动力辊筒线的结构设计与研究毕业论文

动力辊筒线的结构设计与研究毕业论文

第一章：概述

1.1 引言

2010年中国动力辊筒线市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励动力辊筒线产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对动力辊筒线行业的关注越来越密切，这使得滚筒转弯机行业的发展需求增大。

1.2 动力辊筒的基本概述

辊筒线利用按一定间距架设在固定支架上的若干个辊子来输送成件物品的输送机。固定支架一般由若干个直线或曲线的分段按需要拼成。辊子输送机可以单独使用，也可在流水线上与其他输送机或工作机械配合使用，具有结构简单、工作可靠、安装拆卸方便、易于维修、线路布置灵活等优点。这种输送机按辊子是否具有驱动装置，可分为无动力式和动力式两类。

图1-1 辊筒线

其具有结构简单、运行可靠、维护方便、可输送高温物品、节能等特点，适合于运送成件物品。辊子输送机分动力型和无动力型，可以实现直线、曲线、水平、倾斜运行，并能完成分流、合流等要求，实现物品在机上加工、装配、试验、包装、挑选等工艺。

1.3 动力辊筒国内外研究现状

动力辊筒线在国内外的已经是一项很成熟的技术了。但是国内生产的动力辊筒和国外同类产品还是有一定的差距。这个差距主要体现在国内生产的动力辊筒比较的简单，一般只是一个动力辊筒。在与其他设备的相互嵌入方面做得不够好。

滚筒线又称滚筒输送机适用于各类箱、包、托盘等件货的输送，散料、小件物品或不规则的物品需放在托盘上或周转箱内输送。能够输送单件重量很大的物料，或承受较大的冲击载荷。结构形式：按驱动方式可分为动力滚筒线和无动力滚筒线，按布置形式可分为水平输送滚筒线、倾斜输送滚筒线和转弯滚筒线。还可按特殊要求特殊设计，以满足各类要求。标准规滚筒线内宽度为200、

300、400、500、1200mm等。转弯滚筒线标准转弯内半径为600、900、1200mm 等，直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、 60、76、89mm等。

滚筒输送机之间易于衔接过滤，可用多条滚筒线及其它输送设备或专机组成复杂的物流输送系统，完成多方面的工艺需要。可采用积放滚筒实现物料的堆积输送。滚筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便。

滚筒输送机适用于底部是平面的物品输送，主要由传动滚筒、机架、支架、驱动部等部分组成。具有输送量大，速度快，运转轻快，能够实现多品种共线分流输送的特点。

结构形式：从驱动形式上分为有动力、无动力、电动滚筒等，按布局形式分为水平输送，倾斜输送和转弯输送。

尺寸规格：滚筒输送机内宽度根据实际情况确定，转弯滚线标准转弯内半径为300、600、900、1200mm等。直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、60、76、89mm等。转弯滚筒的锥度我们会根据输送物体的重量、外形尺寸、线速度等来设计。

机架材质：碳钢喷塑，不锈钢，铝型材。

动力方式：减速电机驱动，电动滚筒驱动等形式。

传动方式：单链轮、双链轮、O型皮带、平面摩擦传动带、同步带等。

调速方式：变频调速，无级变速等。

设备特点：滚筒输送机之间易于衔接过滤，可用多条滚筒线及其它输送设备或专机组成复杂的物流输送系统以及分流合流系统，完成多方面的工艺需要。可采用积放滚筒实现物料的堆积输送。滚筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便，动力滚筒线考虑链条抗拉强度，最长单线长度一般不超过10米。

