韓小偉，夏小群

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，廣東深圳518054；2.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東湛江524048）

0 引言

帶傳動(dòng)是通過(guò)中間撓性件傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的結(jié)構(gòu)，適用于兩軸中心距較大的場(chǎng)合[1]。在這種場(chǎng)合下，與應(yīng)用廣泛的齒輪傳動(dòng)相比，帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)[2]。隨著工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短，手工設(shè)計(jì)因?yàn)殪`活性差已無(wú)法滿足工程應(yīng)用的要求[3]。設(shè)備及工作系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)是近年來(lái)研究工作的一個(gè)熱點(diǎn)所在[4]。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)不僅有利于提高帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且能夠縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和降低設(shè)計(jì)成本[5]。鑒于帶傳動(dòng)的手工設(shè)計(jì)方法存在著工作量大，設(shè)計(jì)繁瑣的特點(diǎn)，本文以VB為開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行了了平帶、V帶和多楔帶三類(lèi)帶傳動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

本文所開(kāi)發(fā)的帶傳動(dòng)數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）適用面廣。涵蓋了平帶、V帶和多楔帶等三種主要帶傳動(dòng)系統(tǒng)；（2）自動(dòng)化程度較高。用戶只需選擇帶傳動(dòng)類(lèi)型并輸入少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即可達(dá)到全部帶傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)；（3）柔性高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中用戶可以隨時(shí)干預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)程，更改設(shè)計(jì)選項(xiàng)和參數(shù)，將用戶的設(shè)計(jì)意圖體現(xiàn)在設(shè)計(jì)結(jié)果中。

經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，該軟件可以有效地提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)人員的工作量，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率[6]。這里以V帶設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)明程序的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 系統(tǒng)功能及軟件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

帶傳動(dòng)數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)平帶、V帶和多楔帶3類(lèi)帶傳動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要包括帶輪參數(shù)設(shè)計(jì)、帶參數(shù)設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)過(guò)程中的載荷計(jì)算和強(qiáng)度校核。每一種類(lèi)型帶傳動(dòng)的主要設(shè)計(jì)功能包含：帶型號(hào)的確定、帶輪基準(zhǔn)直徑的確定、帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度和中心距的確定、輪軸上的壓力計(jì)算以及帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

（1）帶型號(hào)的確定。根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)要求，主要根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速和計(jì)算功率，系統(tǒng)根據(jù)后臺(tái)的選型算法，確定出帶的型號(hào)。

（2）帶輪基準(zhǔn)直徑的確定。根據(jù)傳動(dòng)比要求，在國(guó)標(biāo)推薦標(biāo)準(zhǔn)中選取合適的大、小帶輪基準(zhǔn)直徑。

（3）帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度和中心距的確定。將設(shè)計(jì)要求中的中心距作為初選的中心距至，通過(guò)幾何關(guān)系初算帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度，再選擇數(shù)值相近且符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)長(zhǎng)度，并再次核定最終的中心距。

（4）輪軸上的壓力計(jì)算。根據(jù)帶型和傳遞功率以及所計(jì)算出來(lái)的包角系數(shù)，計(jì)算輪軸上的壓力，并作為帶輪的選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)的依據(jù)。

（5）帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)帶帶型好選擇槽型號(hào)，并根據(jù)帶輪直徑選擇帶輪結(jié)構(gòu)為孔板式結(jié)構(gòu)、輪輻式結(jié)構(gòu)或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)，最后根據(jù)國(guó)標(biāo)計(jì)算輪槽的關(guān)鍵尺寸，如基準(zhǔn)寬度、槽深、槽間距、槽邊距等。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用VB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要模塊包含：數(shù)據(jù)輸入模塊、計(jì)算模塊、校核模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊等。數(shù)據(jù)輸入模塊是人機(jī)交互的重要模塊，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)要求將各種設(shè)計(jì)參數(shù)輸入系統(tǒng)，并賦值給計(jì)算模塊中的變量；計(jì)算模塊根據(jù)設(shè)計(jì)原理計(jì)算所需要的參數(shù)；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊的功能是將輸入?yún)?shù)、中間參數(shù)和輸出參數(shù)進(jìn)行保存；數(shù)據(jù)輸出模塊是將結(jié)果進(jìn)行輸出。圖1所示為V帶設(shè)計(jì)過(guò)程中的交互界面之一。

