卷纸机的设计

卷纸机的设计,卷纸,设计 摘 要 随着计算机技术的不断发展和现代设计方法的不断丰富，设计智能化已经成为机械设计中热门的研究课题之一。本文针对造纸机中的卷纸机部分进行了研究，开发了一套完整的参数化设计系统。 参数化设计和特征建模技术是CAD技术继续发展和适应工业发展要求的两项重要技术。参数化设计技术有利于建立和管理产品零件库，极大的提高了产品的开发效率。而应用特征建模技术建立的产品特征模型，从产品整个生命周期各阶段的不同要求来描述产品，完整的提供了产品信息，使得各应用系统可以直接从产品模型中抽出所需的信息，这就极大的满足了CAD/CAM/CAE集成系统的要求。 本文是在对卷纸机的工作原理特别了解的基础上以Visua1C++为工具，运用数学中的优化方法对卷纸机中的结构进行优化，并且利用Pro旧专业绘图软件，实现了卷纸机零件的参数化绘图，精确绘出各个零件的几何形状和二维工程图。最后，该软件绘制出卷纸机的三维实体为卷纸机在结构方面进行有限元分析以及数控加工打下了基础。 本文通过完整的卷纸机优化程序，参数化建模绘图，大大缩短了卷纸机的设计周期，降低了卷纸机的研制成本，这对轻工业机械的研制有积极的帮助。 关键词: 卷纸机 优化设计 参数化 有限元分析 Abstract With computer technology developing modern designing method becoming more abundance, the designing intelligence has become a Popular researching aspect. 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 analysis 46 目 录 第一章 绪 论 5 1.1卷纸机介绍 5 1.1.1 卷纸机概述 5 1.1.2 卷纸机分类 5 1.2 卷纸机的发展概况 6 1.3国内发展概况 7 第二章 卷纸机的功能结构分析 9 2.1 卷纸机的工作原理 9 2.2 卷纸机的结构和功能分析 10 2.3 卷纸机关键件的若干技术要求 11 2.4 卷纸机性能参数的设定 12 第三章 叉架倾转机构的设计与优化 14 3.1 叉架倾转机构的设计与计算 14 3.1.1 结构原理及特点 14 3.1.2 倾转力矩的计算 15 3.2优化设计概述 19 3.2.1 优化设计数学模型 19 3.2.2 优化设计方法 20 3.3卷纸机的优化设计 22 3.3.1 卷纸机机构设计 22 3.3.2 机构最优化设计 24 3.3.3 卷纸机优化设计 25 第四章 卷纸机的参数化建模 29 4.1 参数化建模技术 29 4.2 参数化建模方法 29 4.2 卷纸机三维实体模型的参数化建模 30 4.2.1 参数化设计的一般过程 30 4.2.2 主机架模型的建立 31 4.2.3 卷纸缸模型的建立 31 4.3 工程图的建立 35 4.3.1 主机架工程图 35 4.3.2 卷纸辊工程图 35 4.3.3 缸盖工程图 36 4.3.4 卷纸机装配图 37 第五章 卷纸机零件的有限元分析 38 5.1 数据的转换 38 5.1.1 数据转换标准 38 5.1.2 ANSYS中的1GES标准转换方式 38 5.2 模型的修改 39 5.3 卷纸缸的有限元分析 39 5.3.1 单元类型与网格划分 39 5.3.2 边界约束与载荷 39 5.3.3 结果处理 40 第六章 结论与展望 41 参考文献 43 第一章 绪 论 1.1卷纸机介绍 1.1.1 卷纸机概述 卷纸机是配置在造纸机最末端的一个联动设备。它的主要功能是将纸机生产出的纸幅卷成纸辊，便于后加工工序进一步加工。 在纸张生产中，卷纸也是非常重要的技术之一。卷纸机的性能直接影响卷纸质量、纸卷结构、纸张损失、纸机和后加工工序的整体生产效率以及企业的经济效益；同时，还影响印刷用户的印刷质量、印刷效率和印刷过程的运行性能。卷纸机运行性能的好坏直接影响造纸机的生产效率。 1.1.2 卷纸机分类 卷纸机按照卷曲原理可分为两种:轴式卷纸机和圆筒式卷纸机。轴式卷纸机的卷纸轴被直接带动旋转。卷曲时的圆周速度等于 式中：及一缠卷的卷曲半径及直径，其数值在卷曲过程中逐渐增大 一纸卷的角速度 当纸的线速度一定时(与造纸机相应的线速度)，纸卷的角速度应该不断的降低。圆筒式卷纸机卷曲的纸卷是支撑在按要求的线速度转动的卷纸缸上，并由卷纸缸借摩擦力带动。随着纸卷卷曲直径的增大，纸卷的转速不断降低，所以不需要在卷纸轴(辊)上装设变速装置。 由于圆筒式卷纸机的操作简单，并且能卷曲直径很大的纸卷。所以大多数的造纸机上普遍采用圆筒式卷纸机。然而，轴式卷纸机也具有一些优点：可方便地借改变纸幅拉力来调整卷曲紧度；对沿横向幅宽上纸幅不均匀性不太敏感。其主要缺点在于车速高于时，领纸过程需要复杂的自动控制设备，纸卷直径较小，所以在低速的、对调整纸卷进度要求较高的而特别是需要松卷纸卷的造纸机上，或者需要在造纸机上将纸幅纵切成两个或多个纸卷时仍可使用多轴式卷纸机[1]。 