动力辊筒线有以下技术参数：

1、输送物体的长度、宽度和高度；

2、每一输送单元的重量；

3、输送物的底部状况；

4、有无特殊工作环境上的要求（比如：湿度，高温，化学品的影响等）；

5、输送机属于无动力式或电机带动式。

为确保货物能够平稳输送，必须在任何时间点都至少有三只滚筒与输送物保持接触。对软袋包装物必要时应加托盘输送。

1、滚筒的长度选择：

不同宽度的货物应选适合宽度的滚筒，一般情况下采用“输送物+50mm”。

2、滚筒的壁厚及轴径选择：

按照输送物的重量平均分配到接触的滚筒上，计算出每支滚筒的所需承重，从而确定滚筒的壁厚及轴径。

3、滚筒材料及表面处理：

根据输送环境的不同，确定滚筒所采用的材质和表面处理（碳钢镀锌、不锈钢、发黑还是包胶）。

4、选择滚筒的安装方式：

根据整体输送机的具体要求，选择滚筒的安装方式: 弹簧压入式, 内牙轴式, 全扁榫式, 通轴销孔式等。

对于弯道机的锥形滚筒，其滚面宽度及锥度视货物尺寸和转弯半径而定。

国外研究产品：

图1-2 德国雅茨公司生产的动力琨筒线

国内研究产品：

图1-3 湖州科尼物流设备有限公司生产的辊道输送系统

1.4 本文研究内容概述

本课题来源于教师的横向科研项目“板材送料系统”的子课题“动力辊筒线的设计与研制”。动力辊筒线是生产线上常用的机械输送装备，锥筒式的辊筒一般的长度尺寸都在1200mm以内，本课题研究的动力辊筒线尺寸达到

1600mm，并且具有90°的转弯部分，是比较具有创新性的设计研究。要求机械图纸一套，仿真优化设计方案一套、电机与调频器的参数选择方案一套。

1.5 本章小结

本章主要讲述动力辊筒线在国内外的发展和研究状况，并概述了本文主要研究的内容。

第二章虚拟样机技术及ADAMS软件

2.1 虚拟样机技术

2.1.1 概述

虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP)现在还处于发展阶段，他从19世纪80年代兴起的。从目前国内外研究来看，虚拟样机技术应用到不同的领域就有不一样的定义。

2.1.2 虚拟样机代表性的论述

（1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法；

（2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发(Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现；

（3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术；

（4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统；

（5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一

个全新的设计方法。

2.1.3 DMSO 虚拟样机定义

在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义。DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程.

2.2 ADAMS软件

2.2.1 软件简介

2.2.2 软件应用

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。在这里将以Windows 2000版的ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。

2.2.3 ADAMS软件模块

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表3-1所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。

基本模块用户界面模块ADAMS／View

求解器模块ADAMS／Solver

后处理模块ADAMS／PostProcessor

扩展模块液压系统模块ADAMS/Hydraulics

振动分析模块ADAMS/Vibration

线性化分析模块ADAMS/Linear

高速动画模块ADAMS/Animation

试验设计与分析模块ADAMS/Insight

耐久性分析模块ADAMS/Durability

数字化装配回放模块ADAMS/DMU Replay

接口模块柔性分析模块ADAMS/Flex

控制模块ADAMS/Controls

图形接口模块ADAMS/Exchange

CATIA专业接口模块CAT/ADAMS

Pro/E接口模块Mechanical/Pro

专业领域模块轿车模块ADAMS/Car

悬架设计软件包Suspension Design

概念化悬架模块CSM

驾驶员模块ADAMS/Driver

动力传动系统模块ADAMS/Driveline

轮胎模块ADAMS/Tire

柔性环轮胎模块FTire Module

柔性体生成器模块ADAMS/FBG

经验动力学模型EDM

发动机设计模块ADAMS/Engine

配气机构模块ADAMS/Engine Valvetrain

正时链模块ADAMS/Engine Chain

附件驱动模块Accessory Drive Module

铁路车辆模块ADAMS/Rail

FORD汽车公司专用汽车模块ADAMS/Pre(现改名为Chassis)

工具箱软件开发工具包ADAMS/SDK

虚拟试验工具箱Virtual Test Lab

虚拟试验模态分析工具箱Virtual Experiment Modal Analysis

钢板弹簧工具箱Leafspring Toolkit

飞机起落架工具箱ADAMS/Landing Gear

履带/轮胎式车辆工具箱Tracked/Wheeled Vehicle

齿轮传动工具箱ADAMS/Gear Tool

2.2.4 特点综合

1. 新的在线帮助系统以及PDF格式文件，方便打印

在MD Adams中，MSC.Software 引入了一套新的电子在线帮助系统。MD Adams 和MD Adams/Car 的用户可以使用整个帮助系统。在帮助系统的目录表中，按照模块进行组织，更方便信息的查找和搜索。

对MD Adams/View 中的命令语言，新加帮助，对MD Adams/Vibration模

块新加了新的理论手册。

为方便打印，帮助文档提供了所有帮助文档的PDF格式。

2. 输出线形模型，可用于在NASTRAN中进行进一步的振动性能分析

MD Adams/Vibration的一个新功能就是Adams2Nastran功能，该功能可以输出线形模型，用于在NASTRAN中进行进一步的振动性能分析。此功能将线性化后的ADAMS模型封装为Nastran 的DMIG 输入形式。一旦输出完成，用户能够利用NASTRAN强大的频响分析的功能，对系统进行精确的NVH分析和较高频域范围内系统的响应分析。

