卷紙機設計【4張CAD圖紙+文檔全套文件】

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This paper is mainly about reeler of paper manufacture machine，researching and developing a designing expert system.Parametric design and Feature Molding technology are the two important technologies in subsequent development of CAD. The Parametric design technology is favor of establishment and management of products and it can improve design efficiency of products. The product feature model established by Feature Modeling technology describes the product from the each stage in life，and provides whole information of the product. Every system can gain its information from product mold and this can satisfied the requirement of CAD/CAM system.This paper is on the foundation for the working principle special understanding of reeler use Visual C+ carry out optimization for the paper manufacture machine structure，and draw using Pro/E special field software，have realized the parameter of paper manufacture machine element draw，paint paper manufacture machine accurately in the geometry shape of every element and drawing. Finally，this software draw the three-dimensional entity of paper manufacture machine have established foundation for the Processing of numerical control as well as the structural analysis of paper machine.This paper passes through complete reeler optimization program，parameter drawing，has shortened the design period of reeler greatly，has reduced the cost of R&D of reeler，this has positive help for the R&D of light industry mechanism.Key words: paper manufacture machine optimization design Pro/Engineer parametric finite element analysis46目 錄第一章 緒 論51.1卷紙機介紹51.1.1 卷紙機概述51.1.2 卷紙機分類51.2 卷紙機的發(fā)展概況61.3國內發(fā)展概況7第二章 卷紙機的功能結構分析92.1 卷紙機的工作原理92.2 卷紙機的結構和功能分析102.3 卷紙機關鍵件的若干技術要求112.4 卷紙機性能參數的設定12第三章 叉架傾轉機構的設計與優(yōu)化143.1 叉架傾轉機構的設計與計算143.1.1 結構原理及特點143.1.2 傾轉力矩的計算153.2優(yōu)化設計概述193.2.1 優(yōu)化設計數學模型193.2.2 優(yōu)化設計方法203.3卷紙機的優(yōu)化設計223.3.1 卷紙機機構設計223.3.2 機構最優(yōu)化設計243.3.3 卷紙機優(yōu)化設計25第四章 卷紙機的參數化建模294.1 參數化建模技術294.2 參數化建模方法294.2 卷紙機三維實體模型的參數化建模304.2.1 參數化設計的一般過程304.2.2 主機架模型的建立314.2.3 卷紙缸模型的建立314.3 工程圖的建立354.3.1 主機架工程圖354.3.2 卷紙輥工程圖354.3.3 缸蓋工程圖364.3.4 卷紙機裝配圖37第五章 卷紙機零件的有限元分析385.1 數據的轉換385.1.1 數據轉換標準385.1.2 ANSYS中的1GES標準轉換方式385.2 模型的修改395.3 卷紙缸的有限元分析395.3.1 單元類型與網格劃分395.3.2 邊界約束與載荷395.3.3 結果處理40第六章 結論與展望41參考文獻43第一章 緒 論1.1卷紙機介紹1.1.1 卷紙機概述卷紙機是配置在造紙機最末端的一個聯動設備。