另外，从结构上可分手动式与液压或气动式；从机架导轨形式可分倾斜式与水平式[2]。 1.2 卷纸机的发展概况 近10多年来，世界各国也包括我国的广大造纸工作者和造纸机械制造厂商，都在努力研究改进卷纸技术和提高卷纸机性能。在20世纪80年代前的100多年里，世界各国的造纸机主要是使用传统的老式卷纸机，也称作第一代卷纸机。而在1992年出现了第二代卷纸机。20世纪末又出现了崭新的现代卷纸机，也称第三代卷纸机，诸如Valmet公司的OptiReel Plus 卷纸机、Voith Sulzer公司的Sirius卷纸机和原Beloit公司的TNT卷纸机。 1. 第一代卷纸机 自从Alexander Pore发明第一代卷纸机以来，已应用了100多年。这种卷纸机有轴式和辊式两种形式，应用最多的是辊式卷纸机，也称表面卷纸机，适用于中低速各种形式造纸机。 辊式卷纸机[3]主要由卷纸缸和一对放卷纸轴的摇臂支架组成。卷纸轴压在卷纸缸上部的表面上，卷纸缸为主动回转的辊简，卷纸是靠纸卷压向卷纸缸产生的摩擦力被动回转而卷纸的。因此，卷成纸卷的紧密度取决于纸卷与卷纸缸之间的线压力。对于老式辊式卷纸机，没有调节线压力的装置。为了使纸卷紧密度均匀一致，后来才增设了气动加压缸装置，可以调节线压力，提高卷纸质量(如图1.1所示)。与此同时，在换辊时为了使待卷纸轴的线速度与卷纸缸的线速度一致，有的传统卷纸机增设了待卷纸轴的加速装置，以避免换辊时造成过多的纸张损失。 图l.1 传统的气动加压辊式卷纸机 1—卷纸缸 2—卷纸辊 3—纸卷 4—引纸摇臂 5—引纸摇臂气压缸 6—引纸摇臂回转机构 7—卷纸辊卷纸轴架 8—加压气压缸 9—气压缸杆 10—在最大纸卷直径时气压缸的位置 2. 第二代卷纸机 针对第一代卷纸机的缺点，第二代卷纸机的设计目标就是采用一切可行的措施，把卷纸中造成的损纸量降低到最低限度。Valmet公司在开发研制第二代卷纸机时，把它命名为“无损纸”卷纸机。世界上第一台第二代卷纸机OptiReel 卷纸机，于1992年安装在UPM—Kymmene Kaukas纸厂，并试车成功，投入生产。第二代卷纸机比第一代卷纸机损纸量降低5％，即提高整体生产效率5％。对于年产20万t的LWC生产线，年增产1万t。 3. 第三代卷纸机 第三代卷纸机也就是现代卷纸机，在20世纪90年代中后期才出现。Valmet公司的OptiReel Plus。 卷纸机，Voith Sulzer公司的Sirius卷纸机和原Beloit公司的TNT卷纸机，都是第三代卷纸机。 OptiReel Plus卷纸机是由Valmet公司推出的现代化卷纸机。1999年3月首次投产，是当今世界上最先进的现代化卷纸机。已成功地应用在新闻纸、超级压光纸、低定量涂布纸、超低定量涂布纸、涂布和未涂布高级文化用纸等多种现代化高速造纸机以及现代化后加工生产线上，进行卷纸和再卷纸作业。OptiReel Plus （如图1.2）卷纸机操作性能优良、运行性能良好。在生产大直径纸卷、减少损纸量、提高生产效率、改善卷纸质量、优化纸卷结构、保护纸张表面性能等方面具有突出的优点。 图1.2 OptiReel Plus 卷纸机 1.3国内发展概况 国产卷纸机与造纸机一样，长期停留在窄幅、慢速、手控的水平上。卷纸辊从卷纸机的副臂转到主臂的过程，或是引纸、换卷，均靠手工操作来完成。劳动强度较大，又不安全。卷成的纸卷外紧内松，在纸卷端面形成卷曲的荷叶状，造成几十层纸的质量下降或报废。 这种结构的卷纸机，其卷纸辊与缸面问的线压力，靠辊子自重与辊子上缠绕纸页的重量迭加而形成的线压，随着纸卷直径的增加，线压力亦会增大，这就会造成纸卷“硬度”的提高，从而造成纸卷内松外紧。 一旦工作车速在200r/min以上时，这种卷纸机则很难胜任。在纸幅超过2400mm 时，处境就更为恶劣。 国外的造纸机械厂商在20世纪90年代就对卷纸机做了大量的调查研究和开发研制工作，推出了崭新的现代化卷纸机。而我国的卷纸机仍是装备水平低、性能差。然而，我国纸和纸板的产量近些年却居世界第二、三位，在年产3400万t的情况下，若开发应用上现代化卷纸机，那就是对挖掘我国造纸工业潜力做出的一大贡献。 第二章 卷纸机的功能结构分析 2.1 卷纸机的工作原理 卷纸机分为圆筒式卷纸机和轴式卷纸机两种。而大多数的造纸上普遍采用的均是圆筒式卷纸机。 圆筒式卷纸机的特点是：将抄造好的原纸由舒展辊的下方进入卷纸缸的缸面，然后被不断地卷到压靠在卷纸缸表面的卷纸辊上。卷纸辊被卷纸缸所带动，并以卷纸缸相同的线速度将纸幅卷到辊面上。在卷取过程中卷纸辊和卷纸缸表面之间需要保持一个稳定的线压力。此线压力是由机器两侧的次级臂和气缸来实现的。通过调节进气压力可得到所需要的线压力。当纸卷直径达到要求尺寸后，通过换纸装置上的绳子将纸幅横向划破，同时，纸幅被引到另一个空卷纸辊上，开始下一次工作循环，如图2.1所示。 图2.1 水平圆筒式卷纸机 2.2 卷纸机的结构和功能分析 1. 在卷纸缸中通入压缩空气，减少缸中取水，有利于传动和运转平稳。 在卷纸缸中通入压缩空气减少缸中积水，有利于传动和运转平稳[4]。