带式输送机断带捕捉器.docx
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带式输送机断带捕捉器
题目:
带式输送机断带捕捉器
——液压缸设计过程软件化的实现
带式输送机结构示意图:
向上传输倾角β=30°长度L=200米
方案:
油缸、油压松闸、弹簧制动、同步、目的操作。
液压系统设计:
包括设计液压缸,选择油缸、阀、泵。
要求编程:
可采用各种编程语言,如Matlab,C语言、汇编语言等。
第一阶段:
液压缸的设计
——matlab可视化软件的实现
1.液压缸负载的计算
1.1单台抓捕器抓捕力的计算
单台抓捕力:
(1-1)
其中
式中K——多台捕捉器出力不均匀系数,取K=1.3;
n——捕捉器台数;
ΣF——输送带在机头处断裂后,要求的总捕捉力;
q——负载单位长度质量,kg/m;
qd——输送带单位长度质量,kg/m;
qt——上托辊组单位长度质量,kg/m;
β——输送机布置倾角,当倾角不一致时,应分别计算;
L——输送机长度,m;
ω——输送带运行阻力系数;
a——输送带制动减速度,取a=0.2~0.3m/s2。
1.2matlab软件的界面设计
在上面的界面中输入K=1.3,n=8,q=100,qd=20,qt=15,β=30,L=200,ω=0.04,a=0.2,g=9.8.单击计算得到结果如下:
即得到单台抓捕器在制动时需要的抓捕力F=18489N。
1.3液压缸负载的计算
在设计液压缸之前需要进行液压缸负载的计算,以下为计算原理及过程:
根据对所设计液压缸的工作方式的分析,知道在液压缸未工作时,活塞受弹簧力的大小等于抓捕力F抓;在向液压缸中开始供油后活塞受到的工作载荷为:
(1-2)
(1-3)
式中:
K——蝶形弹簧系数;
X——活塞杆移动的距离m;
——液压缸密封处的阻力N;
——液压缸的机械效率,一般取0.90~0.95;
则活塞上的载荷由下式:
(1-4)
整理得:
(1-5)
利用软件计算得单个液压缸的负载如下:
2.液压缸尺寸的计算
2.1液压缸工作压力的选取
根据上面得出的负载,利用线性方法从下表中选取一个工作压力:
按负载选执行元件的工作压力
负载/KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作压力/MPa
≤0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5
可以利用软件功能实现工作压力P选择的结果如下:
根据下面得表1,利用软件选择一个标准的公称压力:
图表1
2.2液压缸内径、壁厚和活塞杆直径的计算
依据表2选择一个i=d/D=0.5:
按工作压力选取d/D
工作压力/MPa
≤5.0
5.0~7.0
≥7.0
d/D
0.5~0.55
0.62~0.70
0.7
图表2
然后按照公式:
计算出有杆腔活塞有效面积;
根据公式:
(2-1)
将i=d/D=0.5代入式(1-6),通过软件计算得结果如下:
计算出的液压缸内径D和活塞杆直径d按国标规定的液压缸的有关标准进行圆整后的结果:
根据公式:
(2-2)
(2-3)
分别计算出活塞杆截面面积
和液压缸截面面积
。
有杆腔的面积:
液压缸壁厚t的计算依据公式:
(2-4)
式中:
t——管壁厚(最小厚度)mm
P——最大压力kg/cm2
D——管内径mm
S=δ/5——安全系数
δ——液压缸所用材料的抗拉强度最低值
利用软件计算的液压缸壁厚圆整后的结果如下:
2.3液压缸壁厚、活塞杆强度的校核
2.3.1壁厚校核的原理是:
中、高压液压缸一般采用无缝钢管做缸筒,大多属于薄壁筒。
当t/D≤0.08,根据材料力学中薄壁圆筒的计算公式验算缸筒的壁厚,即
(2-5)
当t/D≥0.3时,可用下式校核缸筒壁厚:
(2-6)
当0.08 (2-7) 上面三个式中: Pmax——缸筒内的最高工作压力(Pa),当工作压力p<16MPa时,Pmax=1.5p;当工作压力p>16MPa时,Pmax=1.25p。 D——缸筒的内径(mm)。 [σ]——缸筒材料的许用应力(Pa); ,n为安全系数,由下表查得: n=12。 所以, 。 (由《材料手册》查得45号钢: =600MPa) 材料 静载荷 交变载荷 冲击载荷 对称 不对称 钢 3 5 8 12 铸铁 4 6 8 15 2.3.2活塞杆强度计算: 活塞杆在稳定工况下,如果只受轴向推力或拉力,可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算: 式中: F=Fmax——活塞杆的作用力,N d——活塞杆的直径,m σp——材料的许用应力,无缝钢管σp=100~110MPa,中碳钢(调质)σp=400MPa 液压缸所用材料(45钢)的许用应力[σ]=50MPa,则校核的结果如下: 软件的设计界面如下: 对以上计算结果进行整理得到所设计液压缸的相关参数如下: 活塞杆直径d=56mm; 液压缸内径D=125mm; 液压缸壁厚t=20mm。 