jī)進(jìn)行模擬性能測(cè)試，達(dá)到提高設(shè)計(jì)性能、降低設(shè)計(jì)成本、減少產(chǎn)品開發(fā)周期的目的。帶式輸送機(jī)；虛擬樣機(jī)；設(shè)計(jì)

■030024太原科技大學(xué)山西太原

傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)（以下簡(jiǎn)稱輸送機(jī)）的設(shè)計(jì)通常采用靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，將輸送機(jī)的輸送帶作為剛體來研究，在靜力學(xué)基礎(chǔ)上按勻速運(yùn)行狀態(tài)對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行受力分析和相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過加大安全系數(shù)的方法來考慮輸送機(jī)非穩(wěn)定工況下的動(dòng)載荷問題，這種設(shè)計(jì)方法不符合長(zhǎng)距離大型輸送機(jī)的實(shí)際使用情況，它不僅使輸送機(jī)的成本增大，而且還可能引起制動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的輸送帶動(dòng)張力和運(yùn)行的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致輸送帶接頭失效和滾筒、托輥以及其他部件的損壞。

隨著機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的不斷更新，人們將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到輸送機(jī)的設(shè)計(jì)中，使輸送機(jī)的設(shè)計(jì)精度有了很大的提高。由于輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)于工業(yè)社會(huì)的發(fā)展有相當(dāng)大的促進(jìn)作用，因此得到了國(guó)家的足夠重視[1]。

1　輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立

在建立的輸送機(jī)虛擬樣機(jī)模型中，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、輸送帶、張緊裝置等主要部件結(jié)構(gòu)。把驅(qū)動(dòng)滾筒設(shè)在輸送機(jī)系統(tǒng)的頭部，驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)化成為一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩，并將驅(qū)動(dòng)加在傳動(dòng)滾筒上。把改向滾筒設(shè)在輸送機(jī)系統(tǒng)的尾部，將其簡(jiǎn)化為由軸和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱體組成的兩個(gè)剛體，對(duì)其施加一個(gè)預(yù)緊力，張緊方式采用重力式，并將其直接簡(jiǎn)化為力，直接將張緊力作用在改向滾筒的軸上[2]。即簡(jiǎn)化成一個(gè)最基本、最原始的輸送機(jī)系統(tǒng)。簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1　帶式輸送機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2　輸送機(jī)虛擬樣機(jī)的簡(jiǎn)化

在建立輸送機(jī)虛擬樣機(jī)過程中，將固定不運(yùn)動(dòng)的輸送機(jī)的機(jī)架簡(jiǎn)化為地面，將驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)滾筒、改向滾筒、托輥以及其他零部件視作剛性體；將作為主要傳動(dòng)和承載部件的輸送帶當(dāng)作柔性體[2]。

通過三維造型軟件Solidworks完成滾筒、托輥和機(jī)架等基本部件的建模。輸送帶采取離散法建模,將帶體離散成尺寸相同的若干個(gè)小帶塊,再按照幾何關(guān)系進(jìn)行裝配。然后將建立的三維模型轉(zhuǎn)化成Parasolid類型文件,導(dǎo)入ADAMS。因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)入的帶塊仍為剛體,需調(diào)用ADAMS/Flex模塊進(jìn)行帶塊的柔性化,然后施加約束和載荷，完成輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)。

3　輸送機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)過程中存在的一些問題

3.1輸送帶的建模。輸送帶是輸送機(jī)的主要部件，起到承載貨物、傳遞動(dòng)力的作用，它的動(dòng)態(tài)特性取決于輸送帶的力學(xué)性能，且直接影響著整機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。它本身的物理特性復(fù)雜，應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系呈非線性關(guān)系，是一種典型的黏彈性體,具有蠕變特性、松弛特性、滯后特性和材料動(dòng)特性等。

在虛擬樣機(jī)的建模過程中，將輸送帶的視作柔性體，要準(zhǔn)確處理輸送帶的建模是很困難的。目前大多采用離散單元法，以離散模型替代連續(xù)模型，將輸送帶分成有限個(gè)剛體單元，使用具有柔性特征的彈簧阻尼單元使剛體單元之間相互連接。我們知道，雖然在理論上離散性可以很好的代替連續(xù)性計(jì)算，但在實(shí)際操作中，采用ADAMS軟件來處理輸送帶三維模型時(shí),長(zhǎng)距離的輸送帶是不易處理的,主要原因在于計(jì)算在有限元?jiǎng)澐謺r(shí),龐大的單元數(shù)目和連接約束對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有很大的挑戰(zhàn)，很難完成[3]。因此，運(yùn)用ADAMS做仿真計(jì)算時(shí)，處理短距離輸送機(jī)優(yōu)勢(shì)比較明顯，對(duì)于處理長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)弊端是比較多的，但長(zhǎng)距離的帶式輸送機(jī)更需要?jiǎng)討B(tài)特性分析與仿真計(jì)算。