旧式卷纸机卷纸缸中的冷却水靠水超过缸半径自溢，这样往往有半缸水，一经车速提高形成水环，影响运转平稳，造成机架振动及轴承过早磨损。 新式卷纸机车速均较高，在缸体操作端装有旋转接头，同时通入压缩空气，气压为，气管内径约为。 2. 舒纸页装置的改进 在纸页进入卷纸之前要保证纸页舒展平整，确保卷成的纸卷圆整、没有折子。过去用固定的多螺杆的弧形板，纸面与弧形板的接触为滑动摩擦，会擦伤纸面留下隐影 ，于是采用了带有中高的回转式鼓形辊或可调活动弧形辊(见图2.2)。 3. 卷纸辊结构的改进 旧式卷纸辊是一支辊子配置两只滑动轴承，不适应于高速复卷机的放纸要求。现在的卷纸辊(见图2.2)都配置带有滚动轴承的轴承壳及内齿轮联轴器。 图2.2 新式卷纸辊 l—辊体 2—轴承壳 3—半联轴器 为了特殊需要，有时辊面包覆橡胶，其厚度为，硬度为消氏，有利于卷纸辊起卷，保护缸面，延长辊子的使用寿命。 随着卷纸机车速的提高，卷纸直径、幅宽的增大，辊子直径、轴径(吊装挂钩处)一般宜采用较大值，保证具有足够刚性，以防止吊装时造成弯曲，影响卷纸辊的使用寿命。 4. 卷纸辊与缸面间线压力靠气控调节气缸内的压力，确保纸卷内外松紧一致，纸卷圆度好。纸卷硬度适中。 卷纸机的副臂都装有气缸，卷纸辊与缸面接触形成的线压力藉调节气缸中的气压而得到有效控制。通常线压力为1.2～2.5N/mm。 5. 刮刀采用往复式移动 一旦卷纸机车速提高(约在300m/min)时，刮刀由固定式改用往复式移动。这样，可保护缸面。 6. 在卷纸机水平导辊尾部装有制动装置，使吊起的纸卷不再转动，保证起吊安全。 7. 为了引纸方便，安全可靠，在卷纸缸操作端车有引纸槽，配置一套引纸绳轮装置。 8. 为了便于引纸、换卷，卷纸辊的启动采用气缸—尼龙皮带或电机—机械启动装置。 卷纸机的基本技术性能参数主要有六个:卷曲直径、车速、轨距、卷纸缸直径、净纸宽度、功率。 2.3 卷纸机关键件的若干技术要求 1 卷纸缸刚体是卷纸机关键部件，用HT200铸造加工而成，缸面硬度，表面粗糙度为0.4。 2 卷纸辊是卷纸与复卷机(或切纸机)上通用的纸卷载体，复卷机的工作车速通常为卷纸机的三倍，不同于造纸机其它辊筒 根据情况须校准静或动平衡，平衡块固定须牢固。由于经常吊放纸卷，难免发生碰撞，其轴头要考虑有足够的刚性，安全系数要大于干毯导辊的，经常可以看到纸厂卷纸辊的轴头撞弯，妨碍正常运行，造成卷纸辊过早报废。 3 机架两支导轨做成水平式，成V字形导轨面，经渗氯电火花处时，既不变形又耐磨，卷纸辊轴承壳球面部分在V字形导轨面中移动，经长期使用，导轨面无碰伤拉毛等情况，是种较为合理的结构。 4为了保持卷纸缸缸面清洁，免受刮刀擦伤，对刮刀刀片的材质选择适当是重要的，通常采用的如表2.1中所列。 表2.1 材料选用表 序号 材料名称 规格(厚度) 备注 1 T8A薄钢板 1 2 磷铜板 23 刃口剖成斜面 3 不锈钢冷轧整形Crl8Ni9Ti 1 4 布质酚醛层压板 34 刃口剖成斜面 5 树脂层压板 刃口剖成斜面 近年来，刮刀多数采用往复移动(车速在以上时)，往复移动次数7次/分，移动距离为单边，有气动皮膜式或电动式，以电动机—减速器—偏心轮较为可靠。 5 具有中高的回转式鼓形辊或多节可调活动弧形辊，是舒展纸页的有效装置。纸页进入卷纸之前须进行舒展，过去采用多段螺杆调节的弧形板来舒展纸页．这样会擦伤纸面 现在采用鼓形辊或可调活动弧形辊．使用情况好，对涂布纸或特种纸更为有利。鼓形辊的中高量每米纸宽4～6mm，可调活动弧形辊固定轴的偏心距为12～25mm。 随着造纸机车适的提高，卷纸机的卷纸缸直径趋向于小型化，有的缸体用无缝钢管或钢板卷制而成一表面刻有沟槽，其间距为20～30mm，沟槽宽1.5～2mm，深1.2～2.5mm，表面喷涂一层厚度为0.30～0.50mm的钼(Mo)，需要涂层的制件表面须经电火花拉毛，涂层耐磨、不生锈，由于喷涂的钼层有无数疏松隙，这些孔隙具有“吸附”纸页的作用．沟槽能使纸面夹带的气体逸出。在高速卷取高级纸时尤为突出。 喷涂钼层一般以铝丝电喷涂质量较佳，若用钼粉气喷涂，因钼粉粗细不一，有堵塞喷枪、钼粉氧化等造成涂层产生夹层，气泡。但前者费用比后者大，约为1.3～1.5倍。 对于涂布机配套的卷纸机，其缸表面喷涂钼，其效果较佳，国内完全具备喷涂钼层的能力，经使用质量亦好。在高速复卷机支承辊 及 材质为铸铁件经喷涂后情况良好。 卷纸缸直径大小，并不由卷取厚纸、薄纸而定，也不是由车速高低而定．应该是按缸体的制造工艺和卷纸机结构的需要来定较为妥当。 水平式卷纸机可以看作是一台单支承辊的“复”卷机，国外的复卷机通常有双支承辊与单支承辊之分。因铸造的劳动强度大，周期长，以及环保等原因，在国外把铸造件的支承辊改为无缝钢管或钢板卷制造。做一支直径的钢管比做或 来得容易，成本低，机加工、校平衡均较方便。 2.4 卷纸机性能参数的设定 卷纸机的基本技术性能参数主要有六个:卷曲直径、车速、轨距、卷纸缸直径、净纸宽度、功率。 1. 卷曲直径 卷曲直径是指卷纸辊在卷纸的过程中随着卷纸辊卷纸层数的不断增加，最终在完成卷纸时所能达到的最大直径。 