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摘要
帶式輸送機是輸送散狀物料的重要設備之一，以輸送帶作牽引和承載構(gòu)件，通過承載物料的輸送帶的運動作物料連續(xù)輸送設備，它廣泛應用于煤炭、冶金、礦山、港口等領(lǐng)域，隨著科技技術(shù)的進步與發(fā)展，對設備的要求性能越來越高，而彎曲阻力是輸送機的主要運行阻力之一，其在日常工作使用中帶來不必要的浪費與損耗，為了詳細研究輸送帶彎曲阻力，并為研發(fā)節(jié)能型輸送帶提供測試工具，本文設計一種橡膠輸送帶彎曲阻力測試試驗臺。
本文首先根據(jù)給定的試驗臺參數(shù)對其主要零部件如張緊缸、壓下缸等進行了設計和校核；然后根據(jù)已有的輸送帶彎曲阻力數(shù)學模型對彎曲阻力進行了估算，對電機、減速器等零部件的運行參數(shù)進行計算，并計算和分析結(jié)果為依據(jù)，對試驗臺中滾筒、托輥等零件的型號和生產(chǎn)廠家進行了選取；最后為了驗證所設計的試驗臺能夠滿足設計要求，采用Pro/E對建立了試驗臺的三維虛擬樣機模型，對模型的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及整機的裝配和干涉情況進行了分析和驗證，再利用ANSYS對試驗臺進行靜力學分析和模態(tài)分析，對試驗臺的強度和動態(tài)特性進行了分析和校核，分析結(jié)果表明所設計的彎曲阻力試驗臺結(jié)構(gòu)合理、強度能夠滿足使用要求。
關(guān)鍵詞：輸送帶；彎曲阻力；彎曲阻力測試試驗臺 ；Pro/ENGINEER；ANSYS
I
Abstract
With type conveying machine is conveying bulk-like material of important equipment one of, to conveying with for traction and hosted component, through hosted material of conveying with of movement for material continuous conveying equipment, it widely application yu coal, and metallurgical, and mine, and port, field, with technology technology of progress and development, on equipment of requirements performance increasingly high, and bent resistance is conveying machine of main run resistance one of, its in daily using in the brings not necessary of waste and loss, to detailed research conveying with bent resistance, And to provide test tools for the development of energy-saving conveyor belts, designed to a rubber conveyor belt bending resistance test-bed.
Paper first according to given of test Taiwan parameter on its main parts as zhang tight cylinder, and pressure xia cylinder, for has design and check; then according to has some conveying with bent resistance mathematics model on bent resistance for has estimates, on motor, and reducer, parts of run parameter for calculation, and calculation and analysis results for according to, on test Taichung drum, and supporting roll, parts of model and production manufacturers for has selected; last to validation by design test Taiwan of can meet design requirements, used Pro/ E on established has test Taiwan of three dimensional virtual prototype model, on model of structure, and quality and the machine of Assembly and interference situation for has analysis and validation, again using ANSYS on test Taiwan for statics analysis and die state analysis, on test Taiwan of strength and dynamic characteristics for has analysis and check, analysis results showed that by design of bent resistance test Taiwan structure reasonable, and strength can meet using requirements.