圖1 V帶設(shè)計(jì)的交互界面之一

本文運(yùn)用Windows DNA框架對(duì)帶傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，其軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該結(jié)構(gòu)中，業(yè)務(wù)邏輯層是該體系的最重要部分，包含三種類(lèi)型的帶傳動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，也是該軟件系統(tǒng)的主要功能部分；表示層用來(lái)完成人機(jī)交互，提供用戶輸入?yún)?shù)的界面；數(shù)據(jù)服務(wù)層是軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，為所有數(shù)據(jù)流入和流出的核心部位，同時(shí)為軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的ADO接口。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次

2 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)原理[7-8]，程序設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)包括：小帶輪轉(zhuǎn)速、大帶輪的轉(zhuǎn)速以及所傳遞的額定功率。主要的輸出參數(shù)有：帶型、小帶輪基準(zhǔn)直徑、大帶輪的基準(zhǔn)直徑，基準(zhǔn)長(zhǎng)度、實(shí)際中心距和V帶根數(shù)。程序運(yùn)算過(guò)程涉及的參數(shù)有：工況系數(shù)、帶速、初定中心距、初定基準(zhǔn)帶長(zhǎng)、小帶輪包角、單根帶基本額定功率、單根帶額定功率增量、帶長(zhǎng)修正系數(shù)、包角修正系數(shù)、單位長(zhǎng)度質(zhì)量?；谙到y(tǒng)要求和設(shè)計(jì)原理，程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 V帶設(shè)計(jì)流程

3 典型數(shù)據(jù)處理方法

帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到眾多表格和圖形的取值，在程序編寫(xiě)過(guò)程中使用的幾種典型的數(shù)據(jù)處理方法主要有圖形函數(shù)化取值法、表格數(shù)組化處理方法及數(shù)據(jù)庫(kù)查詢處理法。

3.1 圖形函數(shù)化取值法

圖形函數(shù)化取值法主要使用在帶型的選擇中。由于V帶選型圖為非等刻度，且選型圖被5條直線將V帶的選型圖劃分成6個(gè)區(qū)域。本文通過(guò)將5條直線公式化，采用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換得到等分刻度坐標(biāo)系。坐標(biāo)變換公式為：

式中：Pca為計(jì)算功率，kW；n1為小帶輪轉(zhuǎn)速，r/min。

具體選型算法為：（1）當(dāng)y-1.795x-5.4>0時(shí)，選Z型；（2）當(dāng)y-1.795x-5.4≤0，y-1.204x+1.445>0時(shí)選A型；（3）當(dāng)y-1.204x+1.445≤0，y-1.122x+6.283>0時(shí)選B型；（4）當(dāng)y-1.122x+6.283<0，y-1.481x+16.889≥0時(shí)選C型；（5）當(dāng)y-1.481x+16.889<0，y-1.207x+21.483≥0時(shí)選D型；（6）當(dāng)y-1.207x+21.483<0時(shí)選E型。