2. 车速 卷纸机的车速是指卷纸机上纸幅的实际运行速度(米/分)，有时也称之为抄速。此外，经常使用下列有关车速的术语。 工作车速：指造纸机在给定的纸料品种和工艺生产条件下可以达到的车速，用以作为制定生产计划和考查完成生产任务的标准。工作车速表示造纸机具有的能够发挥的生产能力。 设计车速：指造纸机从机械结构的角度上和产品范围内最大宗的产品生产条件出发考虑时可以达到的最高车速。通常是在最大工作车速的基础上提高20%后的车速作为设计车速，并常常以此为根据选用造纸机的各种附属装备。 结构车速：指在工作车速基础上提高以后的车速，用来作为纸机零件强度设计和某些纸机部件技术质量检验的依据，它表示造纸机结构所允许的最高车速。 3. 轨距 轨距是指卷纸机基础上底轨的中心距。卷纸机的轨距由造纸机的铜网宽度决定并应考虑到烘缸端面与基础梁之间有足够的间距。轨距的估算用下列经验公式 设表示轨距，当铜网宽度时， 当铜网宽度时， 造纸机的轨距通常也就是纸机各棍子两轴承之间的中心距。 4. 卷纸缸直径 卷纸缸是卷纸机工作过程中最重要的部件，它是由一个电动机带动支撑着纸卷，并借着纸卷与卷纸缸压区中的摩擦力而使纸幅产生张力，产生的摩擦力也是这种卷纸方式工作的唯一卷纸动力。 5. 净纸宽度 造纸机的抄宽是指所抄造纸幅的宽度，用卷纸机上纸幅的宽度表示，有时也称为毛纸宽度。毛纸经过复卷机或切纸机切去毛边后，所得成品纸的宽度便是净纸宽度(用表示)。 显然，净纸宽度应该是印刷、书写和其他用途纸张的标准宽度的整数倍。目前国内比较通用的净纸宽度的基数是:(新闻纸)、(印刷纸、文化用纸)和(纸袋纸)；其他纸张的宽度则根据现有纸机的规格。 6.功率 功率是卷纸机的主要技术性能之一，给出的功率是用来选择带动卷纸机运转的电机的标准，电机通过减速器等装置带动卷纸机中最重要的部件卷纸缸转动。因此，卷纸机的功率与电机的功率是密切相关的。 第三章 叉架倾转机构的设计与优化 3.1 叉架倾转机构的设计与计算 国内大型长网纸机随着工作车速的大幅度提高，与其配套的卷纸机叉架倾转机构也以机械传动取代了笨重落后的手动机构。目前传动机构多采用行星式摆线针轮减速机—电磁铁制动系统与叉架下部扇形齿轮机构一起组成机械式叉架倾转机构。 3.1.1 结构原理及特点 卷纸机的传动型式属于行星摩擦轮系，卷纸缸是中心轮，固定在叉臂上的卷纸辊是行星轮，其结构愿理[5]如图3.1所示。 图3.1 卷纸机叉架倾转机构结构原理图 1—轨道 2—二次叉架 3一卷后纸轮 4—叉臂 5—卷筒纸辊轴 6—卷纸缸 7—卷纸缸轴 8—扇形齿轮 9—小齿轮 10—机架 卷纸缸由主传动直接输入。叉架倾转机构是单独韵一套传动系统。叉架的转轴就是卷纸缸轴承架的外套，叉架的上端是U形叉臂，是用来装卡纸辊轴的，使其围绕中心轮的外外圆作行星转动，叉架的下端是扇形齿轮，与主动小齿轮连同减速机组成叉架倾转机构，以间歇传动方式完成换辊动作。由于卷纸辊与卷纸缸之间始终处于紧密接触状态，并具有相当大的摩擦力。从纸机烘干部传出来的纸幅就被这种摩擦力拉出，并连续不断地卷在纸辊上。当纸辊卷到一定直径时，叉臂便将纸辊倾转到水平轨道的二次叉架上。这时纸辊继续依靠装设在轨道内的气缸推顶二次叉架， 使纸辊与卷纸缸保持摩擦传动，然后叉臂脱开纸辊轴并恢复到原来的垂直位置，准备下一个工作循环。 这种传动型式的主要特点是： 能在设备连续运转的情况下，实现平滑过渡，衔接换辊，保持生产过程的连续性和稳定性。 3.1.2 倾转力矩的计算 根据机械动力学分析[6,7]，在系统中存在着纸辊旋转倾落时的惯性力矩和发生在叉架转轴处滑动轴承上的摩擦力矩，其力矩之和为： （3-1） 可应用刚体绕定轴转动微分方程求得： （3-2） 式中，，因纸辊在倾转的瞬间近似于匀速转动，（恒量），，则 （3-3） （3-4） 根据平行轴转换公式 （3-5） 式中：—纸辊转动惯量， —纸辊质量， 故 （3-6） （3-7） （3-8） 式中：—纸辊倾转时重量，设 —重力加速度， —叉架转动半径，即 —纸辊半径， —卷纸缸半径， —卷纸机工作车速， —卷纸缸转速， —卷纸辊角速度， —滑动摩擦系数， —叉架转轴半径， 则 （3-9） 作用在扇形齿轮上的力为 式中：—扇形齿轮节圆半径，， 则 （3-10） 小齿轮轴扭矩为 式中：—小齿轮节圆半径, （3-11） 为计算出的实际倾转力矩，可见原设计可靠性不够。根据机构分析和设计计算[8,9]，对倾转机构的传动设计，应注意以下原则： （1）设计选用的减速机输出轴扭矩必须满足设计要求； （2）必须能够达到传动过程自锁要求； （3）对系统中的受载零部件按最大载荷(或扭矩)及最不利的工作条件进行精确强度计算，以便使机构性能达到最佳设计。 从几个方案中选择设计齿轮—蜗轮减速机。在高速轴与电动机之间装设双锥离合器，使功能结构达到合理、完善、实用(详见图3.2所示)。 图3.2 齿轮—蜗轮减速机示意图 1—蜗轮 2—蜗杆 3—蜗轮箱 4—齿轮箱 5—离合器壳 8—双锥离合器 7—电动机 8—一级齿轮副 9—二级齿轮副 设计步骤如下[10]： （1）使用中已知条件 ①减速机输出扭矩 ②叉架转速 ③电动机转速 ④电动机功率 （2）速比分配 ①原机扇形齿轮与小齿轮速比 （3-12） ，，扇形齿轮有效齿数，小齿轮齿数。 ②齿轮—蜗轮减速机速比 第一级：，，， 第二级：，，， 第三级：蜗杆头数，涡轮齿数，，，减速机速比 （3-13） ③倾转机构传动速比 （3）计算叉架机构的转速 （3-14） 上式为叉架的工作转速，符合设计要求。 （4）计算承载能力 由于叉架倾转机构是短时间运转而停歇时间又较长的传动，因此只计算两个末级承受较大载荷韵扇形齿轮机构的小齿轮和蜗轮的承载能力[11,12]。 ①小齿轮的强度验算 按作用力由一个齿全部承受的最坏情况验算其弯曲强度，根据简化公式得： （3-15） （3-16） 故，满足强度要求。 ②计算涡轮承载能力 蜗轮机构在24小时内间歇传动，每小时最多开动2次，每攻5分钟，正反转工作，环境温度为，蜗杆下置式，使用年限为5年。 计算涡轮输出扭矩： （3-17） 式中：，， 按，查得 （3-18） 根据设计涡轮机构，当，，时，许用扭矩 核算轮齿尖峰负荷 （3-18） 故满足要求。 3.2优化设计概述 优化设计就是对所设计的问题经过数学建模[13]，按照最优化原理和方法，通过寻找影响系统目标的优化变量各分量的某种取值组合，使得系统目标函数在给定约束条件下达到最优或近似最优[14]。 3.2.1 优化设计数学模型 通过对所设计的问题进行数学建模而构建:(l)目标函数，(2)设计变量，(3)约束条件[15]。 1.目标函数 目标函数就是以设计变量为自变量，用来衡量设计优劣指标的函数。优化设计的目的就是在满足约束的条件下使目标函数达到最大或者最小值。 2.设计变量 对于构建的用参数表示的数学模型，有些参数的变化对目标函数没有影响，对于优化过程中可以不考虑，而对于目标函数有影响的参数就是设计变量。 3.约束条件 约束条件就是用设计变量构建的一些满足性能或者几何限制条件。约束条件一般有等式约束和不等式约束。 优化设计的模型一般可以简化为 （3-19） 式中而—求目标函数的最小值； —设计变量的n维空间； —不等式约束； —等式约束。 3.2.2 优化设计方法 数学中几种经常用到的优化方法的介绍 1. 外罚函数法算法程序介绍 对于目标函数，等式约束函数和不等式约束函数；还有终止限(可取 )，设由约束函数构造的惩罚函数为 （3-20） 外罚函数法的算法 1）选定初始点为；选取初始惩罚因子 (可取)，惩罚因子的放大系数(可取)；置。 2）以为初始点，求解无约束问题 (3-21) 设其极小点为。 3）若，则就是所要求的最优解，停止；否则转4)。 4)置；，转2)。 2. 步长加速法算法程序介绍 对于元目标函数，步长收缩系数的终止限。 1）选定初始点，初始步长向量。 2）置，，，（或0.1）。 3）。 4）在点以为步长向量做探索搜索。 5）若探索搜索成功，即，则转6)；否则转10)。 6）作模式移动：；置，。 7）在点以为步长向量作探索搜索。 8）若这次探索搜索的终点的目标函数值比前一次探索搜索的终点的目标函数值小，即，则称模式移动成功。说明从出发沿方向有继续前进的必要。因此转6)再次作模式移动。因为一般比要大，所以凡是连续作的模式移动都是加速步骤。 9）若，则称模式移动失败。此时，把前一次探索搜索的终点选作参考点。相当于模式移动作废；然后转4)。 10）由5转来。若探索搜索失败，即，则判别步长收缩系数是否充分小；若，则把缩小，即置，然后转3)；若，则就是所求的极小点。 3. 探索搜索算法程序介绍 已知：目标函数，步长向量和参考点。 1）计算；置，。 2）依次沿第坐标轴方向作如下搜索：计算，，其中是第坐标上的单位向量。以下三种情况必居其一： （i）若，则说明比好，置，。 （ii）若而，则说明不比好，但比好，因此置，。 （iii）若与同时成立，说明和都不比好，则和都保持当前值不变。 依次对计算后，最后得到的和分别是从出发以为步长向量的探索搜索的终点极其目标函数值。 由于实际问题中的目标函数和约束函数基本上都是一些非线性约束，而且约束函数中包括等式约束和不等式约束，所以更多采用的是外罚函数法。考虑到实际问题的需要，本系统在选用优化方法的时候也采用的是外罚函数法。 3.3卷纸机的优化设计 3.3.1 卷纸机机构设计 圆筒卷纸机是借助纸卷与卷纸缸压区中的表面摩擦力工作的。为了得到均匀的纸卷紧度，纸卷与卷纸缸之间的线压力要保持基本不变。 图3.3 旧式卷纸辊与卷纸缸位置示意图 1—卷纸辊 2—卷纸缸 旧式摇臂式圆筒卷纸机上，此线压力随着纸卷重量和摇臂位置的变化而改变。如图3.3所示，由静力平衡方程可得出压区压力 (3-22) 式中：—确定摇臂位置的夹角； —纸卷的重量，它是时间的函数； —卷纸辊的重量。 显然，在这种卷纸机上卷纸，会造成纸卷的内外松紧不一，会影响纸卷的质量，尤其是不能适应高速纸机的要求。 现代造纸机上，大多采用气动加压和抬起纸卷的导轨式圆筒卷纸机。根据资料介绍，如果卷纸轴的导轨倾斜角度等于导轨与轴承之间的摩擦角，则纸卷本身的重量对卷纸缸不产生压力，通过调整工作气缸，可获得稳定的线压力。