Key Words：Conveyor belt；Bending resistance；Resistance to bending test-bed；
Pro/ENGINEER；ANSYS
1
目錄
1 緒論 1
1.1 選題的依據(jù)和意義 1
1.1.1 選題的依據(jù) 1
1.1.2 研究主要運行阻力及能耗機理的目的和意義 1
1.2 帶式輸送機主要運行阻力研究現(xiàn)狀 2
2 試驗臺設計參數(shù)確定與選型 3
2.1 試驗臺主要設計參數(shù) 3
2.2 張緊缸和壓下缸參數(shù)計算 4
2.3 輸送帶最大彎曲阻力估算 8
2.4 主要零部件選型 11
2.4.1 電機功率與電機選擇 11
2.4.2 減速器選型 12
2.4.3 驅(qū)動滾筒與張緊滾筒選型 13
2.4.4 壓輥、托輥選型 13
3 彎曲阻力測試試驗臺三維結(jié)構(gòu)設計 14
3.1 Pro/ENGINEER簡介 14
3.2 試驗臺主要零部件建模 14
3.2.1 標準件繪制 14
3.2.2 關(guān)鍵零部件建模 22
3.3 試驗臺裝配模型建立及干涉分析 23
3.3.1 裝配模型建立 23
3.3.2 裝配零件干涉分析 29
4 彎曲阻力測試試驗臺關(guān)鍵零部件強度校核 33
4.1 Ansys簡介 33
4.2 支架及主架的靜力學特性分析 33
4.3 試驗臺模態(tài)分析 38
5 結(jié)論 45
6 技術(shù)經(jīng)濟性分析 46
致謝 46
參考文獻 48
附錄A 49
附錄B 55
1 緒論
1.1 選題的依據(jù)和意義
帶式輸送機是輸送散狀物料最重要的設備之一，是以輸送帶作牽引和承載構(gòu)件，通過承載物料的輸送帶的運動進行物料輸送的連續(xù)輸送設備。它廣泛應用于煤炭、冶金、礦山、港口、建材等領(lǐng)域，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，帶式輸送機的應用將越來越廣泛。
目前帶式輸送機的發(fā)展趨勢主要集中在長距離、高速度、大運量、大功率等方向。降低投資成本，降低運行阻力，提高單機效率和生產(chǎn)率一直是使用廠家追求的目標。
1.1.1 選題的依據(jù)
輸送機的運行阻力分為：輸送機線路上的主要阻力；各輸送機部件上的附加阻力；輸送載荷的提升阻力；由各種特殊裝置產(chǎn)生的特殊阻力。
對于長距離、大運量帶式輸送機來說，這幾個方面阻力系數(shù)在總的綜合模擬摩擦阻力系數(shù)中所占比例將隨著輸送機距離的增加、載荷的增大、膠帶張力的提高而改變。對于平均張力、單位長度重量的大張力、重載荷膠帶輸送機，僅壓陷阻力系數(shù)一項就高達總摩擦系數(shù)的70%。
附加阻力包括：在加料處加速區(qū)內(nèi)物料與導料槽側(cè)板間的摩擦阻力；在加料區(qū)域內(nèi)輸送物料與輸送帶間的慣性阻力和摩擦力；輸送帶經(jīng)過滾筒的彎曲阻力和滾筒軸承阻力，輸送帶清掃器的摩擦阻力等。附加阻力一般與輸送機的長度無關(guān)，并且是一常量，對于長距離帶式輸送機而言，與主要運行阻力相比，其所產(chǎn)生的阻力是次要的，對于長度超過1000m的帶式輸送機來說，其大小不會超過0.09倍的主要阻力。
1.1.2 研究主要運行阻力及能耗機理的目的和意義
首先，研究輸送機主要運行阻力及能耗機理可以為設計低能耗輸送機提供理論依據(jù)。
眾所周知，采用標準化的設計方法常常使計算能耗大于實際能耗，這不僅會增加輸送機的投資成本，還會嚴重影響輸送機的性能。通過對主要運行阻力及其影響因素的研究，得到計算運行阻力的科學、合理的理論公式，在設計中，就可以優(yōu)化輸送機結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)等，這不僅可以解決上述問題，而且可以降低輸送機能耗，這具有重要的實際意義和經(jīng)濟價值。
其次，裝機效率效率有所提升。我們國家輸送機裝機功率低，國產(chǎn)帶式輸送機的裝機功率約為國外產(chǎn)品的30%~40%，固定帶式輸送機的裝機功率相差更大，而降低輸送機的主要運行阻力可以在有限的裝機功率的基礎上提高生產(chǎn)效率，這對于長距離、高速度、大運量、大功率輸送機的發(fā)展具有重要意義。
長距離、高速度、大運量、大功率等已經(jīng)成為目前帶式輸送機的發(fā)展方向，研究運行阻力的形成機理，分析輸送帶粘彈性特性、運行速度、載荷、托輥半徑、托輥間距、輸送帶本身性能等各種因素對運行阻力的影響，對從根本上解決提速降耗，降低成本，提高運量和功率具有重要的意義。
1.2 帶式輸送機主要運行阻力研究現(xiàn)狀
變形阻力主要包括：壓陷阻力和彎曲阻力兩部分。
當輸送帶在托輥組間運行時，膠帶周期性的橫向和縱向變形使得膠帶上各點相當于受到一個交變的動載荷作用，由于膠帶的粘彈性特性，在動荷載作用下會產(chǎn)生能量損耗；當物料隨輸送帶一起運行時，物料與輸送帶間及物料內(nèi)部顆粒之間將產(chǎn)生相對運動、并伴隨著物料顆粒的重新排列、剪脹及顆粒破碎等，這些都將產(chǎn)生能量的消耗，形成物料彎曲阻力。輸送帶壓陷阻力是運行中托輥壓入輸送帶覆蓋層而引起的變形功，因為覆蓋層材料具有的粘彈性滯后特性在帶輥脫離接觸后不能完全恢復引起的。
輸送帶的彎曲變形阻力是當輸送帶在托輥組間運行時，由于膠帶周期性的橫向和縱向變形引起的；物料變形阻力是當物料隨輸送帶一起運行時，由于輸送帶的橫、縱變形而使物料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦等，帶料間產(chǎn)生外摩擦而產(chǎn)生的能耗引起的。
1
2 試驗臺設計參數(shù)確定與選型
輸送帶測試試驗臺主要由驅(qū)動滾筒、張緊滾筒、試驗臺框架、電機、減速器等組成。在滿足測試系統(tǒng)的試驗條件的前提下，其具體設計參數(shù)簡介如下：
圖2-1 彎曲阻力測試試驗臺工作原理圖
Fig. 2-1 Bending resistance test bench schematic diagram