它的主要功能是將紙機生產出的紙幅卷成紙輥，便于后加工工序進一步加工。在紙張生產中，卷紙也是非常重要的技術之一。卷紙機的性能直接影響卷紙質量、紙卷結構、紙張損失、紙機和后加工工序的整體生產效率以及企業(yè)的經濟效益；同時，還影響印刷用戶的印刷質量、印刷效率和印刷過程的運行性能。卷紙機運行性能的好壞直接影響造紙機的生產效率。1.1.2 卷紙機分類卷紙機按照卷曲原理可分為兩種:軸式卷紙機和圓筒式卷紙機。軸式卷紙機的卷紙軸被直接帶動旋轉。卷曲時的圓周速度等于式中：及一纏卷的卷曲半徑及直徑，其數值在卷曲過程中逐漸增大一紙卷的角速度當紙的線速度一定時(與造紙機相應的線速度)，紙卷的角速度應該不斷的降低。圓筒式卷紙機卷曲的紙卷是支撐在按要求的線速度轉動的卷紙缸上，并由卷紙缸借摩擦力帶動。隨著紙卷卷曲直徑的增大，紙卷的轉速不斷降低，所以不需要在卷紙軸(輥)上裝設變速裝置。由于圓筒式卷紙機的操作簡單，并且能卷曲直徑很大的紙卷。所以大多數的造紙機上普遍采用圓筒式卷紙機。然而，軸式卷紙機也具有一些優(yōu)點：可方便地借改變紙幅拉力來調整卷曲緊度；對沿橫向幅寬上紙幅不均勻性不太敏感。其主要缺點在于車速高于時，領紙過程需要復雜的自動控制設備，紙卷直徑較小，所以在低速的、對調整紙卷進度要求較高的而特別是需要松卷紙卷的造紙機上，或者需要在造紙機上將紙幅縱切成兩個或多個紙卷時仍可使用多軸式卷紙機1。另外，從結構上可分手動式與液壓或氣動式；從機架導軌形式可分傾斜式與水平式2。1.2 卷紙機的發(fā)展概況近10多年來，世界各國也包括我國的廣大造紙工作者和造紙機械制造廠商，都在努力研究改進卷紙技術和提高卷紙機性能。在20世紀80年代前的100多年里，世界各國的造紙機主要是使用傳統(tǒng)的老式卷紙機，也稱作第一代卷紙機。而在1992年出現了第二代卷紙機。20世紀末又出現了嶄新的現代卷紙機，也稱第三代卷紙機，諸如Valmet公司的OptiReel Plus 卷紙機、Voith Sulzer公司的Sirius卷紙機和原Beloit公司的TNT卷紙機。1. 第一代卷紙機自從Alexander Pore發(fā)明第一代卷紙機以來，已應用了100多年。這種卷紙機有軸式和輥式兩種形式，應用最多的是輥式卷紙機，也稱表面卷紙機，適用于中低速各種形式造紙機。輥式卷紙機3主要由卷紙缸和一對放卷紙軸的搖臂支架組成。卷紙軸壓在卷紙缸上部的表面上，卷紙缸為主動回轉的輥簡，卷紙是靠紙卷壓向卷紙缸產生的摩擦力被動回轉而卷紙的。因此，卷成紙卷的緊密度取決于紙卷與卷紙缸之間的線壓力。對于老式輥式卷紙機，沒有調節(jié)線壓力的裝置。為了使紙卷緊密度均勻一致，后來才增設了氣動加壓缸裝置，可以調節(jié)線壓力，提高卷紙質量(如圖1.1所示)。與此同時，在換輥時為了使待卷紙軸的線速度與卷紙缸的線速度一致，有的傳統(tǒng)卷紙機增設了待卷紙軸的加速裝置，以避免換輥時造成過多的紙張損失。圖l.1 傳統(tǒng)的氣動加壓輥式卷紙機1卷紙缸 2卷紙輥 3紙卷 4引紙搖臂 5引紙搖臂氣壓缸6引紙搖臂回轉機構 7卷紙輥卷紙軸架 8加壓氣壓缸9氣壓缸桿 10在最大紙卷直徑時氣壓缸的位置2. 第二代卷紙機針對第一代卷紙機的缺點，第二代卷紙機的設計目標就是采用一切可行的措施，把卷紙中造成的損紙量降低到最低限度。Valmet公司在開發(fā)研制第二代卷紙機時，把它命名為“無損紙”卷紙機。世界上第一臺第二代卷紙機OptiReel 卷紙機，于1992年安裝在UPMKymmene Kaukas紙廠，并試車成功，投入生產。第二代卷紙機比第一代卷紙機損紙量降低5，即提高整體生產效率5。對于年產20萬t的LWC生產線，年增產1萬t。3. 第三代卷紙機第三代卷紙機也就是現代卷紙機，在20世紀90年代中后期才出現。Valmet公司的OptiReel Plus。 卷紙機，Voith Sulzer公司的Sirius卷紙機和原Beloit公司的TNT卷紙機，都是第三代卷紙機。OptiReel Plus卷紙機是由Valmet公司推出的現代化卷紙機。1999年3月首次投產，是當今世界上最先進的現代化卷紙機。已成功地應用在新聞紙、超級壓光紙、低定量涂布紙、超低定量涂布紙、涂布和未涂布高級文化用紙等多種現代化高速造紙機以及現代化后加工生產線上，進行卷紙和再卷紙作業(yè)。OptiReel Plus （如圖1.2）卷紙機操作性能優(yōu)良、運行性能良好。在生產大直徑紙卷、減少損紙量、提高生產效率、改善卷紙質量、優(yōu)化紙卷結構、保護紙張表面性能等方面具有突出的優(yōu)點。圖1.2 OptiReel Plus 卷紙機1.3國內發(fā)展概況國產卷紙機與造紙機一樣，長期停留在窄幅、慢速、手控的水平上。卷紙輥從卷紙機的副臂轉到主臂的過程，或是引紙、換卷，均靠手工操作來完成。勞動強度較大，又不安全。卷成的紙卷外緊內松，在紙卷端面形成卷曲的荷葉狀，造成幾十層紙的質量下降或報廢。這種結構的卷紙機，其卷紙輥與缸面問的線壓力，靠輥子自重與輥子上纏繞紙頁的重量迭加而形成的線壓，隨著紙卷直徑的增加，線壓力亦會增大，這就會造成紙卷“硬度”的提高，從而造成紙卷內松外緊。一旦工作車速在200r/min以上時，這種卷紙機則很難勝任。