我国在七十年代的一些气动卷纸机，正是根据这一理论，将导轨设计成与水平倾斜左右，如图3.4所示。 图3.4 改进后卷纸辊与卷纸缸位置示意图 1—卷纸辊 2—卷纸缸 上述理论是在假定纸卷在导轨上静止的条件下得出的。实际上，随着纸卷直径的增大，纸卷是在离开卷纸缸方向缓慢地移动的。其摩擦阻力方向恰好与图3—2所示的方向相反，即与纸卷自重下滑力是相同方向的。因此，在动态下，图3—2所示倾斜导轨上，纸卷与卷纸缸的压区压力为 （3-23） 式中：—摩擦系数； —摩擦角，； —两侧汽缸在平行于导轨方向的附加压力； —纸卷与卷纸辊的重量之和。 由式(3-5)可知，在卷纸过程中，纸卷自重的下滑力与摩擦力并不能抵消，压区线压力并不是恒定的。而是纸卷自重的线性函数。欲使纸卷自重对卷纸缸不产生压力，理论上分析，导轨倾斜的方向应该变为图3.3所示，即朝外向下倾斜。但是，从操作安全和制造工艺角度考虑，这种倾斜也是没有必要的。七十年代以来，国外现代卷纸机大多采用图3.5所示的水平道轨和摆动气缸机构。只要应用机构最优化设计原理，合理选择机构参数，完全可以达到纸卷与卷纸缸之间的压力基本不变的要求。 图3.5 理想的卷纸辊与卷纸缸位置示意图 1—卷纸辊 2—卷纸缸 3.3.2 机构最优化设计 机构最优化设计是近年来出现并且发展非常迅速的一种设计方法。它采用最优化的数学方法，借助于计算机程序，使设计的机构最优地满足预订的运动学和动力学方面的要求，给出最优的设计方案。 设计步骤如下 建立数学模型，包括设计变量、约束条件和目标函数。 凡属于在优化设计中需要优化选择的结构参数，称为设计变量。一组个设计变量，可写成矩阵的形式： 对设计变量的取值加以某些限制的条件，称为约束条件。一般用不等式约束方程： ， （3-24） 和等式约束方程式： ， （3-25） 表示出来。 机构的优化设计就是在设计中能最好地满足所要追求的某些特定目标。这些目标可以表示为设计变量的函数，称为目标函数，记作： （3-26） 目标函数的值是评价设计方案优劣程度的标准。最优化设计是要寻找一个最优点，使目标函数达到最小(或最大)值，即 ， （3-27） D为可行区域，称值为最优值。 3.3.3 卷纸机优化设计 如图3.5所示水平导轨式圆筒卷纸机的示意图。纸机车速，卷纸缸直径，抄宽，纸卷最大直径，卷纸辊直径，辊轴重，抄造纸张的紧度，卷纸辊轴壳在导轨上的摩擦系数，二次叉臂杆长，于是卷纸缸与纸卷之间的线压力达到基本不变，确定其它构件的尺寸[16]。 1. 确定设计变量 2. 目标函数 由纸卷与卷纸缸之间的压力尽量逼近所期望的压力，按标准差达到最小值来建立目标函数[17] （3-28） 图3.5 水平导轨式圆筒卷纸机 1—卷纸辊 2—卷纸缸 （3-29） 式中 其中—纸卷净重； —时间； —纸卷的厚度； —纸厚。 3. 约束条件 由构件构成的三角形，满足 根据机构结构尺寸，要求各构件长度在给定的范围内 根据压区线压力和汽缸压力及叉臂重量的允许范围得 4.最优化方法及其计算结果 最优化方法用外部惩罚函数法，无约束优化方法用Powell法，取惩罚函数法的收敛精度，Powell法的收敛精度，惩罚函数形式为 （3-30） 选取初始惩罚函数参数，递减系数，初始点，利用Visual C++ 计算[18]解得如下最优结果 即 第四章 卷纸机的参数化建模 4.1 参数化建模技术 参数化设计[19]是近几年才发展起来的先进设计技术，可以大大提高设计效率，并有助于减轻设计人员的工作强度。 参数化设计是机械零件设计的一个重要部分，参数化设计的零部件对于系列化产品尤其重要。广义上讲，参数设计过程是指从功能分析到创建参数化模型的整个过程。首先根据零部件的功能，以及零部件与其他零件之间的关系，确定零部件是否可能进行参数化设计。有些零部件是专用零件，有的甚至是单件生产，像这样的零部件不必进行参数化设计。如果零部件需要量大，并且需要系列化生产，这样的零件应该考虑进行参数化设计。 从产品设计到制造的整个过程中，尤其在产品设计的初步阶段，产品的几何形状和尺寸不可避免地要反复修改、协调和优化。如果利用CAD软件进行非参数化建模，那么哪怕要改变图形的一个尺寸和结构，也要修改原模型，甚至要重新建模。那么能否利用数值驱动零部件的特征尺寸，在进行产品系列设计时，只需要添加多组数据即可；若要进行重新设计，只需要修改部分数据即可呢？其实，这就是参数化设计的思想，现今流行的三维CAD[20]造型系统大多提供了参数化设计的功能。 参数化设计可以大大提高产品设计的效率，同时可以有效保证产品模型的安全可靠性[21]。尤其对于形状比较定型的零部件，用一组参数约束该几何图形的一组尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸对应显示。当赋予不同的参数序列时，就可驱动原有几何模型达到新的目标几何图形，可以完成高效建模和模型修改。 4.2 参数化建模方法 参数化建模的首要步骤是对零部件进行形体分析，从而确定设计变量和建模策略，然后进行参数化建模以及参数提取，最后进行建模的验证。