工作原理和工作過程：測試前，先將張緊油缸縮回，然后將輸送帶放置在驅(qū)動滾筒和張緊滾筒之間，再采用硫化接頭機對輸送帶進行硫化接頭，當輸送帶鏈接完畢后，將張緊滾筒伸出，這時輸送帶被張緊，當輸送帶張緊到指定的張力時，張緊液壓缸停止工作并鎖死，然后再將支架上的壓下缸伸出，推動壓輥下壓，作用于輸送帶上，使得輸送帶彎曲，當壓下缸的推力達到指定值時，壓下缸停止工作并鎖死。最后，啟動驅(qū)動滾筒并使?jié)L筒以指定的速度運行，當滾筒的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，變可從壓輥上的阻力傳感器上活動該張緊力和壓下力作用下橡膠輸送帶的彎曲阻力值。
2.1 試驗臺主要設計參數(shù)
帶寬：700mm；
帶速：0-3.0m/s；
帶長：11.5m；
載荷范圍：0-5000N；
驅(qū)動輪滾筒直徑：1000mm；
托輥間距：1200mm；
試驗所用托輥分：平型托輥；
托輥半徑：60mm；
張緊力：5~8t；
最大壓下力：0~1t；
液壓缸機械效率：0.9；
按負載選擇執(zhí)行元件的工作壓力，初選液壓缸的工作壓力=8.0MPa
選取此背壓值為=0.8MPa。
試驗所用的輸送帶為阜新橡膠總廠生產(chǎn)的布芯橡膠輸送帶：GB/T7984-12850-400-CC-3-200N/mm-2+2-L，；
輸送帶覆蓋層粘彈性參數(shù)：，，，
2.2 張緊缸和壓下缸參數(shù)計算
1）張緊缸和壓下缸的相關(guān)計算：
（2-1）
式中 —負載力
—液壓缸機械效率
—液壓缸無桿腔的有效作用面積
—液壓缸有桿腔的有效作用面積
—液壓缸無桿腔壓力
—液壓缸有桿腔壓力
根據(jù)（2-1）推算出張緊缸無桿腔的有效作用面積：
（2-2）
液壓缸缸筒直徑為：
（2-3）
根據(jù)相關(guān)公式計算得出：
（2-4）
通過（2-4）計算液壓缸活塞桿直徑，再根據(jù)GB/T2348—1993對液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸和液壓缸活塞桿外徑尺寸的規(guī)定，圓整后取液壓缸缸筒直徑為=125，活塞桿直徑為=90。
同理，根據(jù)（2-1）推算出壓下缸無活塞桿時的有效作用面積：
（2-5）
液壓缸缸筒直徑為：
（2-6）
同理求出壓下缸的液壓缸缸筒直徑為=50，活塞桿直徑為=36。求出液壓缸直徑后對液壓缸的有效面積進行重新驗算；
張緊缸無桿腔有效面積：
（2-7）
有桿腔有效面積：
（2-8）
壓緊缸無桿腔有效面積：
（2-9）
有桿腔有效面積：
（2-10）
張緊缸壓力：
（2-11）
壓下缸壓力：
（2-12）
2）液壓缸穩(wěn)定性驗算，張緊缸穩(wěn)定性條件：
（2-13）
式中 —最大負荷力
—液壓缸穩(wěn)定臨界力
—穩(wěn)定性安全系數(shù)，取
判別張緊缸最大撓度點位置的之值可由下式計算：
（2-14）
式中 —活塞桿材料的彈性模量，對于鋼材
—活塞桿截面慣性矩，
最大撓度點的位置實際上停留在活塞桿與缸筒交接處，即，因而此時的計算值僅供判別用。
在查閱相關(guān)設計手冊中“液壓缸支撐形式與長度折算系數(shù)對照表”中可知，長度折算系數(shù)，有效長度，即可知可取1。
按不等截面桿計算穩(wěn)定臨界力（）在多數(shù)情況下，液壓缸最大撓度點的計算位置偏向缸筒一邊，即，這時可用下面的公式計算穩(wěn)定性臨界力：
（2-15）
式中 —活塞桿材料的彈性模量
—缸筒材料的彈性模量
—活塞桿橫截面慣性矩
—缸筒橫截面慣性矩
—活塞桿頭部銷軸孔至導向中心點的距離（見圖2-2）
—缸筒尾部銷軸孔至導向中心點的距離（見圖2-2）
圖2-2 液壓缸縱向彎曲
Fig. 2-2 Hydraulic cylinder longitudinal bending
直接利用式（2-15）計算較為復雜，為簡化計算起見，可先算出和之值，再從圖中查出相應的之值，然后按下式計算：
（2-16）
圖2-3中的曲線，是在和的一定范圍內(nèi)作出的，若圖中無相應的和之值時，可用插值法求出。
通過計算求解后，可知滿足（2-13）的穩(wěn)定性條件。
圖2-3 時臨界力計算圖
Fig. 2-3 Critical load calculation chart
2.3 輸送帶最大彎曲阻力估算
1）平輸送帶的彎曲阻力
彎曲輸送帶的能量損失系數(shù)為
（2-17）
如圖2-4，對一長度為的試件，彎曲輸送帶作用力和突變力矩的關(guān)系的平衡式為
根據(jù)力的關(guān)系有
所以
（2-18）
上式表示彎曲阻力是輸送帶試件彎曲力矩損失與彎曲半徑的比值，這種關(guān)系可以從能量的方法得到。用長度的試件，彎曲曲率半徑為施加一個彎曲力矩，則在角度上的彎矩損失的能量為，當試件全部經(jīng)過托輥時，能量損失為
內(nèi)部的能量損失和外部的能量損失相等，有也就是，和上面導出結(jié)果相同。
圖2-4 托輥和輸送帶的接觸區(qū)與輸送帶的垂直對稱線
Fig. 2-4 Roller and conveyor belt contact area with the conveyor belt vertical symmetry line
2）輸送帶的彎曲阻力
由式（2-18）可知，彎曲阻力是托輥支撐彎曲處輸送帶的彎矩損失和曲率半徑的比值，即。按式（2-17）的定義，，是托輥支撐處輸送帶產(chǎn)生的彎矩；是輸送帶最低點的彎矩，他仍然產(chǎn)生阻力，且遠小于，作用處的曲率半徑也很大，有
將上式簡化求得
忽略項，可得
（2-19）
3）輸送帶的彎曲阻力系數(shù)
彎曲阻力與輸送帶和物料的重力的比值為輸送帶的彎曲阻力系數(shù)
（2-20）
在上式中由輸送帶的撓度確定，當相對垂度小于1%時，按德國標準DIN22101，槽型輸送帶的垂度為
（2-21）
這表明輸送帶彎曲阻力引起的阻力對主要阻力影響較小。
4）輸送帶張力計算可以為輸送帶、拉緊裝置、滾筒組件等的選擇和輸送帶垂度校核提供依據(jù)。輸送帶上任一點張力可用下式計算：