在紙幅超過2400mm 時，處境就更為惡劣。國外的造紙機械廠商在20世紀90年代就對卷紙機做了大量的調查研究和開發(fā)研制工作，推出了嶄新的現代化卷紙機。而我國的卷紙機仍是裝備水平低、性能差。然而，我國紙和紙板的產量近些年卻居世界第二、三位，在年產3400萬t的情況下，若開發(fā)應用上現代化卷紙機，那就是對挖掘我國造紙工業(yè)潛力做出的一大貢獻。第二章 卷紙機的功能結構分析2.1 卷紙機的工作原理卷紙機分為圓筒式卷紙機和軸式卷紙機兩種。而大多數的造紙上普遍采用的均是圓筒式卷紙機。圓筒式卷紙機的特點是：將抄造好的原紙由舒展輥的下方進入卷紙缸的缸面，然后被不斷地卷到壓靠在卷紙缸表面的卷紙輥上。卷紙輥被卷紙缸所帶動，并以卷紙缸相同的線速度將紙幅卷到輥面上。在卷取過程中卷紙輥和卷紙缸表面之間需要保持一個穩(wěn)定的線壓力。此線壓力是由機器兩側的次級臂和氣缸來實現的。通過調節(jié)進氣壓力可得到所需要的線壓力。當紙卷直徑達到要求尺寸后，通過換紙裝置上的繩子將紙幅橫向劃破，同時，紙幅被引到另一個空卷紙輥上，開始下一次工作循環(huán)，如圖2.1所示。圖2.1 水平圓筒式卷紙機2.2 卷紙機的結構和功能分析1. 在卷紙缸中通入壓縮空氣，減少缸中取水，有利于傳動和運轉平穩(wěn)。在卷紙缸中通入壓縮空氣減少缸中積水，有利于傳動和運轉平穩(wěn)4。舊式卷紙機卷紙缸中的冷卻水靠水超過缸半徑自溢，這樣往往有半缸水，一經車速提高形成水環(huán)，影響運轉平穩(wěn)，造成機架振動及軸承過早磨損。新式卷紙機車速均較高，在缸體操作端裝有旋轉接頭，同時通入壓縮空氣，氣壓為，氣管內徑約為。2. 舒紙頁裝置的改進在紙頁進入卷紙之前要保證紙頁舒展平整，確保卷成的紙卷圓整、沒有折子。過去用固定的多螺桿的弧形板，紙面與弧形板的接觸為滑動摩擦，會擦傷紙面留下隱影 ，于是采用了帶有中高的回轉式鼓形輥或可調活動弧形輥(見圖2.2)。3. 卷紙輥結構的改進舊式卷紙輥是一支輥子配置兩只滑動軸承，不適應于高速復卷機的放紙要求?，F在的卷紙輥(見圖2.2)都配置帶有滾動軸承的軸承殼及內齒輪聯軸器。圖2.2 新式卷紙輥l輥體 2軸承殼 3半聯軸器為了特殊需要，有時輥面包覆橡膠，其厚度為，硬度為消氏，有利于卷紙輥起卷，保護缸面，延長輥子的使用壽命。隨著卷紙機車速的提高，卷紙直徑、幅寬的增大，輥子直徑、軸徑(吊裝掛鉤處)一般宜采用較大值，保證具有足夠剛性，以防止吊裝時造成彎曲，影響卷紙輥的使用壽命。4. 卷紙輥與缸面間線壓力靠氣控調節(jié)氣缸內的壓力，確保紙卷內外松緊一致，紙卷圓度好。紙卷硬度適中。卷紙機的副臂都裝有氣缸，卷紙輥與缸面接觸形成的線壓力藉調節(jié)氣缸中的氣壓而得到有效控制。通常線壓力為1.22.5N/mm。5. 刮刀采用往復式移動一旦卷紙機車速提高(約在300m/min)時，刮刀由固定式改用往復式移動。這樣，可保護缸面。6. 在卷紙機水平導輥尾部裝有制動裝置，使吊起的紙卷不再轉動，保證起吊安全。7. 為了引紙方便，安全可靠，在卷紙缸操作端車有引紙槽，配置一套引紙繩輪裝置。8. 為了便于引紙、換卷，卷紙輥的啟動采用氣缸尼龍皮帶或電機機械啟動裝置。卷紙機的基本技術性能參數主要有六個:卷曲直徑、車速、軌距、卷紙缸直徑、凈紙寬度、功率。2.3 卷紙機關鍵件的若干技術要求1 卷紙缸剛體是卷紙機關鍵部件，用HT200鑄造加工而成，缸面硬度，表面粗糙度為0.4。2 卷紙輥是卷紙與復卷機(或切紙機)上通用的紙卷載體，復卷機的工作車速通常為卷紙機的三倍，不同于造紙機其它輥筒 根據情況須校準靜或動平衡，平衡塊固定須牢固。由于經常吊放紙卷，難免發(fā)生碰撞，其軸頭要考慮有足夠的剛性，安全系數要大于干毯導輥的，經?？梢钥吹郊垙S卷紙輥的軸頭撞彎，妨礙正常運行，造成卷紙輥過早報廢。3 機架兩支導軌做成水平式，成V字形導軌面，經滲氯電火花處時，既不變形又耐磨，卷紙輥軸承殼球面部分在V字形導軌面中移動，經長期使用，導軌面無碰傷拉毛等情況，是種較為合理的結構。4為了保持卷紙缸缸面清潔，免受刮刀擦傷，對刮刀刀片的材質選擇適當是重要的，通常采用的如表2.1中所列。表2.1 材料選用表序號材料名稱規(guī)格(厚度)備注1T8A薄鋼板12磷銅板23刃口剖成斜面3不銹鋼冷軋整形Crl8Ni9Ti14布質酚醛層壓板34刃口剖成斜面5樹脂層壓板刃口剖成斜面近年來，刮刀多數采用往復移動(車速在以上時)，往復移動次數7次/分，移動距離為單邊，有氣動皮膜式或電動式，以電動機減速器偏心輪較為可靠。5 具有中高的回轉式鼓形輥或多節(jié)可調活動弧形輥，是舒展紙頁的有效裝置。紙頁進入卷紙之前須進行舒展，過去采用多段螺桿調節(jié)的弧形板來舒展紙頁這樣會擦傷紙面 現在采用鼓形輥或可調活動弧形輥使用情況好，對涂布紙或特種紙更為有利。鼓形輥的中高量每米紙寬46mm，可調活動弧形輥固定軸的偏心距為1225mm。隨著造紙機車適的提高，卷紙機的卷紙缸直徑趨向于小型化，有的缸體用無縫鋼管或鋼板卷制而成一表面刻有溝槽，其間距為2030mm，溝槽寬1.52mm，深1.22.5mm，表面噴涂一層厚度為0.300.50mm的鉬(Mo)，需要涂層的制件表面須經電火花拉毛，涂層耐磨、不生銹，由于噴涂的鉬層有無數疏松隙，這些孔隙具有“吸附”紙頁的作用溝槽能使紙面夾帶的氣體逸出。在高速卷取高級紙時尤為突出。