根据零部件几何形状以及复杂程度的不同，应该选择不同的参数化建模方式，通常有2种参数化建模方法。 1. 特征建模方法 特征建模方法主要是通过Pro/TOOLKTI[22]中提供的函数创建基准、拉伸、旋转、倒角、孔和扫描等特征的创建技术和关键代码。 每一个零部件模型的建立均是由零部件中定义的各个相互独立、关联的特征组成的，用树状结构的形式来描述和定义Pro/ENGNIEER的一个特定特征称为特征元素树(feature elements tree)。这种特征元素树并不是指在交互操作时的模型树(model tree)，而是用来代表定义特征所有信息的结构体类型数据的一种直观的表示形式。一个特征元素树代表一个特定的特征，树种根节点和各分支统称为元素，作为ProElement对象。 2.参数化建模方法 参数化建模的方式是利用设计参数来控制三维模型。基本作法是利用交互式方法创建三维模型，再利用Pro/ENGNIEER的参数功能建立设计参数，然后由Pro/T00LKIT应用程序检索出模型的设计参数、并提供参数的编辑功能和根据新的设计参数再生三维模型的功能[23]。基于这一方法建立模型的过程，该方法中主要涉及到了Pro/ENGNIEER的参数对象、参数值、参数的创建和检索以及根据新的参数值派生三维模型的有关函数、程序算法等功能。 以上介绍了Pro/E参数化设计两种功能，尽管特征元素树创建三维模型是基本方法，但是相对于第二种方法，第一种方法至少存在着三方面的不足：一是程序设计繁琐，对于形状复杂的模型完全依靠Pro/TOOLKTI应用程序来生成三维模型是非常困难的，有时甚至是不可能的；二是不能创建Pro/ENGNIEER具有的全部特征，如混合(Blend)等高级功能；三是Pro/TOOLKIT提供的特征树结构和元素与Pro/ENGNIEER的版本有关，在特定的版本下生成的Pro/TOOLKTI应用程序不能保证在以后的高版本成功运行。基于以上三点不足，本文在选择建立模型的方法时使用的是更为行之有效的第二种方法参数化建立模型。 4.2 卷纸机三维实体模型的参数化建模 4.2.1 参数化设计的一般过程 Pro/E除了提供方便而强大的参数化建模方法外，还提供了可以提取特征参数的数据表格，通过数据表格可以生成零件库，进行参数化设计的基本步骤如下[24]: 1. 根据图纸和自由变化参数表确定建模方法； 2. 创建参数化模型； 3. 设置参数之间的关系； 4. 提取自由变化参数； 5. 创建零件库，输入零件系列数据，创建零件模型； 6. 调入生成的模型，检查模型创建是否有误； 7. 利用二次开发接口编写程序，进行零件库的管理。 4.2.2 主机架模型的建立 主机架部分包括主机架、辅助机架、齿轮等结构。其主要是起到对卷纸辊、卷纸缸等卷纸机中的运动部件支撑的作用。在设计过程中，系统把计算得到的尺寸保存到一个数组中，由该数组的数据来驱动参数化零件数据库中的模型，进而得到系统所设计出来的零件的三维模型。主机架三维实体模型的上半部分是首先由参数化零件数据库中提取出来的模型，下半部分控件中的数据是由系统计算得到的数据赋给控件的，当然系统计算得到的数据主机架零件模型尺寸数据有很多，控件中显示的只是其中的一部分，其他的均保存在系统程序的数组中，在控件中显示出来的数据是为了用户看到之后更直接，并可以通过修改控件中的数 图4.1 机架的Pro/E三维模型图 据，单击更新按钮可以重新生成图4.1中上半部分的新的三维模型。 由于主机架部分零部件的形状相对固定，在设计中一些变化大多属于是零部件放置位置的变化，因此主机架部分的设计是卷纸机设计中变化相对较小的一部分。所以在本文中没有对主机架部分中的其他零部件进行详细地介绍，而只是以主机架为例进行介绍。 4.2.3 卷纸缸模型的建立 卷纸机中工作的主要部件是卷纸缸和卷纸辊，卷纸机通过卷纸缸和卷纸辊之间的摩擦力产生相对运动来完成卷曲纸卷的任务，并且卷纸缸和卷纸辊之间的工作性能的好坏直接会影响到卷曲纸卷的质量，而卷纸辊部分对于大多数的卷纸机来说，都是有规定的尺寸和大小的，因此在卷纸机使用卷纸辊是只需根据型号来选择卷纸辊即可，不需要针对卷纸机来进行单独设计卷纸辊，所以在卷纸机的设计当中，卷纸缸部分的设计就显得格外重要，本系统在卷纸缸的设计中也给予了重要的地位，如第三章中所阐述本系统对卷纸缸部分在设计中进行了优化。下面就对卷纸缸部分的三维模型建立方面进行一下详细地介绍。 1. 缸体参数化设计 缸体是卷纸缸中和卷纸辊直接接触部分，其三维模型参数化设计如图4.2所示。 图4.2 卷纸缸的Pro/E三维模型图 由于缸体的实际形状相对其它零件比较简单，因此在缸体的参数化设计中给出的设计尺寸只有六个，这并不是说缸体在设计时就只有六个尺寸，而是一些其他的尺寸在设计中可以由这六个尺寸推导出来或者是一些经验尺寸，这些尺寸只需要在图形生成时由系统给出就可以了。 2. 缸盖A参数化设计 缸体是和卷纸辊直接接触的零件，但卷纸缸部分并不是仅仅只有缸体一个零件，缸体在工作时，两端要有端盖、轴承等固定支撑零件。下面将对缸盖A的三维模型参数化进行介绍，如图4.3所示是缸盖A的三维实体模型。 