（2-22）
式中 —輸送帶沿運行方向第點的張力
—輸送帶點到第點的區(qū)段上，輸送帶運行的各項阻力之和
改向滾筒趨入點的張力計算
（2-23）
根據(jù)實際情況取舍式中各項阻力。
改向滾筒奔離點張力的簡化計算
（2-24）
式中 ----改向滾筒奔離點張力
----改向滾筒趨入點的張力
----改向滾筒阻力系數(shù)，包括輸送帶彎曲和滾筒軸承阻力的因素
計算步驟是按輸送帶垂度要求計算最小張力的，由于最小張力推算出輸送帶不打滑所需的歐拉系數(shù)。
按輸送帶垂度要求計算最小張力
a) 承載分支4點的張力最小，由下式計算垂度要求的最小張力。
已知承載分支相鄰兩個托輥組的間距，貨載每米質(zhì)量，輸送帶每米質(zhì)量。承載分支最小張力
（2-25）
b) 回程分支5點是張力最小，由下式計算垂度要求的最小張力。
取回程分支相鄰兩托輥組的間距，代入下式后得回程分支最小張力為
（2-26）
式中 —輸送帶最小允許張力
—承載分支相鄰兩托輥組的間距
—回程分支相鄰兩托輥組的間距
—物料每米質(zhì)量
—輸送帶每米質(zhì)量
—允許輸送帶最大下垂度，取。
為承載分支最小張力點取
（2-27）
為回程分支最小張力點
（2-28）
回程分支主要阻力
（2-29）
回程分支傾斜阻力
（2-30）
忽略彎曲阻力和前傾阻力
c) 輸送帶的整體圓周力：
（2-31）
d) 求所需的歐拉系數(shù)
得
取啟動系數(shù)，則
（2-32）
2.4 主要零部件選型
2.4.1 電機功率與電機選擇
（2-33）
式中 —傳送帶拉力
—總裁重量
—滾動摩擦系數(shù)
（2-34）
式中 —驅(qū)動扭矩
—驅(qū)動輪滾筒半徑
（2-35）
式中 —驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速
—傳動速度
—驅(qū)動輪周長
（2-36）
式中 —電機功率
查機械設計手冊，選擇電機型號為Y2-280M-6，該型號具體參數(shù)如下表2-1：
表2-1 Y2-280M-6型電機參數(shù)
Tab. 2-1 Y2-280M-6 motor parameters
額定
功率
額定
電流
轉(zhuǎn)速
效率
功率
因數(shù)
最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩
最小轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩
55kw
104.7A
980r/min
92.8%
0.86
2.0
1.1
2.4.2減速器選型
（2-37）
式中 —電機轉(zhuǎn)速
—滾筒轉(zhuǎn)速
查機械手冊第四卷減速器選型：ZLY-200。該型號減速器具體參數(shù)如下表2-2：
表2-2 ZLY-200型減速器參數(shù)
Tab. 2-2 ZLY-200 reducer parameters
傳動比
輸入轉(zhuǎn)速
輸出轉(zhuǎn)速
輸入功率
18
=1000r/min
=56r/min
59.5kw
2.4.3驅(qū)動滾筒與張緊滾筒選型
張進滾筒型號為GB998-77，滾筒直徑為1000，淄博明治機械有限公司
驅(qū)動滾筒型號為YTH,滾筒直徑為1000，淄博明治機械有限公司
2.4.4 壓輥、托輥選型
壓輥型號為76*590，直徑76寬度590德州億輪輸送機械有限公司
托輥型號為120*700，直徑120寬度700德州億輪輸送機械有限公司
3 彎曲阻力測試試驗臺三維結(jié)構(gòu)設計
3.1 Pro/ENGINEER簡介
Pro/Engineer的所有功能是全相關(guān)性的，全相關(guān)性就所有Pro/Engineer的功能之間是相互關(guān)聯(lián)的，用戶在研發(fā)設計過程中變更其中一個參數(shù)，而這個參數(shù)的變更會自動擴展到整個設計中去，它在推出的時候的核心內(nèi)容就是參數(shù)化建模，在產(chǎn)品開發(fā)過程中用參數(shù)將零件的尺寸、形狀等特征定義。這樣，在以后的工作過程中需要改變尺寸的時候只需要修改其中的參數(shù)即可，并且可以反復的修改，以方便形成多種多樣的解決方案，它不但可以應用于工作站也可以應用到單機上。為了使客戶更加迅速的得到產(chǎn)品，有的時候必須要求多個設計人員同時處理一個產(chǎn)品，Pro/Engineer可以通過數(shù)據(jù)管理功能可以實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)的并行程序，達到節(jié)省產(chǎn)品研發(fā)時間的目的，在軟件中還可以對大型復雜的產(chǎn)品通過零件圖進行虛擬裝配，可以很直觀的看到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀等。對于Pro/Engineer軟件的應用可以可靠的提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低設計者的勞動強度、避免樣機生產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟浪費并切實可行的提高企業(yè)在市場中的競爭力。在我國，大多數(shù)企業(yè)的設計工程師都已經(jīng)可以很好的利用三維設計軟件來進行產(chǎn)品設計工作，特別的在華東和東南沿海一帶，它給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。
試驗臺設計中由多種零件組成，繪制各種零件都由Pro/ENGINEER中實體繪制特征操作繪制。實體繪制的常用特征有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合、倒角、孔、抽殼、拔模等主要特征。運用相應特征繪制三為模型。
3.2 試驗臺主要零部件建模
3.2.1 標準件繪制
