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| 張建偉 高俊巖 楊元鳳 叢 磊 【摘要】采用人工交互的設(shè)計(jì)系統(tǒng),對(duì)三足式沉降離心機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。文章闡述了這種輔助設(shè)計(jì)的步驟、基本設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能。 關(guān)鍵詞:離心機(jī);CAD ;優(yōu)化設(shè)計(jì) 離心機(jī)通常是指利用離心力來達(dá)到固—液,液—液,液—液—固分離操作的機(jī)械。主要用于脫水,濃縮,分離,澄清,凈化及固體顆粒分級(jí)等工藝過程,它廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。 三足式離心機(jī)是應(yīng)用的離心機(jī)。其適用范圍廣,對(duì)物料的適應(yīng)性強(qiáng)。其數(shù)量占各種分離機(jī)械總和的50 %左右。三足式沉降離心機(jī)因其針對(duì)的物料不同,常需進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是一種新興的設(shè)計(jì)方法,CAD 技術(shù)將計(jì)算機(jī)的快速性,準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)人員的邏輯思維及綜合分析能力結(jié)合起來,將大大減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,加快設(shè)計(jì)進(jìn)程,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。該設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于許多機(jī)械設(shè)計(jì)之中,如齒輪減速箱,轉(zhuǎn)鼓,彈簧等。 將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于三足式沉降離心機(jī)的設(shè)計(jì)之中,從而大大的提高了設(shè)計(jì)效率,優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù),為獲得*化的設(shè)計(jì)結(jié)果提供了可能。 1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 1. 1 結(jié)構(gòu)組成 三足式沉降離心機(jī),由轉(zhuǎn)鼓、主軸、軸承、殼體、帶傳動(dòng)組件（皮帶輪及皮帶等） 組成。 1. 2 初始基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫的建立 三足式沉降離心機(jī)的基本參數(shù)包括:轉(zhuǎn)鼓的直徑、轉(zhuǎn)鼓的工作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓的一次zui大加料量、物料密度、物料固液比、離心機(jī)由靜止到達(dá)工作轉(zhuǎn)速所需的啟動(dòng)時(shí)間等。對(duì)于這些參數(shù),設(shè)計(jì)軟件中利用FOXBASE 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將它們存儲(chǔ)起來,使用時(shí)通過字符變量去調(diào)用。這樣做使大量的已知數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)查詢,減少了不必要的（大量重復(fù)的） 人機(jī)交互過程,提高了運(yùn)算速率。 1. 3 基本設(shè)計(jì)思路 基本設(shè)計(jì)思路是計(jì)算機(jī)參與設(shè)計(jì)過程的每個(gè)環(huán)節(jié),其過程示意如圖1 所示。計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)人員提出的設(shè)計(jì)要求和基本原始數(shù)據(jù),進(jìn)行大量而又快速的分析計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)直至繪圖工作。設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來判斷設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足預(yù)定的要求,并根據(jù)人機(jī)對(duì)話的方式,提出修改方案的信息,這樣就將傳統(tǒng)的人工計(jì)算、人工繪圖的設(shè)計(jì)過程,用的人機(jī)組合設(shè)計(jì)過程所代替。 對(duì)于三足式沉降離心機(jī)這樣一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu),采用分布驟設(shè)計(jì),公用區(qū)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的原則。 2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能 通過對(duì)三足式沉降離心進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,確定該計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總功能。包括以下四部分:  2. 1 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的*化設(shè)計(jì) 2. 