噴涂鉬層一般以鋁絲電噴涂質量較佳，若用鉬粉氣噴涂，因鉬粉粗細不一，有堵塞噴槍、鉬粉氧化等造成涂層產生夾層，氣泡。但前者費用比后者大，約為1.31.5倍。對于涂布機配套的卷紙機，其缸表面噴涂鉬，其效果較佳，國內完全具備噴涂鉬層的能力，經使用質量亦好。在高速復卷機支承輥 及 材質為鑄鐵件經噴涂后情況良好。卷紙缸直徑大小，并不由卷取厚紙、薄紙而定，也不是由車速高低而定應該是按缸體的制造工藝和卷紙機結構的需要來定較為妥當。水平式卷紙機可以看作是一臺單支承輥的“復”卷機，國外的復卷機通常有雙支承輥與單支承輥之分。因鑄造的勞動強度大，周期長，以及環(huán)保等原因，在國外把鑄造件的支承輥改為無縫鋼管或鋼板卷制造。做一支直徑的鋼管比做或 來得容易，成本低，機加工、校平衡均較方便。2.4 卷紙機性能參數的設定卷紙機的基本技術性能參數主要有六個:卷曲直徑、車速、軌距、卷紙缸直徑、凈紙寬度、功率。1. 卷曲直徑卷曲直徑是指卷紙輥在卷紙的過程中隨著卷紙輥卷紙層數的不斷增加，最終在完成卷紙時所能達到的最大直徑。2. 車速卷紙機的車速是指卷紙機上紙幅的實際運行速度(米/分)，有時也稱之為抄速。此外，經常使用下列有關車速的術語。工作車速：指造紙機在給定的紙料品種和工藝生產條件下可以達到的車速，用以作為制定生產計劃和考查完成生產任務的標準。工作車速表示造紙機具有的能夠發(fā)揮的生產能力。設計車速：指造紙機從機械結構的角度上和產品范圍內最大宗的產品生產條件出發(fā)考慮時可以達到的最高車速。通常是在最大工作車速的基礎上提高20%后的車速作為設計車速，并常常以此為根據選用造紙機的各種附屬裝備。結構車速：指在工作車速基礎上提高以后的車速，用來作為紙機零件強度設計和某些紙機部件技術質量檢驗的依據，它表示造紙機結構所允許的最高車速。3. 軌距軌距是指卷紙機基礎上底軌的中心距。卷紙機的軌距由造紙機的銅網寬度決定并應考慮到烘缸端面與基礎梁之間有足夠的間距。軌距的估算用下列經驗公式設表示軌距，當銅網寬度時，當銅網寬度時，造紙機的軌距通常也就是紙機各棍子兩軸承之間的中心距。4. 卷紙缸直徑卷紙缸是卷紙機工作過程中最重要的部件，它是由一個電動機帶動支撐著紙卷，并借著紙卷與卷紙缸壓區(qū)中的摩擦力而使紙幅產生張力，產生的摩擦力也是這種卷紙方式工作的唯一卷紙動力。5. 凈紙寬度造紙機的抄寬是指所抄造紙幅的寬度，用卷紙機上紙幅的寬度表示，有時也稱為毛紙寬度。毛紙經過復卷機或切紙機切去毛邊后，所得成品紙的寬度便是凈紙寬度(用表示)。顯然，凈紙寬度應該是印刷、書寫和其他用途紙張的標準寬度的整數倍。目前國內比較通用的凈紙寬度的基數是:(新聞紙)、(印刷紙、文化用紙)和(紙袋紙)；其他紙張的寬度則根據現有紙機的規(guī)格。6.功率功率是卷紙機的主要技術性能之一，給出的功率是用來選擇帶動卷紙機運轉的電機的標準，電機通過減速器等裝置帶動卷紙機中最重要的部件卷紙缸轉動。因此，卷紙機的功率與電機的功率是密切相關的。第三章 叉架傾轉機構的設計與優(yōu)化3.1 叉架傾轉機構的設計與計算國內大型長網紙機隨著工作車速的大幅度提高，與其配套的卷紙機叉架傾轉機構也以機械傳動取代了笨重落后的手動機構。目前傳動機構多采用行星式擺線針輪減速機電磁鐵制動系統(tǒng)與叉架下部扇形齒輪機構一起組成機械式叉架傾轉機構。3.1.1 結構原理及特點卷紙機的傳動型式屬于行星摩擦輪系，卷紙缸是中心輪，固定在叉臂上的卷紙輥是行星輪，其結構愿理5如圖3.1所示。圖3.1 卷紙機叉架傾轉機構結構原理圖1軌道 2二次叉架 3一卷后紙輪 4叉臂 5卷筒紙輥軸6卷紙缸 7卷紙缸軸 8扇形齒輪 9小齒輪 10機架卷紙缸由主傳動直接輸入。叉架傾轉機構是單獨韻一套傳動系統(tǒng)。叉架的轉軸就是卷紙缸軸承架的外套，叉架的上端是U形叉臂，是用來裝卡紙輥軸的，使其圍繞中心輪的外外圓作行星轉動，叉架的下端是扇形齒輪，與主動小齒輪連同減速機組成叉架傾轉機構，以間歇傳動方式完成換輥動作。由于卷紙輥與卷紙缸之間始終處于緊密接觸狀態(tài)，并具有相當大的摩擦力。從紙機烘干部傳出來的紙幅就被這種摩擦力拉出，并連續(xù)不斷地卷在紙輥上。當紙輥卷到一定直徑時，叉臂便將紙輥傾轉到水平軌道的二次叉架上。這時紙輥繼續(xù)依靠裝設在軌道內的氣缸推頂二次叉架， 使紙輥與卷紙缸保持摩擦傳動，然后叉臂脫開紙輥軸并恢復到原來的垂直位置，準備下一個工作循環(huán)。這種傳動型式的主要特點是： 能在設備連續(xù)運轉的情況下，實現平滑過渡，銜接換輥，保持生產過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。3.1.2 傾轉力矩的計算根據機械動力學分析6,7，在系統(tǒng)中存在著紙輥旋轉傾落時的慣性力矩和發(fā)生在叉架轉軸處滑動軸承上的摩擦力矩，其力矩之和為： （3-1）可應用剛體繞定軸轉動微分方程求得： （3-2）式中，因紙輥在傾轉的瞬間近似于勻速轉動，（恒量），則 （3-3） （3-4）根據平行軸轉換公式 （3-5）式中：紙輥轉動慣量， 紙輥質量，故 （3-6） （3-7） （3-8）式中：紙輥傾轉時重量，設 重力加速度， 叉架轉動半徑，即 紙輥半徑，卷紙缸半徑，卷紙機工作車速，卷紙缸轉速，卷紙輥角速度，滑動摩擦系數，叉架轉軸半徑，則 （3-9）作用在扇形齒輪上的力為式中：扇形齒輪節(jié)圓半徑，則 （3-10）小齒輪軸扭矩為式中：小齒輪節(jié)圓半徑, （3-11）為計算出的實際傾轉力矩，可見原設計可靠性不夠。