單擊“新建”命令按鈕，打開如圖3-1所示的“新建”對話框。在這個對話框中列出了可以建立的新文件類型，選擇“零件”類型，在“名稱”框中，鍵入文件名或使用默認名。不使用默認模板，清除“使用缺省模板”復選框，然后單擊“確定”，打開如圖3-2所示的“新文件選項”對話框打開，在對話框下的選項中選擇米制模板（mmns），單擊“確定”按鈕，Pro/ENGINEER繪圖窗口打開并建立新文件。
圖3-1 “新建”對話框 圖3-2 “新文件選項”對話框
Fig. 3-1 "New" dialog box Fig. 3-2 "New file" dialog box
在輸送帶彎曲阻力測試試驗臺的設計中，試驗臺的零件較多，選取其中較為典型的運用proe中較多的繪制特征零件進行分解繪制，如下所示的六角螺栓繪制。
1）創(chuàng)建螺帽：
（a）在建立的新文件繪圖窗口中繪制螺栓，單擊“基礎特征”工具欄中的“拉伸”命令按鈕，系統(tǒng)打開“拉伸”屬性欄，如圖3-3所示。
圖3-3 設置“拉伸”屬性欄
Fig. 3-3 Setting "stretch" property columns
（b）接受系統(tǒng)默認，單擊“位置”選項，選擇面板上的按鈕，選擇繪制面，選用基準面FRONT作為繪制平面，采用系統(tǒng)默認的參考面RIGHT，方向為右，進入繪制界面。如圖3-4所示，單擊按鈕，進入草繪界面。
圖3-4 “位置”面板和“草繪”對話框
Fig. 3-4 "Position" Panel and the "sketch" dialog box
（c）選擇調(diào)色板工具，選取六邊形置于草繪平面，并修改尺寸，如圖3-5所示，單擊“完成”按鈕退出草繪環(huán)境?；氐街鹘缑婧螅_定拉伸長度，在對話框里單擊“完成”按鈕完成特征創(chuàng)建，如圖3-6所示。
圖3-5 草繪正六變形 圖3-6 生成螺帽實體
Fig. 3-5 Sketch is six variants Fig. 3-6 Plot nut entities
2）螺帽六角頭倒角
（a）單擊“基礎特征”工具欄中“旋轉(zhuǎn)”命令按鈕，系統(tǒng)打開“旋轉(zhuǎn)”屬性欄，單擊對話框中“去除材料”按鈕，默認為減材料。旋轉(zhuǎn)角度：360°。
（b）單擊對話框的“位置”按鈕，單擊面板上的按鈕，系統(tǒng)打開“草繪”對話框，選用基準面TOP作為草繪平面，采用系統(tǒng)默認的參考面RIGHT，方向為右。如圖3-7所示，單擊按鈕，進入草繪界面。
（c）進入草繪環(huán)境，繪制如圖3-8所示的草繪截面。單擊“完成”命令按鈕，退出草繪環(huán)境。
（d）回到主界面，單擊“旋轉(zhuǎn)”屬性欄的“完成”命令按鈕，系統(tǒng)完成旋轉(zhuǎn)特征，結(jié)果如圖3-9所示。
圖3-7 選擇參照 圖3-8 草繪截面
Fig. 3-7 Select the reference Fig. 3-8 The sketched section
圖3-9 螺帽倒角生成圖
Fig. 3-9 Chamfer nutdiagram
3）創(chuàng)建螺桿
（a）再次單擊“基礎特征”工具欄中的“拉伸”命令按鈕，系統(tǒng)打開“拉伸”屬性欄。
（b）單擊“放置”面板中按鈕，系統(tǒng)打開“草繪”對話框，選用拉伸曲面為草繪平面，采用系統(tǒng)默認的參考面RIGHT,方向為底部，單擊按鈕，進入草繪界面。
（c）在草繪環(huán)境繪制圓，如圖3-10所示，單擊“完成”按鈕退出草繪環(huán)境。
（d）回到主界面后，確定拉伸長度，在對話框里單擊“完成”按鈕完成特征創(chuàng)建，如圖3-11所示。
圖3-10 草繪圓 圖3-11 模型繪制
Fig. 3-10 Sketched circle Fig. 3-11 Model
4）創(chuàng)建倒圓角
（a）給螺桿做倒圓角，單擊“期初特征”工具欄中的“倒圓角”命令按鈕，系統(tǒng)打開“倒圓角”屬性欄，如圖3-12所示。
（b）在主界面中選取要倒圓角的邊，并在倒圓角屬性中選擇D×D，并輸入半徑D值，然后在對話框里單擊“完成”按鈕完成特征創(chuàng)建，如圖3-13所示。
圖3-12 設置“倒圓角”屬性欄
Fig. 3-12 "Round" property columns
圖3-13“倒圓角”繪制圖與“倒圓角”生成圖
Fig. 3-13 "Round" drawing with the "rounded" spanning graph
5）創(chuàng)建螺紋
（a）選擇系統(tǒng)菜單中的“插入”→“螺旋掃描”→“切口”命令，系統(tǒng)打開“螺旋掃描”對話框，并出現(xiàn)“屬性”菜單，如圖3-14所示。
（b）在菜單管理器中選擇“常數(shù)”+“穿過軸”+“右手定則”命令，單擊“完成”命令，按照菜單管理器提示在草繪環(huán)境中選擇草繪界面，如圖3-15所示。選擇RIGHT為草繪界面，默認正向。單擊“確定”選項，系統(tǒng)打開“草繪視圖”菜單，單擊選擇“缺省”選擇。
圖3-14 “螺旋掃描”菜單管理器
Fig. 3-14 "Spiral scan" menu Manager
圖3-15 “螺旋掃描”選擇項
Fig. 3-15 "Spiral scan" option
（c）系統(tǒng)進入草繪環(huán)境，繪制螺旋掃描的軌跡，并繪制中心線，如圖3-16所示。繪制完成，單擊草繪“完成”命令按鈕，退出軌跡草繪環(huán)境
圖3-16 繪制“螺旋掃描”掃描軌跡
Fig. 3-16 Draws "helical-scan" Scan tracks
（d）回到主界面，系統(tǒng)打開圖3-17所示的工作框，輸入節(jié)距，單擊按鈕。
圖3-17 節(jié)距輸入工作輸入框
Fig. 3-17 Pitch input input box
（e）系統(tǒng)再次進入草繪環(huán)境繪制橫截面，在掃描起始點處繪制如圖3-18的截面。單擊“完成”命令按鈕，退出軌跡草繪環(huán)境。