3.2物料流均勻與非均勻負(fù)載模擬。即使我們認(rèn)為輸送帶離散單元的處理方式合理，但物料流的負(fù)載問題依舊是個(gè)難點(diǎn)。常規(guī)的方法是：將輸送帶所承載的物料均勻化，將物料質(zhì)量等效在輸送帶的離散單元質(zhì)量上，但這種等質(zhì)量的劃分與實(shí)際運(yùn)行的帶式輸送機(jī)是不相符的[3]。

3.3帶式輸送機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化。由于輸送機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,要建立基于零件級(jí)的動(dòng)力學(xué)方程幾乎是不可能，因此，我們要對(duì)輸送機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

4　結(jié)論

帶式輸送機(jī)一直向高帶速、重載、大運(yùn)量的方向發(fā)展，關(guān)鍵零部件的優(yōu)化和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性計(jì)算直接影響著整機(jī)運(yùn)行性能和資本投入。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到輸送機(jī)的設(shè)計(jì)中將有很重要的實(shí)際意義。因此，我們要繼續(xù)深入的研究輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)技術(shù)，結(jié)合國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，建立出更加完善的輸送機(jī)的虛擬樣機(jī)，進(jìn)而降低輸送機(jī)的設(shè)計(jì)成本，提高其性能。

參考：

[1]段秀兵,郝志勇,岳東鵬,宋寶安.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的車用柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2014(2):31-33.

[2]郭永存，胡 坤，許志洋.帶式輸送機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（8）:63-65.

[3]胡坤，郭永存，陳明強(qiáng).帶式輸送機(jī)綠色設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[J].2012（6）:30-32.

《機(jī)械設(shè)計(jì)零件與實(shí)用裝置圖冊(cè)》按照裝配、動(dòng)力傳輸和單體零件三大部分安排內(nèi)容，第 1 章—第 5 章包括精巧結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新裝配，連桿，連接，鎖緊裝置與方法；第 6 章—第 10 章圖解了機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括齒輪與齒輪傳動(dòng)，離合器，鏈、鏈輪和棘輪，帶和帶傳動(dòng)裝置，軸與聯(lián)軸器；第 11 章—第 20 章收錄了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件的常規(guī)用法和創(chuàng)新用法，包括螺紋元件，自鎖螺釘，銷，彈簧，凸輪，橡膠墊圈?、墊片和襯套，墊圈，O 形密封圈，擋圈，滾珠，軸套與軸承。《機(jī)械設(shè)計(jì)零件與實(shí)用裝置圖冊(cè)》供快速查閱，工作時(shí)借鑒，目的在于解決機(jī)械設(shè)計(jì)師工作中的各類設(shè)計(jì)問題，并激發(fā)產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路。

《機(jī)械設(shè)計(jì)零件與實(shí)用裝置圖冊(cè)》——帕姆利 (RobertO.ParmleyP.E.) 編鄒平譯

“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例入門”一書主要介紹了目前五種機(jī)器人（三菱、愛普生、ABB、庫(kù)卡、FANUC）的使用方法，通過任務(wù)式的教學(xué)方法，讓讀者能掌握每種機(jī)器人的基本使用方法。教學(xué)應(yīng)用案例從簡(jiǎn)到繁，讀者學(xué)完本書基本上可以明白工業(yè)機(jī)器人目前的應(yīng)用情況。

《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例入門》——余任沖編

本書解答了有關(guān)工業(yè) 4.0 的以下問題：什么是工業(yè)4.0 ？它將如何變革生產(chǎn)，自動(dòng)化和物流？在引進(jìn)工業(yè) 4.0時(shí)有哪些通向成功的因素？有哪些技術(shù)將進(jìn)行改革，以及信息技術(shù)行業(yè)的未來將如何？本書以工業(yè) 4.0 的首次應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，討論了從經(jīng)濟(jì)角度上看比較重要的一些問題，并為成功實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 制定了一個(gè)計(jì)劃。該作品最重要的一部分內(nèi)容，同時(shí)也是進(jìn)行投資的前提，即是以直觀的實(shí)踐案例來具體描述信息技術(shù)行業(yè)所面臨的一些挑戰(zhàn)和要求。該作品的主題包括從基礎(chǔ)技術(shù)，到垂直和水平方向的融合，到信息物理系統(tǒng)以及人機(jī)交互等方面。

托馬斯 保爾漢森 (BauernhanslT.), 米夏埃爾 騰 洪佩爾 (HompelM.T.), 布里吉特 福格爾 - 霍爾澤 (Vogel-HeuserB.) 著；工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所譯

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例如：對(duì)于通用零部件的螺栓：既詳細(xì)介紹了常用螺栓，又對(duì)近年來新出觀的特殊用途螺栓進(jìn)行了圖解說明。在選圖上，采用實(shí)物照片和結(jié)構(gòu)圖相結(jié)合的方式，說明力求簡(jiǎn)明和準(zhǔn)確。

本書可供具有工科專業(yè)背景的技術(shù)人員，徊關(guān)行業(yè)的翻譯人員，大專院校、職業(yè)學(xué)院的師生及工業(yè)界有關(guān)人士參考。