根據機構分析和設計計算8,9，對傾轉機構的傳動設計，應注意以下原則：（1）設計選用的減速機輸出軸扭矩必須滿足設計要求；（2）必須能夠達到傳動過程自鎖要求；（3）對系統(tǒng)中的受載零部件按最大載荷(或扭矩)及最不利的工作條件進行精確強度計算，以便使機構性能達到最佳設計。從幾個方案中選擇設計齒輪蝸輪減速機。在高速軸與電動機之間裝設雙錐離合器，使功能結構達到合理、完善、實用(詳見圖3.2所示)。圖3.2 齒輪蝸輪減速機示意圖1蝸輪 2蝸桿 3蝸輪箱 4齒輪箱 5離合器殼8雙錐離合器 7電動機 8一級齒輪副 9二級齒輪副設計步驟如下10：（1）使用中已知條件減速機輸出扭矩叉架轉速電動機轉速電動機功率（2）速比分配原機扇形齒輪與小齒輪速比 （3-12），扇形齒輪有效齒數，小齒輪齒數。齒輪蝸輪減速機速比第一級：，第二級：，第三級：蝸桿頭數，渦輪齒數，減速機速比 （3-13）傾轉機構傳動速比（3）計算叉架機構的轉速 （3-14）上式為叉架的工作轉速，符合設計要求。（4）計算承載能力由于叉架傾轉機構是短時間運轉而停歇時間又較長的傳動，因此只計算兩個末級承受較大載荷韻扇形齒輪機構的小齒輪和蝸輪的承載能力11,12。小齒輪的強度驗算按作用力由一個齒全部承受的最壞情況驗算其彎曲強度，根據簡化公式得： （3-15） （3-16）故，滿足強度要求。計算渦輪承載能力蝸輪機構在24小時內間歇傳動，每小時最多開動2次，每攻5分鐘，正反轉工作，環(huán)境溫度為，蝸桿下置式，使用年限為5年。計算渦輪輸出扭矩： （3-17）式中：，按，查得 （3-18）根據設計渦輪機構，當，時，許用扭矩核算輪齒尖峰負荷 （3-18）故滿足要求。3.2優(yōu)化設計概述優(yōu)化設計就是對所設計的問題經過數學建模13，按照最優(yōu)化原理和方法，通過尋找影響系統(tǒng)目標的優(yōu)化變量各分量的某種取值組合，使得系統(tǒng)目標函數在給定約束條件下達到最優(yōu)或近似最優(yōu)14。3.2.1 優(yōu)化設計數學模型通過對所設計的問題進行數學建模而構建:(l)目標函數，(2)設計變量，(3)約束條件15。1.目標函數目標函數就是以設計變量為自變量，用來衡量設計優(yōu)劣指標的函數。優(yōu)化設計的目的就是在滿足約束的條件下使目標函數達到最大或者最小值。2.設計變量對于構建的用參數表示的數學模型，有些參數的變化對目標函數沒有影響，對于優(yōu)化過程中可以不考慮，而對于目標函數有影響的參數就是設計變量。3.約束條件約束條件就是用設計變量構建的一些滿足性能或者幾何限制條件。約束條件一般有等式約束和不等式約束。優(yōu)化設計的模型一般可以簡化為 （3-19）式中而求目標函數的最小值；設計變量的n維空間；不等式約束；等式約束。3.2.2 優(yōu)化設計方法數學中幾種經常用到的優(yōu)化方法的介紹1. 外罰函數法算法程序介紹對于目標函數，等式約束函數和不等式約束函數；還有終止限(可取 )，設由約束函數構造的懲罰函數為 （3-20）外罰函數法的算法1）選定初始點為；選取初始懲罰因子 (可取)，懲罰因子的放大系數(可取)；置。2）以為初始點，求解無約束問題 (3-21)設其極小點為。3）若，則就是所要求的最優(yōu)解，停止；否則轉4)。4)置；，轉2)。2. 步長加速法算法程序介紹對于元目標函數，步長收縮系數的終止限。1）選定初始點，初始步長向量。2）置，（或0.1）。3）。4）在點以為步長向量做探索搜索。5）若探索搜索成功，即，則轉6)；否則轉10)。6）作模式移動：；置，。7）在點以為步長向量作探索搜索。8）若這次探索搜索的終點的目標函數值比前一次探索搜索的終點的目標函數值小，即，則稱模式移動成功。說明從出發(fā)沿方向有繼續(xù)前進的必要。因此轉6)再次作模式移動。因為一般比要大，所以凡是連續(xù)作的模式移動都是加速步驟。9）若，則稱模式移動失敗。此時，把前一次探索搜索的終點選作參考點。相當于模式移動作廢；然后轉4)。10）由5轉來。若探索搜索失敗，即，則判別步長收縮系數是否充分?。蝗?，則把縮小，即置，然后轉3)；若，則就是所求的極小點。3. 探索搜索算法程序介紹已知：目標函數，步長向量和參考點。1）計算；置，。2）依次沿第坐標軸方向作如下搜索：計算，其中是第坐標上的單位向量。以下三種情況必居其一：（i）若，則說明比好，置，。（ii）若而，則說明不比好，但比好，因此置，。（iii）若與同時成立，說明和都不比好，則和都保持當前值不變。依次對計算后，最后得到的和分別是從出發(fā)以為步長向量的探索搜索的終點極其目標函數值。由于實際問題中的目標函數和約束函數基本上都是一些非線性約束，而且約束函數中包括等式約束和不等式約束，所以更多采用的是外罰函數法?？紤]到實際問題的需要，本系統(tǒng)在選用優(yōu)化方法的時候也采用的是外罰函數法。3.3卷紙機的優(yōu)化設計3.3.1 卷紙機機構設計圓筒卷紙機是借助紙卷與卷紙缸壓區(qū)中的表面摩擦力工作的。為了得到均勻的紙卷緊度，紙卷與卷紙缸之間的線壓力要保持基本不變。圖3.3 舊式卷紙輥與卷紙缸位置示意圖1卷紙輥 2卷紙缸舊式搖臂式圓筒卷紙機上，此線壓力隨著紙卷重量和搖臂位置的變化而改變。如圖3.3所示，由靜力平衡方程可得出壓區(qū)壓力 (3-22)式中：確定搖臂位置的夾角；紙卷的重量，它是時間的函數；卷紙輥的重量。