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        計(jì)算機(jī)輔助傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與基于專家系統(tǒng)的滾觸軸承選擇

        2014-09-07 02:36:02王欣WANGXin徐智XUZhi陸朱衛(wèi)LUZhuwei
        價(jià)值工程 2014年13期
        關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)程序傳動(dòng)軸計(jì)算公式

        王欣 WANG Xin;徐智 XU Zhi;陸朱衛(wèi) LU Zhu-wei

        (三江學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,南京210012)

        1 簡(jiǎn)介

        采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行機(jī)械部件的設(shè)計(jì)與分析是一件費(fèi)事的工作。近來,在該領(lǐng)域引入了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析。其中傳動(dòng)軸用來傳遞力與運(yùn)動(dòng),它的設(shè)計(jì)需要大量計(jì)算與圖表。計(jì)算機(jī)輔助建模的方法可以有效地進(jìn)行傳動(dòng)軸設(shè)計(jì),減少大量的工作量。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)采用的軟件可以自行開發(fā)或應(yīng)用現(xiàn)有的商用軟件。傳動(dòng)軸上傳力元件必須被精確定位,可以采用步進(jìn)軸的軸肩使這些元件與軸的坐標(biāo)系對(duì)齊并進(jìn)行裝配。除此以外,軸上特殊點(diǎn)的應(yīng)力分析也必須加以考慮。本文研究二維條件下的傳動(dòng)軸計(jì)算機(jī)輔助分析,假定傳力元件承受可以想象的力。軸上元件越多,分析越復(fù)雜。如果考慮應(yīng)力集中的影響,再用傳統(tǒng)的解析方法,其計(jì)算是十分費(fèi)時(shí)與復(fù)雜的。而且,以圖表顯示的應(yīng)力集中數(shù)據(jù)不利于閱讀。本文的目的是分析與選出軸的最優(yōu)直徑,使其具有足夠的強(qiáng)度與剛度滿足規(guī)定的條件。采用計(jì)算機(jī)程序獲得臨界截面的最優(yōu)參數(shù),應(yīng)力集中數(shù)據(jù)被公式化與調(diào)整以適應(yīng)輸入計(jì)算機(jī)的需要。基于上述計(jì)算,在軸的安裝條件給定時(shí),可以選出最優(yōu)的滾觸軸承。上述功能的實(shí)現(xiàn)需要專家系統(tǒng)的輔助,它可以為材料選擇刀具并設(shè)計(jì)刀具的具體應(yīng)用,具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱有關(guān)文獻(xiàn)。

        2 步進(jìn)軸的設(shè)計(jì)

        本文研究軸設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面:撓度與剛度,壓力與強(qiáng)度。撓度與剛度包括彎與扭兩種運(yùn)動(dòng),撓度以及承力點(diǎn)的斜度。壓力與強(qiáng)度則包括疲勞強(qiáng)度與穩(wěn)定性。理論數(shù)據(jù)如表1。

        表1 承彎軸KT的理論數(shù)據(jù)

        2.1 影響因子與線形回歸 當(dāng)軸承受完全反向的彎力和穩(wěn)定的扭矩時(shí),臨界彎曲應(yīng)力通常位于應(yīng)力集中點(diǎn)處。應(yīng)力集中一般發(fā)生在幾何形狀不連續(xù)的有限地區(qū)。例如V形槽處。在設(shè)計(jì)方程時(shí)必須加以考慮應(yīng)力集中的影響。綜合考慮各種因素后,軸直徑的計(jì)算公式如下:

        利用有限元法可得軸的彎度y的計(jì)算公式:

        其中h為齒距,E為彈性極限,M為彎矩,I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

        3 開發(fā)計(jì)算機(jī)程序

        本程序采用Q-Basic語(yǔ)言開發(fā)。該語(yǔ)言簡(jiǎn)單易用,適用于個(gè)人電腦。具有數(shù)字分析,矢量計(jì)算,圖形描述功能。它可以讓使用者解決自己獨(dú)特的問題,并具有交互功能,帶有一個(gè)基本數(shù)據(jù)庫(kù),內(nèi)附不同材料的詳細(xì)說明。

        計(jì)算內(nèi)容包括垂直與水平兩個(gè)方向的支座反力、彎矩圖、撓度、軸的斜度,然后基于上述計(jì)算選擇最優(yōu)滾觸軸承。要進(jìn)行軸的分析,首先選擇合適的材料與設(shè)計(jì)參數(shù),例如滾觸軸承與機(jī)械部件的位置,旋轉(zhuǎn)方向,軸的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。同理,進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,要選擇安全系數(shù)、輸入力、每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。軸上齒輪的力與力矩計(jì)算通過輸入相應(yīng)的參數(shù)決定,例如齒距等。彎矩采用數(shù)字方式計(jì)算,包括水平與垂直兩個(gè)方向,并經(jīng)過平滑處理,以圖表方式顯示。臨界點(diǎn)的參數(shù)與復(fù)合承載條件下的力與力矩計(jì)算可同時(shí)處理。彎曲撓度計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮垂直與水平兩個(gè)方向。有了上述計(jì)算結(jié)果,就可以應(yīng)用一維搜索與區(qū)間折半兩種方法求出步進(jìn)軸的最優(yōu)直徑。

        4 滾觸軸承的選擇與數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)

        出于功能上的需要,要求滾觸軸承具有合理的壽命,高度的穩(wěn)定性和較低的成本。要達(dá)到上述要求,必須考慮動(dòng)態(tài)承載力、工作條件、同等承載力、常載荷等。同等承載力Feqv的計(jì)算公式是

        這里Fr為軸向力,F(xiàn)a為徑向力。動(dòng)態(tài)承載力C的計(jì)算公式

        具體選擇過程見流程圖1。

        專家系統(tǒng)是一個(gè)基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)模擬程序,它采用知識(shí)—決斷單元IF_THEN規(guī)則進(jìn)行推理。專家系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù),決斷單元,存儲(chǔ)單元等幾個(gè)部分。我們自行開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件建立基于具體工作條件下正確選擇軸承的型號(hào),驗(yàn)算軸承的承載能力并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使得對(duì)滾動(dòng)軸承的選擇進(jìn)一步的科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

        圖1 流程圖

        5 結(jié)論

        ①所開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序相當(dāng)靈活,允許使用者解決自己的具體問題。對(duì)于最優(yōu)軸設(shè)計(jì)的疲勞分析,應(yīng)力敏感因子被公式化且輸入計(jì)算機(jī)程序。②在用計(jì)算機(jī)模擬法與解析法計(jì)算步進(jìn)軸臨界部分的最優(yōu)直徑之間找到了一種好的協(xié)議。并且,彎扭力與力矩的數(shù)值計(jì)算方法與解析法之間也達(dá)到了協(xié)調(diào)。③開發(fā)出了用于選擇最優(yōu)滾觸軸承的專家系統(tǒng),專家系統(tǒng)可用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的教學(xué)。

        [1]濮良貴,紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2001.

        [2]龍慧.論機(jī)械產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2001(03).

        [3]張煜東,吳樂南,王水花.專家系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010(19).

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