3. 缸盖B参数化设计 缸盖B与缸盖A一样也是缸体的固定支撑零件，因此缸盖B的三维实体模型的参数化设计过程与缸盖A的参数化设计过程基本相同，不同之处在于缸盖B位于卷纸辊的两端，缸盖A位于卷纸缸的两端。缸盖B的三维模型如图4.4所示。 4. 卷纸机的整体装配三维模型图 根据以上零件和其他零件模型的建立，在Pro/E三维软件中的实体装配实体模型如图4.5所示。 图4.3 缸盖A的Pro/E三维模型图 以上详细介绍了主机架、缸体、缸盖A、缸盖B等零件的三维模型参数化设计和卷纸机的整体三维模型的装配，由于本系统中都采用的是尺寸驱动参数化零件数据库中的模型，因此设计过程中的本步骤和方式基本相同。 图4.4 缸盖B的Pro/E三维模型图 图4.5 卷纸机的Pro/E三维实体模型装配图 4.3 工程图的建立 4.3.1 主机架工程图 主机架的二维工程图如图4.6所示，分别为主机架的主视图、左视图和俯视图。 图4.6 主机架二维工程图 4.3.2 卷纸辊工程图 卷纸辊的二维工程图如图4.7所示，分别为卷纸辊的主视图和左视图。 图4.7 卷纸辊二维工程图 4.3.3 缸盖工程图 缸盖的二维工程图如图4.8所示，分别为缸盖的主视图和俯视图。 图4.8 缸盖二维工程图 4.3.4 卷纸机装配图 卷纸机装配图的二维工程图如图4.9所示，分别为卷纸机的主视图、左视图和俯视图。 图4.9 卷纸机装配体二维工程图 第五章 卷纸机零件的有限元分析 5.1 数据的转换 5.1.1 数据转换标准 接口技术是CAD/CAE系统实现无缝集成的关键技术。为了满足系统集成的需要，提高数据交换的速度，保证数据传输的完整、可靠和有效，则必须使用有效的数据交换标准。目前最为通用的数据交换标准有IGES标准和STEP标准。 IGE(s原始图形信息交换技术规范)是由美国国家标准协会(ANSI)制定的CAD/CAE/CAM系统之间图形信息交换的一种规范[25]。它由一系列产品的几何、绘图、结构和其它信息组成，是用来定义产品凡何形状的现代交互图形系统，可以处理CAD/CAE/CAM系统中大部分信息，进行产品定义数据的相容性交换。IGES标准现已发展成为一种主流的通用图形数据交换格式，大多数软件都配有IGES接口。STEP标准是一个关于产品数据的计算机可理解的表示和交换国际标准，提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它描述的是包括产品的设计、制造、使用、维护、报废等整个生命周期的信息。相对STEP标准，IGES更加侧重于几何图形信息描述、几何实体信息描述和有限元模型数据传递交换，而且ANSYS本身具有内置的IGES转换过滤器，其IGES的输入能力在工业界是最强的。 CAD软件几何模型和有限元几何模型记录数据和保存文件的格式不同，且IGES的一些语法结构有二义性，不同的系统也会对同一个IGES文件给出不同的解释;有时IGES对数据传输不可靠，往往一个CAD系统只有一部分数据能转换成IGES数据，在读入IGES数据时，也经常有部分数据被丢失，可能导致数据交换的失败;另外交换文件所占的储存空间通常较大，影响数据文件的处理速度和传输效率。因此，在把三维模型通过GIES文件转换为有限元模型之前，必须对模型进行修补、简化工作。 5.1.2 ANSYS中的1GES标准转换方式 对于输人IGES文件，ANSYS [26]提供了两种选项:DEFAULT和ALTERNATE。DEFAULT选项使用一种增强的几何数据库，它可自动地进行IGES文件的转换，转换包括自动地合并和生成体，为模型划分网格做准备。DEFAULT选项不能转换文本、面积、注解图元、结构图元等数据，会忽略它不能识别的IGES图元，不过它会转换所有的IGES拓扑和几何图元;输人后，ANSYS将不允许从DEFAULT选项转换到ALTERNATE选项，因而不容许自底向上的模型生成方法。ALTERNATE选项使用标准的ANSYS几何数据库，没有自动生成体的能力，而且通过它转换的模型还需要进行一些手工的修补。在大多数情况下建议使用DEFAULT选项，只在以下几种情况中可能使用ALTERNATE选项:无法通过DEFAULT选项输入模型;希望把模型输出到一个IGES文件中;希望在输入的模型基础之上建立新的图元。 5.2 模型的修改 Pro/E生成的模型文件中包含了一些难以进行网格划分的物理细节，而且Pro/E程序采用了一种带有特殊格式的方式来定义图元，这种定义图元的方式与ANSYS定义图元的方式不一致，这些问题最终都会导致模型网格划分失败，因此需要对模型进行以下修补和简化： 1)拓扑修改和几何修复。使用拓扑修改工具闭合模型中各图元的间隙，可用间隙检查调整间隙容差的方法对所有间隙进行合并，修改不完全的图元以生成线、面和体。如果在模型的输入过程中发现模型的拓扑和几何结构有问题，或模型输入时关闭了合并的开关，则把拓扑工具（Topo Repair）变为可用状态。 2)几何结构简化。删除一些无关紧要(或无限制的)的图元，找出并去掉模型中产生问题的细节、小线或小特征，简化几何结