顯然，在這種卷紙機上卷紙，會造成紙卷的內外松緊不一，會影響紙卷的質量，尤其是不能適應高速紙機的要求?，F代造紙機上，大多采用氣動加壓和抬起紙卷的導軌式圓筒卷紙機。根據資料介紹，如果卷紙軸的導軌傾斜角度等于導軌與軸承之間的摩擦角，則紙卷本身的重量對卷紙缸不產生壓力，通過調整工作氣缸，可獲得穩(wěn)定的線壓力。我國在七十年代的一些氣動卷紙機，正是根據這一理論，將導軌設計成與水平傾斜左右，如圖3.4所示。圖3.4 改進后卷紙輥與卷紙缸位置示意圖1卷紙輥 2卷紙缸上述理論是在假定紙卷在導軌上靜止的條件下得出的。實際上，隨著紙卷直徑的增大，紙卷是在離開卷紙缸方向緩慢地移動的。其摩擦阻力方向恰好與圖32所示的方向相反，即與紙卷自重下滑力是相同方向的。因此，在動態(tài)下，圖32所示傾斜導軌上，紙卷與卷紙缸的壓區(qū)壓力為 （3-23）式中：摩擦系數；摩擦角，；兩側汽缸在平行于導軌方向的附加壓力；紙卷與卷紙輥的重量之和。由式(3-5)可知，在卷紙過程中，紙卷自重的下滑力與摩擦力并不能抵消，壓區(qū)線壓力并不是恒定的。而是紙卷自重的線性函數。欲使紙卷自重對卷紙缸不產生壓力，理論上分析，導軌傾斜的方向應該變?yōu)閳D3.3所示，即朝外向下傾斜。但是，從操作安全和制造工藝角度考慮，這種傾斜也是沒有必要的。七十年代以來，國外現代卷紙機大多采用圖3.5所示的水平道軌和擺動氣缸機構。只要應用機構最優(yōu)化設計原理，合理選擇機構參數，完全可以達到紙卷與卷紙缸之間的壓力基本不變的要求。圖3.5 理想的卷紙輥與卷紙缸位置示意圖1卷紙輥 2卷紙缸3.3.2 機構最優(yōu)化設計機構最優(yōu)化設計是近年來出現并且發(fā)展非常迅速的一種設計方法。它采用最優(yōu)化的數學方法，借助于計算機程序，使設計的機構最優(yōu)地滿足預訂的運動學和動力學方面的要求，給出最優(yōu)的設計方案。設計步驟如下建立數學模型，包括設計變量、約束條件和目標函數。凡屬于在優(yōu)化設計中需要優(yōu)化選擇的結構參數，稱為設計變量。一組個設計變量，可寫成矩陣的形式：對設計變量的取值加以某些限制的條件，稱為約束條件。一般用不等式約束方程：， （3-24）和等式約束方程式：， （3-25）表示出來。機構的優(yōu)化設計就是在設計中能最好地滿足所要追求的某些特定目標。這些目標可以表示為設計變量的函數，稱為目標函數，記作： （3-26）目標函數的值是評價設計方案優(yōu)劣程度的標準。最優(yōu)化設計是要尋找一個最優(yōu)點，使目標函數達到最小(或最大)值，即， （3-27）D為可行區(qū)域，稱值為最優(yōu)值。3.3.3 卷紙機優(yōu)化設計如圖3.5所示水平導軌式圓筒卷紙機的示意圖。紙機車速，卷紙缸直徑，抄寬，紙卷最大直徑，卷紙輥直徑，輥軸重，抄造紙張的緊度，卷紙輥軸殼在導軌上的摩擦系數，二次叉臂桿長，于是卷紙缸與紙卷之間的線壓力達到基本不變，確定其它構件的尺寸16。1. 確定設計變量2. 目標函數由紙卷與卷紙缸之間的壓力盡量逼近所期望的壓力，按標準差達到最小值來建立目標函數17 （3-28）圖3.5 水平導軌式圓筒卷紙機1卷紙輥 2卷紙缸 （3-29）式中其中紙卷凈重；時間；紙卷的厚度；紙厚。3. 約束條件由構件構成的三角形，滿足根據機構結構尺寸，要求各構件長度在給定的范圍內根據壓區(qū)線壓力和汽缸壓力及叉臂重量的允許范圍得4.最優(yōu)化方法及其計算結果最優(yōu)化方法用外部懲罰函數法，無約束優(yōu)化方法用Powell法，取懲罰函數法的收斂精度，Powell法的收斂精度，懲罰函數形式為 （3-30）選取初始懲罰函數參數，遞減系數，初始點，利用Visual C+ 計算18解得如下最優(yōu)結果即第四章 卷紙機的參數化建模4.1 參數化建模技術參數化設計19是近幾年才發(fā)展起來的先進設計技術，可以大大提高設計效率，并有助于減輕設計人員的工作強度。參數化設計是機械零件設計的一個重要部分，參數化設計的零部件對于系列化產品尤其重要。廣義上講，參數設計過程是指從功能分析到創(chuàng)建參數化模型的整個過程。首先根據零部件的功能，以及零部件與其他零件之間的關系，確定零部件是否可能進行參數化設計。有些零部件是專用零件，有的甚至是單件生產，像這樣的零部件不必進行參數化設計。如果零部件需要量大，并且需要系列化生產，這樣的零件應該考慮進行參數化設計。從產品設計到制造的整個過程中，尤其在產品設計的初步階段，產品的幾何形狀和尺寸不可避免地要反復修改、協(xié)調和優(yōu)化。如果利用CAD軟件進行非參數化建模，那么哪怕要改變圖形的一個尺寸和結構，也要修改原模型，甚至要重新建模。那么能否利用數值驅動零部件的特征尺寸，在進行產品系列設計時，只需要添加多組數據即可；若要進行重新設計，只需要修改部分數據即可呢？其實，這就是參數化設計的思想，現今流行的三維CAD20造型系統(tǒng)大多提供了參數化設計的功能。參數化設計可以大大提高產品設計的效率，同時可以有效保證產品模型的安全可靠性21。尤其對于形狀比較定型的零部件，用一組參數約束該幾何圖形的一組尺寸序列，參數與設計對象的控制尺寸對應顯示。當賦予不同的參數序列時，就可驅動原有幾何模型達到新的目標幾何圖形，可以完成高效建模和模型修改。