（f）系統(tǒng)打開“方向”菜單，如圖3-19所示，單擊“確定（默認為正向）”選項。
（g）單擊“屬性”對話框的“確定”命令按鈕，螺旋掃描特征生成。結(jié)果如圖3-20所示。
圖3-18 螺旋掃描截面繪制
Fig. 3-18 Helical sweep section drawing
圖3-19 確定螺旋掃描方向
Fig. 3-19 Determine the direction of helical scan
圖3-20 螺旋特征生成的模型
Fig. 3-20 Spiral features generated models
（h）保存文件到指定的位置并關(guān)閉當前窗口。
3.2.2 關(guān)鍵零部件建模
在Pro/ENGINEER中運用以上實體特征進行零件繪制，繪制的部分零件如下圖3-21所示。
支架旋轉(zhuǎn) 張緊架
張緊支撐梁 油缸
推移油缸座 防偏橫梁
圖3-21 部分零件圖
Fig. 3-21 Parts parts diagram
3.3 試驗臺裝配模型建立及干涉分析
3.3.1 裝配模型建立
當完成零件創(chuàng)建之后，就可以使用Pro/ENGINEER中的“裝配模式”（Assembly mode）把零件組裝在一起構(gòu)成“裝配”（assembly），裝配可以作為一個“子裝配”（subassembly）裝配到另一個裝配中去。
進入proe系統(tǒng)中，選擇系統(tǒng)菜單欄中的“文件”→“新建”命令，系統(tǒng)打開如圖3-22所示的“新建”對話框，在對話框中選擇“組件”單選按鈕，指定文件名，系統(tǒng)默認擴展名為“.asm”，并勾掉系統(tǒng)默認的使用缺省模板。在彈出的第二個對話框中選“mmns_asm_design”，如圖3-23所示。完成設置后單擊，系統(tǒng)將自動進入裝配模式。
圖3-22 “新建”對話框 圖3-23 “新建文件選項”對話框
Fig. 3-22 "New" dialog box Fig. 3-23 "New options" dialog box
進入裝配模式后，單擊繪圖區(qū)工具欄中的“將元件添加到裝配”命令按鈕，系統(tǒng)打開如圖3-24所示的“打開”對話框，對話框顯示當前工作目錄下所有的零件及裝配件，選取一個裝配使用的零件后，系統(tǒng)將在裝配區(qū)顯示該零件，并打開“元件放置”（Component Placement）用戶界面，如圖3-25所示。
圖3-24 “打開”對話框
Fig. 3-24 "Open" dialog box
圖3-25 “元件放置”用戶界面
Fig. 3-25 "component" user interface
“元件放置”用戶界面中的“放置”面板主要用于建立裝配約束，如圖3-26所示。當引入元件放置到裝配中時，默認將選擇“自動”放置約束類型，接下來可以執(zhí)行下列操作：
圖3-26 “放置”面板
Fig. 3-26 "placement" Panel
為元件和裝配選擇參照，定義放置約束，選擇一對有效的參照之后，系統(tǒng)將自動選擇合適的約束類型，且約束已啟動。
對于第一個放置的零件，選擇“元件放置”工作用戶界面下“自動”下拉菜單中的“缺省”放置，給定參考位置，其余裝配的個零件基于當前坐標系，進行裝配配。如圖3-27所示。
當選擇“缺省”放置后，此時的工作欄中狀態(tài)處顯示“完全約束”，如圖3-28所示，單擊，完成初個零件裝配。
圖3-27 “元件放置”界面“自動”下拉菜單
Fig. 3-27 "Placed" interface "automatic" pull down menu
圖3-28 “缺省”放置后零件
Fig. 3-28 "Default" after placing parts
繼續(xù)裝配其他零件時，仍單擊，在工作目錄下選擇要裝配的零件，在“放置”面板下新建約束中選擇約束條件和約束類型，保證狀態(tài)欄下顯示出“完全約束”則約束完成
單擊確定。在零件的裝配過程中都是基于裝配原則進行裝配，當裝配狀態(tài)顯示“完全約束”時則可以確定，此零件裝配完成，單擊確定，繼續(xù)裝配其它零件。
截取部分裝配過程圖，顯示在裝配過程中約束條件。如下圖3-29所示。
圖3-29 “支架”裝配過程部分圖
Fig. 3-29 "Frame" part of the Assembly process
支架的裝配完成后的完整成品圖如3-30所示，為了更好展現(xiàn)支架中所裝備的各個零件，將其支架的裝配圖分解視圖，即支架的爆炸圖如圖3-31所示。
圖3-30 立架裝配完成圖 圖3-31 立架組件爆炸圖
Fig. 3-30 Frame Assembly diagram Fig. 3-31 Frame Assembly exploded diagram
在試驗臺的總體樣機模型中，由較多的組件裝配而成，再將組件與其他零件裝配最終形成彎曲阻力測試試驗臺的樣機模型。試驗臺中的部分裝配組件如圖3-32所示，裝配組件的分解視圖，即爆炸圖如圖3-33所示。
張緊液壓缸 張緊輪
彎曲阻力測試試驗臺
圖3-32 部分零件裝配圖
Fig. 3-32 Parts Assembly drawing
張緊液壓缸分解圖
張緊滾分解圖
彎曲阻力測試試驗臺分解圖
圖3-33 相應組件爆炸圖
Fig. 3-33 The corresponding component exploded diagram
3.3.2 裝配零件干涉分析
1）全局干涉
對裝配的零件進行全局干涉檢查，查看是否存在問題。檢查零件與零件是否存在一定的干涉現(xiàn)象，影響零件與零件間的裝配現(xiàn)象，以及是否對于整體結(jié)構(gòu)有所影響，為之后的ANSYS Workbench中對部件的靜力學與模態(tài)分析打定基礎。
對立架進行全局干涉檢查，單擊“分析”→“模型”→“全局干涉”如圖3-34所示，彈出全局干涉對話框，單擊，檢查在裝備過程中是否有干涉，經(jīng)檢查對話框欄中無顯示，即裝配無干涉，如圖3-35所示，單擊，接受并完成當前分析。