第二阶段: 液压缸的参数优化 1.目标函数的建立 1.液压缸质量 为使液压缸外形尺寸小、重量轻、用料省,以液压缸质量作为目标函数之一。 。 式中 即: 液压缸质量的最终公式为: 2.活塞杆和活塞的质量 为使活塞杆外形尺寸小、重量轻、用料省,以活塞杆和活塞的质量作为目标函数之一。 即: (一般低碳钢、合金钢密度为7.85g/cm3)。 最终的目标函数为: 上式可以简化为: 式中: P——最大工作压力kg/cm2 D——液压缸内径mm d——活塞杆直径mm ρ——液压缸材料的密度 δ——液压缸材料的抗拉强度最低值 L1、L2、L3——分别为缸体、活塞杆、活塞的长度 其中ρ、δ由于材料不同,值各不相同,必须根据材料选择。 (当p、D一定时,δ仅与σp有关,确定材料后即可确定δ,再判断出ρ、δ的最小值。 ) 备选材料为: 35,45,35CrMo,ZL105,ZG230-450。 2.约束条件的确定 1.边界条件 速比限制: 本系统不是差动缸,没有严格的速比限制。 但不能使D和d之间相差过大或过小,故使1.15≤φ≤2. 备注: g1[x]~g4[x]实现该功能。 2.性能约束条件 最低速度要求: A=π(D2-d2)/4≥Q/v,(g5[x]实现该功能) 活塞杆强度校核: σ=4F/πd2≤σp,σp取100~110MPa,(g6[x]实现该功能) 活塞杆拉压强度校核: 式中: F——活塞缸的最大推力(N)。 d——活塞直径(m)。 ns——安全系数,ns=2~4,取ns=3。 σs——活塞杆材料的屈服极限(MPa)。 根据《材料手册》45号钢的σs=350MPa。 (g7[x]实现该功能) 3.优化结果的完成 利用网格法,计算出p、D、d,再圆整成标准值。 4.程序的编制 #include #include #include main() { doublefun(doublex[20],doubleK); intyesorno(floatQ,floatv,floatF,doublex[20]); doublex[20]; doublea[20]={0.8,40.0,18.0};/*定义网格区间下限*/ doubleb[20]={8.0,140.0,70.0};/*定义网格区间上限*/ intn=3; intm[20]={6,8,12};/*定义网格区间的等分值*/ doubleeps=0.1;/*目标函数精度*/ doublexmin[20],fmin; doublef0=100000,f; doubleh[20]; doublehmax; inti,No,Num; inti0,i1,i2; intflag=1; intc,k,D1,a1,j,I,I0; floatF,F1,Q,Q1,v,pp,qp,E,h0,dg,V,h1,K1,K; floatBZ[3][15]={{0.8,1.0,1.6,2.5,4.0,6.3,8.0},{40,50,63,80,90,100,110,125,140},{18,20,22,25,28,36,40,45,50,56,63,70}}; floatb1[3]; structmaterial { intobn; floatq; charname[20]; }mat[5]={ {230,2.80,"ZL105"}, {450,7.80,"ZG230-450"}, {540,7.85,"35"}, {610,7.85,"45"}, {1000,7.85,"35CrMo"}, }; printf("输入活塞负载值F(mm)\n"); scanf("%f",&F1); do { for(i=0;i h[i]=(b[i]-a[i])/m[i];/*将区间[ai,bi]进行mi等分*/ for(i2=0;i2<=m[2];i2++)/*网格法划分区间*/ { x[2]=a[2]+i2*h[2]; for(i1=0;i1<=m[1];i1++) { x[1]=a[1]+i1*h[1]; for(i0=0;i0<=m[0];i0++) { x[0]=a[0]+i0*h[0]; for(No=1;No<=5;No++) {F=F1/(10*No); Q=Q1/(10*No); if(yesorno(Q,v,F,x)==0)/*判断边界与强度约束*/ continue; K=30; for(a1=0;a1<5;a1++) { h0=1.5*x[0]*x[1]/(10*mat[a1].obn); if(h0/x[1]>0.1) h0=(sqrt((mat[a1].obn+0.6*x[0])/(mat[a1].obn-1.95*x[0]))-1)*x[1]/2; K1=h0*mat[a1].q; if(K>K1) {K=K1; I0=a1;} } f=10*No*fun(x,K); if(f>=f0) continue; for(i=0;i {xmin[i]=x[i];} f0=f;fmin=f; I=I0;Num=10*No; continue; } } } } hmax=0.0;/*网格精度细化*/ for(i=0;i if(h[i]>hmax) hmax=h[i]; if(hmax>eps) { for(i=0;i { a[i]=xmin[i]-h[i]; b[i]=xmin[i]+h[i]; } flag=1; f0=20000; } elseflag=0; } while(flag); printf("thebestresults: \n");/*输出结果*/ for(i=0;i printf("x[%d]=%10.5f\n",i,xmin[i]); printf("即额定压力、缸体内径、活塞杆直径分别为: %10.5f,%10.5f,%10.5f\n",xmin[0],xmin[1],xmin[2]); printf("f0=%10.5f\n",fmin); printf("hmax=%10.5f\n",hmax); for(c=0;c<3;c++) { b1[c]=BZ[c][0]; for(k=0;k<=m[c];k++) { if(x[c]>BZ[c][k]) b1[c]=BZ[c][k+1]; elseif(x[c]==BZ[c][k]) { b1[c]=BZ[c][k]; break; } else break; } } printf("经圆整到标准值后: ");printf("\n"); printf("液压缸公称压力为%fMPa\n",b1[0]); printf("缸体内径为%fmm\n",b1[1]); printf("活塞杆直径为%fmm\n",b1[2]); printf("缸筒材料为: "); for(j=0;j<20;j++) printf("%c",mat[I].name[j]); printf("\n"); h1=1.5*b1[0]*b1[1]/(10*mat[I].obn); if(h1/b1[1]>0.1) h1=(sqrt((mat[I].obn+0.6*b1[0])/(mat[I].obn-1.95*b1[0]))-1)*b1[1]/2; E=b1[1]+2*h1; D1=(int)E+1; printf("缸体外径为%dmm\n",D1); return(0); } intyesorno(floatQ,floatv,floatF,doublex[20]) { inte; intyesorno=1; doublegx[20]; if(x[0]==0) return(0); gx[0]=4*F/(3.1415926*x[2]*x[2])-110;/*校核活塞杆强度*/ gx[1]=Q/v-3.1415926*(x[1]*x[1]-x[2]*x[2])/4;/*校核最小速度要求*/ gx[2]=x[1]-sqrt(8*F/(0.9*3.1415926*x[0])); gx[3]=sqrt(4.6*F/(0.9*3.1415926*x[0]))-x[1];/*限定缸体内径与额定压力的关系*/ gx[4]=x[2]-x[1]*sqrt(0.5); gx[5]=x[1]*sqrt(1-1/1.15)-x[2];/*限定缸体内径与活塞杆直径的关系*/ gx[6]=2*sqrt(3*F/(350*3.1415926))-x[2];/*校核活塞杆拉压强度*/ for(e=0;e<=6;e++) if(gx[e]>0.0) {yesorno=0;break;} printf("yesorno=%d",yesorno); return(yesorno); } doublefun(doublex[20],doubleK)/*计算目标函数*/ {doublef; f=2*K*x[1]+1.9625*x[2]*x[2]+1000*x[0]; returnf; } 五结果 参考文献 [1]任中全,寇子明,赵灿主编.现代机械设计理论与方法.煤炭工业出版社,2000 [2]成大先主编.机械设计手册液压传动篇.化学工业出版社,2010 [3]黎启柏主编.液压元件手册.机械工业出版社.2000 第三阶段活塞杆和活塞的有限元分析 活塞杆的有限元分析结果如下: 图1活塞杆应力图图2活塞杆受力位移图 图3活塞杆应变图 活塞的有限元分析: 图4活塞应力图图5活塞受力位移图 图6活塞应变图
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- 关 键 词:
- 输送 机断带 捕捉