4.2 參數化建模方法參數化建模的首要步驟是對零部件進行形體分析，從而確定設計變量和建模策略，然后進行參數化建模以及參數提取，最后進行建模的驗證。根據零部件幾何形狀以及復雜程度的不同，應該選擇不同的參數化建模方式，通常有2種參數化建模方法。1. 特征建模方法特征建模方法主要是通過Pro/TOOLKTI22中提供的函數創(chuàng)建基準、拉伸、旋轉、倒角、孔和掃描等特征的創(chuàng)建技術和關鍵代碼。每一個零部件模型的建立均是由零部件中定義的各個相互獨立、關聯的特征組成的，用樹狀結構的形式來描述和定義Pro/ENGNIEER的一個特定特征稱為特征元素樹(feature elements tree)。這種特征元素樹并不是指在交互操作時的模型樹(model tree)，而是用來代表定義特征所有信息的結構體類型數據的一種直觀的表示形式。一個特征元素樹代表一個特定的特征，樹種根節(jié)點和各分支統(tǒng)稱為元素，作為ProElement對象。2.參數化建模方法參數化建模的方式是利用設計參數來控制三維模型。基本作法是利用交互式方法創(chuàng)建三維模型，再利用Pro/ENGNIEER的參數功能建立設計參數，然后由Pro/T00LKIT應用程序檢索出模型的設計參數、并提供參數的編輯功能和根據新的設計參數再生三維模型的功能23。基于這一方法建立模型的過程，該方法中主要涉及到了Pro/ENGNIEER的參數對象、參數值、參數的創(chuàng)建和檢索以及根據新的參數值派生三維模型的有關函數、程序算法等功能。以上介紹了Pro/E參數化設計兩種功能，盡管特征元素樹創(chuàng)建三維模型是基本方法，但是相對于第二種方法，第一種方法至少存在著三方面的不足：一是程序設計繁瑣，對于形狀復雜的模型完全依靠Pro/TOOLKTI應用程序來生成三維模型是非常困難的，有時甚至是不可能的；二是不能創(chuàng)建Pro/ENGNIEER具有的全部特征，如混合(Blend)等高級功能；三是Pro/TOOLKIT提供的特征樹結構和元素與Pro/ENGNIEER的版本有關，在特定的版本下生成的Pro/TOOLKTI應用程序不能保證在以后的高版本成功運行。基于以上三點不足，本文在選擇建立模型的方法時使用的是更為行之有效的第二種方法參數化建立模型。4.2 卷紙機三維實體模型的參數化建模4.2.1 參數化設計的一般過程Pro/E除了提供方便而強大的參數化建模方法外，還提供了可以提取特征參數的數據表格，通過數據表格可以生成零件庫，進行參數化設計的基本步驟如下24:1. 根據圖紙和自由變化參數表確定建模方法；2. 創(chuàng)建參數化模型；3. 設置參數之間的關系；4. 提取自由變化參數；5. 創(chuàng)建零件庫，輸入零件系列數據，創(chuàng)建零件模型；6. 調入生成的模型，檢查模型創(chuàng)建是否有誤；7. 利用二次開發(fā)接口編寫程序，進行零件庫的管理。4.2.2 主機架模型的建立主機架部分包括主機架、輔助機架、齒輪等結構。其主要是起到對卷紙輥、卷紙缸等卷紙機中的運動部件支撐的作用。在設計過程中，系統(tǒng)把計算得到的尺寸保存到一個數組中，由該數組的數據來驅動參數化零件數據庫中的模型，進而得到系統(tǒng)所設計出來的零件的三維模型。主機架三維實體模型的上半部分是首先由參數化零件數據庫中提取出來的模型，下半部分控件中的數據是由系統(tǒng)計算得到的數據賦給控件的，當然系統(tǒng)計算得到的數據主機架零件模型尺寸數據有很多，控件中顯示的只是其中的一部分，其他的均保存在系統(tǒng)程序的數組中，在控件中顯示出來的數據是為了用戶看到之后更直接，并可以通過修改控件中的數圖4.1 機架的Pro/E三維模型圖據，單擊更新按鈕可以重新生成圖4.1中上半部分的新的三維模型。由于主機架部分零部件的形狀相對固定，在設計中一些變化大多屬于是零部件放置位置的變化，因此主機架部分的設計是卷紙機設計中變化相對較小的一部分。所以在本文中沒有對主機架部分中的其他零部件進行詳細地介紹，而只是以主機架為例進行介紹。4.2.3 卷紙缸模型的建立卷紙機中工作的主要部件是卷紙缸和卷紙輥，卷紙機通過卷紙缸和卷紙輥之間的摩擦力產生相對運動來完成卷曲紙卷的任務，并且卷紙缸和卷紙輥之間的工作性能的好壞直接會影響到卷曲紙卷的質量，而卷紙輥部分對于大多數的卷紙機來說，都是有規(guī)定的尺寸和大小的，因此在卷紙機使用卷紙輥是只需根據型號來選擇卷紙輥即可，不需要針對卷紙機來進行單獨設計卷紙輥，所以在卷紙機的設計當中，卷紙缸部分的設計就顯得格外重要，本系統(tǒng)在卷紙缸的設計中也給予了重要的地位，如第三章中所闡述本系統(tǒng)對卷紙缸部分在設計中進行了優(yōu)化。下面就對卷紙缸部分的三維模型建立方面進行一下詳細地介紹。1. 缸體參數化設計缸體是卷紙缸中和卷紙輥直接接觸部分，其三維模型參數化設計如圖4.2所示。圖4.2 卷紙缸的Pro/E三維模型圖由于缸體的實際形狀相對其它零件比較簡單，因此在缸體的參數化設計中給出的設計尺寸只有六個，這并不是說缸體在設計時就只有六個尺寸，而是一些其他的尺寸在設計中可以由這六個尺寸推導出來或者是一些經驗尺寸，這些尺寸只需要在圖形生成時由系統(tǒng)給出就可以了。2. 缸蓋A參數化設計缸體是和卷紙輥直接接觸的零件，但卷紙缸部分并不是僅僅只有缸體一個零件，缸體在工作時，兩端要有端蓋、軸承等固定支撐零件。