圖3-34 全局干涉 圖3-35 “全局干涉”對話框
Fig. 3-34 Global interference Fig. 3-35 "Global interference" dialog box
對框架進行干涉檢查，同理單擊“分析”→“模型”→“全局干涉”，在彈出對話框中單擊計算當前分析以供預覽，發(fā)現(xiàn)“全局干涉”的工作框中出現(xiàn)零件，說明在裝配的零件組合里有干涉存在，如圖3-36所示，單擊“顯示全部”，即對干涉處進行加亮顯示，如圖3-37所示，則可知道螺栓在與零件裝配中產(chǎn)生干涉，將產(chǎn)生的干涉螺栓全部刪除，再次進行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)無干涉存在，單擊接受并完成當前分析，如圖3-38所示。
圖3-36 干涉檢查 圖3-37 裝配零件中干涉存在
Fig. 3-36 Interference check Fig. 3-37 Interference exists in the Assembly parts
圖3-38 重新干涉檢查
Fig. 3-38 Re interference check
2）全局質(zhì)量屬性：
對立架進行質(zhì)量屬性分析，單擊彈出“密度”對話框，根據(jù)所選用的材料更改材料密度，如圖3-39所示，將圖中的密度更改為7850kg/m3，單擊確定密度，在“質(zhì)量屬性”的工作框中計算出相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖3-40所示。然后單擊接受并完成分析。對立架分析后的主要數(shù)據(jù)如表3-1所示。
圖3-39 “密度”對話框 圖3-40 “質(zhì)量屬性”計算結(jié)果
Fig. 3-39 "Density" dialog box Fig. 3-40 "Quality attributes" calculations
表3-1 立架質(zhì)量屬性分析主要數(shù)據(jù)
Tab. 3-1 State mass properties analysis of primary data
體積mm3
曲面面積mm2
平均密度kg/m3
質(zhì)量kg
9.929e+07
6.245e+06
7850
779.40
對試驗臺的總體結(jié)構(gòu)質(zhì)量屬性分析與立架分析同理，將密度改為所選材料密度，同為7850kg/m3，通過分析得出如圖3-41所示結(jié)果。將圖中所示重要結(jié)果整理如表3-2所示。
圖3-41 “質(zhì)量屬性”計算結(jié)果
Fig. 3-41 "Quality attributes" calculations
表3-2 試驗臺質(zhì)量屬性分析主要數(shù)據(jù)
Tab. 3-2 Key data on the test bench quality attribute analysis in
體積mm3
曲面面積mm2
平均密度kg/m3
質(zhì)量kg
1.667e+09
7.144e+07
7850
13082.95
4 彎曲阻力測試試驗臺關(guān)鍵零部件強度校核
4.1 Ansys簡介
ANSYS是目前世界頂端的有限元商業(yè)應用程序，是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用的有限元分析軟件。有世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與大部分的CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，IDEAS,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計的高級CAD工具之一。
利用CAE技術(shù)可以使復雜的工程分析變得簡化、高精度、快速的計算。對質(zhì)量、數(shù)量和強度計算與分析中，取得了很好的效果。運動精度的和性能分析、動態(tài)、靜態(tài)特性、壓力等方面也有了飛躍的突破。廣泛應用于機械結(jié)構(gòu)的變形、結(jié)構(gòu)分析，對齒輪產(chǎn)品工程分析起到重要意義。ANSYS軟件是由美國ANSYS公司推出的一款軟件，它可以與多種CAD軟件進行接口來完成數(shù)據(jù)的處理和交換。在機械設計行業(yè)內(nèi)，ANSYS軟件提供了諸多仿真的解決方案，被廣大的機械設計師所應用，全球的各大小企業(yè)都相信ANSYS為它們的工程仿真軟件投資帶來最好的價值。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的突飛猛進，機械設計師門對一體化技術(shù)的應用日漸增加，使產(chǎn)品的可靠性增加。ANSYS?Workbench就是在這種環(huán)境下出現(xiàn)的有限元分析軟件。目前ANSYS公司的ANSYS?Workbench所提供的CAD雙向參數(shù)鏈接互動，項目數(shù)據(jù)自動更新機制，無縫集成的優(yōu)化設計工具等新功能，使ANSYS在“仿真驅(qū)動產(chǎn)品設計”方面達到一種非常高的水平。
4.2 支架及主架的靜力學特性分析
1）支架靜力學分析過程
a）創(chuàng)建分析項目：
啟動ANSYS Workbench 14.5，進入主界面。
雙擊主界面Toolbox工具箱中的Analysis System>Static Structural選項，即可在項目管理區(qū)創(chuàng)建分析項目A，如圖4-1.。
圖4-1 創(chuàng)建項目工程圖
Fig. 4-1 Create project diagrams
b）定義材料數(shù)據(jù)
雙擊項目A中的A2欄Engineerung Date項，進入如圖4-2所示的材料參數(shù)設置界面，在該界面下即可進行材料參數(shù)設置。
圖4-2 材料數(shù)據(jù)定義界面