《機(jī)械零部件名詞術(shù)語(yǔ)圖解詞典》——郭建華編

《機(jī)械制造工程基礎(chǔ)(中文版?第2版)》一書適用于機(jī)械加工制造業(yè)的職業(yè)教育和在職繼續(xù)培訓(xùn)，適用于工業(yè)和手工業(yè)機(jī)械師、加工制造業(yè)機(jī)械師、切削加工機(jī)械師、工程制圖員、工長(zhǎng)和技術(shù)員培訓(xùn)、工業(yè)和手工業(yè)實(shí)習(xí)人員、實(shí)習(xí)生和大學(xué)生。《機(jī)械制造工程基礎(chǔ)(中文版?第2版)》的內(nèi)容遵循以上所列舉專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃和培訓(xùn)大綱編纂而成?！稒C(jī)械制造工程基礎(chǔ)(中文版?第2版)》分為8個(gè)章節(jié)：1．檢測(cè)技術(shù)；2．質(zhì)量管理；3．加工制造技術(shù)；4．材料工程；5．機(jī)床和設(shè)備；6．自動(dòng)化技術(shù)；7．信息技術(shù)；8．電工學(xué)。由于現(xiàn)在工程技術(shù)的全面飛速發(fā)展和職業(yè)技術(shù)學(xué)校教學(xué)計(jì)劃的相應(yīng)修改，《機(jī)械制造工程基礎(chǔ)(中文版?第2版)》對(duì)質(zhì)量管理和維護(hù)保養(yǎng)等章節(jié)進(jìn)行了大幅度的擴(kuò)充。

專業(yè)詞匯索引表中還標(biāo)有英語(yǔ)專業(yè)技術(shù)詞匯。

《機(jī)械制造工程基礎(chǔ)》—— 約瑟夫?迪林格著楊祖群譯

機(jī)械工程導(dǎo)論《機(jī)械工程導(dǎo)論》共分11章，由三個(gè)部分組成。第一部分為導(dǎo)學(xué)篇，包括1～3章，重點(diǎn)回答了"為什么要選擇機(jī)械工程"、"什么是機(jī)械工程"、"如何踏上機(jī)械工程師之路"等三個(gè)問題，讓學(xué)生了解機(jī)械工程的輝煌歷史和美好未來，明確目標(biāo)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感。第二部分為基礎(chǔ)篇，包括4～7章，介紹了哲學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)及材料學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)和機(jī)械工程的關(guān)系，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程的重要性和必要性。第三部分為專業(yè)篇，包括8～11章，通過對(duì)機(jī)械工程的4個(gè)主要的二級(jí)學(xué)科：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程和車輛工程的專業(yè)描述和典型研究方向的介紹，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

《機(jī)械工程導(dǎo)論》—— 戴勇鄧乾發(fā)等

本書分兩篇共十二章。其中第一篇化工機(jī)器重點(diǎn)介紹了離心泵、活塞式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、離心機(jī)和工業(yè)汽輪機(jī)等幾種典型機(jī)器的結(jié)構(gòu)、用途、工作原理、運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)。第二篇化工設(shè)備則重點(diǎn)介紹了薄壁容器、高壓容器、容器附件的基本知識(shí)以及換熱器、塔、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、用途、工作原理及維護(hù)。此外還對(duì)回轉(zhuǎn)圓筒、粉碎機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械以及

化工設(shè)備的腐蝕與防護(hù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

本書可作為高級(jí)技工學(xué)校和職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工機(jī)械維修專業(yè)的教材，也可作為職業(yè)培訓(xùn)和職業(yè)技能鑒定教材及工程技術(shù)人員的參考用書。

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《化工機(jī)器與設(shè)備》——匡照忠著

《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) ( 簡(jiǎn)裝本 )》從機(jī)械設(shè)計(jì)的思考過程、思考方法和設(shè)計(jì)順序人手，闡述機(jī)械設(shè)計(jì)必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)，引導(dǎo)設(shè)計(jì)者了解并掌握整個(gè)設(shè)計(jì)的全過程及各設(shè)計(jì)階段的任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，手冊(cè)提供了實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)所需的詳細(xì)、充分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括：主要機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、設(shè)計(jì)的計(jì)算及數(shù)據(jù)；液壓及氣動(dòng)系統(tǒng)韻組成、元器件結(jié)構(gòu)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)；現(xiàn)代數(shù)字自動(dòng)化設(shè)計(jì)中必須采用的變頻電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、傳感器等的工作原理、技術(shù)參數(shù)和產(chǎn)品。手冊(cè)中編入的標(biāo)準(zhǔn)件、工程材料、外購(gòu)?fù)ㄓ昧悴考a(chǎn)品等，均重點(diǎn)說明了選用方法或選用實(shí)例，務(wù)求達(dá)到選用準(zhǔn)確、合理，并加快選用過程。

《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》編委會(huì)著