3.2 表格數(shù)組化處理方法

對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中非二維數(shù)據(jù)表格進(jìn)行查詢的問(wèn)題，本文使用了將表格數(shù)組化處理的方法。在工況系數(shù)查詢過(guò)程中，需要以3個(gè)參數(shù)為邊界條件來(lái)確定一個(gè)輸出值，即需要由在和變動(dòng)情況、啟動(dòng)情況和每天工作小時(shí)數(shù)來(lái)確定工況系數(shù)。系統(tǒng)將載荷情況、啟動(dòng)情況、每天工作小時(shí)數(shù)和工況系數(shù)各用一個(gè)一維數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)將前3個(gè)參數(shù)進(jìn)行排列組合的方式賦值給另一個(gè)三維數(shù)組，最后通過(guò)三維數(shù)組與工況系數(shù)數(shù)組的對(duì)應(yīng)情況來(lái)確定工況系數(shù)。具體代碼如下：

kasz=Array(1,1.1,1.2,1.1,1.2,1.3,1.1,1.2,1.3,1.2,1.3,1.4,1.2,1.3,1.4,1.4,1.5,1.6,1.3,1.4,1.5,1.5,1.6,1.8)′儲(chǔ)存工況系數(shù)的所有值

zaiheb=Array（"載荷變動(dòng)微小","載荷變動(dòng)小","載荷變動(dòng)較大","載荷變動(dòng)很大"）′一維數(shù)組存放載荷情況數(shù)據(jù)

qidongb=Array（"空、輕載啟動(dòng)","重載啟動(dòng)"）'一維數(shù)組存放啟動(dòng)情況

shichangb=Array（"<10","10-16",">16"）'一維數(shù)組存放工作小時(shí)數(shù)情況

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢?nèi)≈捣?/h3>

系統(tǒng)在執(zhí)行數(shù)據(jù)查詢中，借助VB可以外接可視化數(shù)據(jù)管理器的優(yōu)勢(shì)，借助Microsoft Office Access關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，利用結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)句（SQL）實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢[9、10]。與外部數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接的具體代碼如下。

本文在對(duì)V帶的基準(zhǔn)直徑數(shù)據(jù)、V帶的基準(zhǔn)帶長(zhǎng)及帶長(zhǎng)修正系數(shù)數(shù)據(jù)的查詢、計(jì)算參數(shù)的保存、輸出參數(shù)的保存等都使用了數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。

4 實(shí)例驗(yàn)證

設(shè)計(jì)要求為：已知電動(dòng)機(jī)功率P=3 kW，轉(zhuǎn)速n1=1 420 r/min，減速器輸入轉(zhuǎn)速n2=410 r/min，兩班制工作，載荷變動(dòng)較小；要求中心距a<600 mm；設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)與減速器之間的普通V帶傳動(dòng)。

通過(guò)使用本文編寫(xiě)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)后，其主要設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比情況如表1所示。

表1 兩種設(shè)計(jì)方法的結(jié)果對(duì)比情況

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶型、小帶輪直徑、大帶輪直徑、傳動(dòng)比、計(jì)算功率以及帶的根數(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果一致；中心距在amin~amax這個(gè)可調(diào)整的變動(dòng)范圍之間；小帶輪包角誤差在2°以內(nèi)；初拉力和軸上壓力的計(jì)算值與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算值的誤差范圍為10%以內(nèi)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明該系統(tǒng)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致，具有一定的可靠度，基本可以替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在3種典型帶傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了軟件功能分析，并設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)?；跈C(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程的特殊性，對(duì)關(guān)鍵的圖標(biāo)參數(shù)的處理主要使用了圖形函數(shù)化處理法、表格數(shù)組化處理法等。對(duì)數(shù)據(jù)的管理，主要使用ADO技術(shù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了帶、V帶和多楔帶3類(lèi)帶傳動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要包括帶輪參數(shù)設(shè)計(jì)、帶參數(shù)設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)過(guò)程中的載荷計(jì)算和強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)了一組V帶傳動(dòng)實(shí)例，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果相比，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確率較高，且設(shè)計(jì)過(guò)程快捷。實(shí)例運(yùn)算過(guò)程中，軟件運(yùn)行流暢、自動(dòng)化程度高，說(shuō)明本軟件系統(tǒng)的具有一定的設(shè)計(jì)可行性。