3. 在3D接触分析中，用于处理球体新的分析方法

当模型中存在3D的球体接触碰撞时，为了得到更为精确的结果，加强了接触计算的算法，即使用真实的几何来代表球体。同旧的将球体表面用小平面表示的方法相比，这种算法解算的速度明显加快。例如，如右图所示的滚珠轴承模型，解算的速度提高3.1倍。

这种算法的另一个好处是接触载荷计算的精度提高。右图所示的曲线图显示旧的算法（黑色曲线）和新的算法（红色曲线）所得到的接触载荷的区别所在。

4. 仿真过程中时变累计质量的计算

新版本中开发了新的实用子程序，可以自动地计算仿真过程中时变的系统累计质量。

新的解算器可以完成多体系统质量的计算，包括刚性体和弹性体。

5. 对频响仿真节点的应力和应变结果的曲线绘制

MD Adams 新版本支持绘制由于强迫载荷激励载荷输入引起的在弹性体上应力应变的结果曲线。利用此功能，可以让分析人员快速地进行“what-if”的研究，同时考虑系统多体动力学特性和结构的影响。

6. MD Adams/Car Mechatronics汽车机电模块

MD Adams/Car Mechatronics（汽车机电模块）为新的模块，该模块极大地加强了Adams/Car和Adams/Controls的集成。新模块的宗旨是在Car模型下标准化控制系统的实现。

使用新的机电模块，你可以很容易地对你的车辆控制系统性能的参数影响

进行仿真，控制器的开/关只需要简单地在控制器上切换一下即可。

信号控制器，作为机电模块的一部分，可以在整个系统装配时连接控制系统和机械系统。

7. C++ Solver 支持Adams/Car

Adams/Car 的模型现在可以使用C++ Solver解算了，用户可以利用新的HHT积分器以提高解算速度。MD Adams/Tire 和MD Adams/SmartDriver 模块也支持新的C++ Solver。

新的C++ Solver 提供分析偏微分方程的功能，因而精度更高也更稳定。同时还支持基于传动系统建立的一般状态方程（GSE），并改进了包含弹性体和钢板弹簧的模型。

8. 更精确的动态悬架分析

现在，MD Adams 具有的功能可以利用动态悬架试验台对悬架模型完成更为真实的动态悬架分析。此新功能将悬架运动的动态影响考虑在内，因而可以提高仿真的精度。

用户同样可以使用RPC 格式的文件作为运动驱动，这一点对于悬架系统及其零部件的耐久性能分析则为至关重要的。

9. 用于轮胎分析的新试验台

轮胎试验台更为快速地进行多个轮胎模型的比较。可以为不同的轮胎模型自动地生成轮胎特性比较需要的各种曲线图。这种高度自动化的分析功能界面有助于你对各种轮胎模型的品质以及轮胎数据库快速地分析比较。

2.3 本章小结

本章主要介绍了虚拟样机技术，其中重点讲述了应用最广泛的仿真软件ADAMS 的功能、特点等。

第三章动力辊筒结构设计

3.1 基本设计要求

本课题来源于教师的横向科研项目“板材送料系统”的子课题“动力辊筒线的设计与研制”。动力辊筒线是生产线上常用的机械输送装备，转弯滚筒线标准转弯内半径为600、900、1200mm等，也可根据需求采用其它特殊规格。直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、 60、76、89mm等。本课题研究的动力辊筒线尺寸达到1600mm，并且具有90°的转弯部分。

3.1.1 屋面材料情况简述

其中屋面2400*1200mm型屋面材料为公司生产的标准产品，尺寸为

2400mm*1200mm，重量不大于100kg，厚度为12//10/6/8/4mm，生产过程中表面温度不高于80℃，2400*1200mm型屋面材料如图1~2所示。

图3-1 堆叠的屋面材料图3-2 不同厚度的屋面材料

在实际生产过程中，屋面材料放置在搬运小车上，搬运小车置于摆渡车上，在摆渡车上的堆叠高度不大于1200mm。堆叠的屋面材料每隔12块左右有一块不锈钢垫板相隔，特别强调：屋面材料彼此之间有一定粘连，屋面材料的堆叠示意图如图3所示。