下面將對缸蓋A的三維模型參數化進行介紹，如圖4.3所示是缸蓋A的三維實體模型。3. 缸蓋B參數化設計缸蓋B與缸蓋A一樣也是缸體的固定支撐零件，因此缸蓋B的三維實體模型的參數化設計過程與缸蓋A的參數化設計過程基本相同，不同之處在于缸蓋B位于卷紙輥的兩端，缸蓋A位于卷紙缸的兩端。缸蓋B的三維模型如圖4.4所示。4. 卷紙機的整體裝配三維模型圖根據以上零件和其他零件模型的建立，在Pro/E三維軟件中的實體裝配實體模型如圖4.5所示。圖4.3 缸蓋A的Pro/E三維模型圖以上詳細介紹了主機架、缸體、缸蓋A、缸蓋B等零件的三維模型參數化設計和卷紙機的整體三維模型的裝配，由于本系統(tǒng)中都采用的是尺寸驅動參數化零件數據庫中的模型，因此設計過程中的本步驟和方式基本相同。圖4.4 缸蓋B的Pro/E三維模型圖圖4.5 卷紙機的Pro/E三維實體模型裝配圖4.3 工程圖的建立4.3.1 主機架工程圖主機架的二維工程圖如圖4.6所示，分別為主機架的主視圖、左視圖和俯視圖。圖4.6 主機架二維工程圖4.3.2 卷紙輥工程圖卷紙輥的二維工程圖如圖4.7所示，分別為卷紙輥的主視圖和左視圖。圖4.7 卷紙輥二維工程圖4.3.3 缸蓋工程圖缸蓋的二維工程圖如圖4.8所示，分別為缸蓋的主視圖和俯視圖。圖4.8 缸蓋二維工程圖4.3.4 卷紙機裝配圖卷紙機裝配圖的二維工程圖如圖4.9所示，分別為卷紙機的主視圖、左視圖和俯視圖。圖4.9 卷紙機裝配體二維工程圖第五章 卷紙機零件的有限元分析5.1 數據的轉換5.1.1 數據轉換標準接口技術是CAD/CAE系統(tǒng)實現無縫集成的關鍵技術。為了滿足系統(tǒng)集成的需要，提高數據交換的速度，保證數據傳輸的完整、可靠和有效，則必須使用有效的數據交換標準。目前最為通用的數據交換標準有IGES標準和STEP標準。IGE(s原始圖形信息交換技術規(guī)范)是由美國國家標準協(xié)會(ANSI)制定的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)之間圖形信息交換的一種規(guī)范25。它由一系列產品的幾何、繪圖、結構和其它信息組成，是用來定義產品凡何形狀的現代交互圖形系統(tǒng)，可以處理CAD/CAE/CAM系統(tǒng)中大部分信息，進行產品定義數據的相容性交換。IGES標準現已發(fā)展成為一種主流的通用圖形數據交換格式，大多數軟件都配有IGES接口。STEP標準是一個關于產品數據的計算機可理解的表示和交換國際標準，提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，它描述的是包括產品的設計、制造、使用、維護、報廢等整個生命周期的信息。相對STEP標準，IGES更加側重于幾何圖形信息描述、幾何實體信息描述和有限元模型數據傳遞交換，而且ANSYS本身具有內置的IGES轉換過濾器，其IGES的輸入能力在工業(yè)界是最強的。CAD軟件幾何模型和有限元幾何模型記錄數據和保存文件的格式不同，且IGES的一些語法結構有二義性，不同的系統(tǒng)也會對同一個IGES文件給出不同的解釋;有時IGES對數據傳輸不可靠，往往一個CAD系統(tǒng)只有一部分數據能轉換成IGES數據，在讀入IGES數據時，也經常有部分數據被丟失，可能導致數據交換的失敗;另外交換文件所占的儲存空間通常較大，影響數據文件的處理速度和傳輸效率。因此，在把三維模型通過GIES文件轉換為有限元模型之前，必須對模型進行修補、簡化工作。5.1.2 ANSYS中的1GES標準轉換方式對于輸人IGES文件，ANSYS 26提供了兩種選項:DEFAULT和ALTERNATE。DEFAULT選項使用一種增強的幾何數據庫，它可自動地進行IGES文件的轉換，轉換包括自動地合并和生成體，為模型劃分網格做準備。DEFAULT選項不能轉換文本、面積、注解圖元、結構圖元等數據，會忽略它不能識別的IGES圖元，不過它會轉換所有的IGES拓撲和幾何圖元;輸人后，ANSYS將不允許從DEFAULT選項轉換到ALTERNATE選項，因而不容許自底向上的模型生成方法。ALTERNATE選項使用標準的ANSYS幾何數據庫，沒有自動生成體的能力，而且通過它轉換的模型還需要進行一些手工的修補。在大多數情況下建議使用DEFAULT選項，只在以下幾種情況中可能使用ALTERNATE選項:無法通過DEFAULT選項輸入模型;希望把模型輸出到一個IGES文件中;希望在輸入的模型基礎之上建立新的圖元。5.2 模型的修改Pro/E生成的模型文件中包含了一些難以進行網格劃分的物理細節(jié)，而且Pro/E程序采用了一種帶有特殊格式的方式來定義圖元，這種定義圖元的方式與ANSYS定義圖元的方式不一致，這些問題最終都會導致模型網格劃分失敗，因此需要對模型進行以下修補和簡化：1)拓撲修改和幾何修復。使用拓撲修改工具閉合模型中各圖元的間隙，可用間隙檢查調整間隙容差的方法對所有間隙進行合并，修改不完全的圖元以生成線、面和體。如果在模型的輸入過程中發(fā)現模型的拓撲和幾何結構有問題，或模型輸入時關閉了合并的開關，則把拓撲工具（Topo Repair）變?yōu)榭捎脿顟B(tài)。2)幾何結構簡化。刪除一些無關緊要(或無限制的)的圖元，找出并去掉模型中產生問題的細節(jié)、小線或小特征，簡化幾何結