Fig. 4-2 Materials data-definition interface
根據(jù)實際需要，在Engineering Date Sources表中選擇相應材料，然后添加。在分析中采用默認的Structural Steel，直接退出本窗口即可。
c）添加幾何模型
在A3欄的Geometry上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Import Geometry>Browse選型，此時會彈出“打開”對話框。
在彈出的對話框中選擇文件路徑，導入幾何文件體，此時A3欄Geometry后的變?yōu)?，表示實體模型已經(jīng)存在。
雙擊項目A中的A3欄Geometry，此時會進入DM界面，如圖4-3所示。此時如果設計樹中顯示，表示需要生成模型，單擊按鈕，即可顯示生成的幾何體，此時可在幾何體上進行其他的操作。單擊DM界面右上角的“關(guān)閉”按鈕退出DM，返回到Workbench主界面。
圖4-3 DM幾何模型
Fig. 4-3 DM models
d）定義零件行為
雙擊主界面項目管理區(qū)項目A中的A3欄Model項，進入Mechanical界面，如圖4-4所示，在該界面下即可進行網(wǎng)格劃分、分析設置、產(chǎn)看結(jié)果等操作。
圖4-4 進入Mechanical
Fig. 4-4 Into Mechanical
e）劃分網(wǎng)格
選擇Mechanical界面左側(cè)Outline樹結(jié)構(gòu)圖中的Mesh選項，此時可以在Details of“Mesh”細節(jié)窗口中修改網(wǎng)格，此次采用默認設置。
在Outline樹結(jié)構(gòu)中的Mesh選項單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Generate Mesh選項，生成網(wǎng)格最終效果如圖4-5所示。
圖4-5 網(wǎng)格劃分效果
Fig. 4-5 Effect of mesh
f）定義邊界條件
選擇Mechanical界面左側(cè)Outline樹結(jié)構(gòu)圖中的Static Structural選項，此時會出現(xiàn)Environment工具欄。選擇Environment工具欄中的Supports>Fixed Support，此時在樹結(jié)構(gòu)圖中會出現(xiàn)Fixed Support選項。選中Fixed Support，選擇需要施加固定約束的面，單擊Details of“Fixed Support”細節(jié)窗口中Geometry選項下的按鈕，即可在選中面上施加固定約束，選取固定的面后，單擊“Apply”進行添加，如圖4-6所示。
圖4-6 施加固定約束
Fig. 4-6 To impose fixed constraint
選擇Environment工具欄中的Loads>Pressure，此時在樹結(jié)構(gòu)圖中會出現(xiàn)Pressure選項。選中Pressure，選擇需要施加壓力的面，單擊Details of“Pressure”細節(jié)窗口中Geometry選項下的Apply按鈕，同時在Magnitude選項下設置壓力為8Mpa的面載荷，同時施加反作用力于立架上。如圖所示4-7所示。
圖4-7 施加力約束
Fig. 4-7 Exerts a force constraints
g）求解設置
選擇Mechanical界面左側(cè)Outline樹結(jié)構(gòu)圖中的Solution選項，此時會出現(xiàn)Solution工作欄，選擇工具欄中的Deformation>Total，此時樹結(jié)構(gòu)中會出現(xiàn)Total Deformation選項，繼續(xù)在工作欄中選擇Stress>Equivalent（von-Mises），此時樹結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)Equivalent stress選項，如圖4-8所示。
圖4-8 樹結(jié)構(gòu)圖
Fig. 4-8 Tree structure diagrams
h）仿真結(jié)果分析
完成求解設置后，單擊工作欄中按鈕，等待結(jié)果生成，如圖4-9所示。
圖4-9 支架靜力學分析結(jié)果
Fig. 4-9 Supports static analysis results
仿真結(jié)果分析：由圖示可知最大應變?yōu)?.073789；最大應力為22.983Mpa，最小應力為2.2095e-5Mpa。
（2）主架靜力學分析
在對主架的靜力學分析中，對于主架的前期處理模型導入，材料定義，網(wǎng)格劃分等基本操作與在對立架的靜力學分析中相似，在對零件進行邊界條件定義和施加約束中同樣采取施加固定面，按主架的受力給主架施加力，進行靜力學分析，分析后的結(jié)果如圖4-10所示。
圖4-10 主架靜力學分析結(jié)果
Fig. 4-10 Main frame static analysis results
仿真結(jié)果分析：最大應變?yōu)?.65301；最大應力為87.749Mpa，最小應力為0.00021766Mpa。
4.3 試驗臺模態(tài)分析
模態(tài)分析：模態(tài)分析在工程中應用廣泛，因為結(jié)構(gòu)的固有頻率與相應的模態(tài)結(jié)構(gòu)形狀是設計承受變化載荷條件的重要參數(shù)，而模態(tài)分析用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)形狀。
模態(tài)分析的基本操作過程如下：
（1） 創(chuàng)建分析項目：啟動ANSYS Workbench14.5，進入主界面。雙擊主界面Toolbox中的Analysis System>Modal選項，在項目管理區(qū)創(chuàng)建分析項目A。
（2）定