1. 1 目標(biāo)函數(shù)的確定 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)選為轉(zhuǎn)鼓的質(zhì)量。質(zhì)量為zui小,一方面可節(jié)省機(jī)器造價(jià);另一方面可以降低離心機(jī)的啟動(dòng)功率,降低消耗。 2. 1. 2 約束條件的確定 約束條件包括三個(gè)方面: （1） 應(yīng)力約束 σmax ≤[σ] σmax為轉(zhuǎn)鼓的zui大應(yīng)力,它通過軸對(duì)稱有限元計(jì)算程序得到。該有限元程序已經(jīng)過轉(zhuǎn)鼓應(yīng)變實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 [σ]為轉(zhuǎn)鼓材料的許用應(yīng)力, [σ] = min{σS/ ns ,σb/ nb} ,根據(jù)所分離物料選擇所需的材質(zhì),由此確定材料的屈服極限,強(qiáng)度極限和安全系數(shù)。進(jìn)而確定許用應(yīng)力。 （2） 位移約束 Umax ≤[ U ] 即所有點(diǎn)的zui大位移小于等于允許位移。 （3） 幾何約束 又稱為剛性約束。 V min ≥[ V ] 2. 1. 3 圖形輸出 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算出的參數(shù)結(jié)果,直觀地用計(jì)算機(jī)顯示出圖形,并用繪圖機(jī)輸出。 同時(shí),對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)鼓,計(jì)算出其各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,并匯總成總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,并將該數(shù)據(jù)存入公用數(shù)據(jù)區(qū)。 2. 2 確定電動(dòng)機(jī)功率 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算,是建立在使整個(gè)電動(dòng)機(jī)功率消耗在以下幾方面的基礎(chǔ)上: （1） 啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓達(dá)到工作轉(zhuǎn)速所消耗的功率。 （2） 啟動(dòng)物料達(dá)到工作轉(zhuǎn)速所消耗的功率。 （3） 轉(zhuǎn)鼓與空氣摩擦消耗的功率。 （4） 軸與軸承摩擦消耗的功率。 計(jì)算時(shí)調(diào)用公用區(qū)的數(shù)據(jù),zui后計(jì)算得到的結(jié)果需由控制模塊引導(dǎo)到人工判別功能區(qū),與電機(jī)樣本給定數(shù)據(jù)進(jìn)行判別,從而選擇合適的電機(jī),并將此電機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)再存入公用數(shù)據(jù)區(qū)。 2. 3 皮帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及皮帶輪設(shè)計(jì) 從公用區(qū)中調(diào)出必要的電機(jī)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),進(jìn)行帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算,zui后確定出帶的根數(shù)、帶中心距和帶對(duì)軸的拉力等數(shù)據(jù)存入公用區(qū),并進(jìn)行帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),繪制出帶輪結(jié)構(gòu)圖。 2. 4 軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 2. 4. 1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 按軸的材料和結(jié)構(gòu)要求,調(diào)用公用區(qū)的部分?jǐn)?shù)據(jù),確定出軸的各部分直徑,校核軸的強(qiáng)度。 2. 4. 2 軸系的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算 離心機(jī)為高速回轉(zhuǎn)機(jī)械,主軸的轉(zhuǎn)速較高,若主軸的工作轉(zhuǎn)速靠近軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速,則可能發(fā)生共振,轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜止件相碰撞,發(fā)生嚴(yán)重的事故。應(yīng)用解析法計(jì)算出離心機(jī)這一單轉(zhuǎn)子軸系的臨界轉(zhuǎn)速,與軸的工作轉(zhuǎn)速比較判斷是否可行,若不可行,則回到3. 4. 1 節(jié)修改軸的結(jié)構(gòu)尺寸,重新校核,直到可行為止。 2. 4. 3 滾動(dòng)軸承的選擇與計(jì)算校核 根據(jù)載荷和軸的轉(zhuǎn)速選定軸承,然后運(yùn)行滾動(dòng)軸承校核的程序,輸出軸承的壽命。人工判斷是否可行。 整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)為基本自動(dòng)設(shè)計(jì)型系統(tǒng),主機(jī)為內(nèi)存64M以上的微機(jī),并配有繪圖軟件資源UNIX操作系統(tǒng)。 3 模塊劃分 程序系統(tǒng)分為計(jì)算部分和圖形部分。計(jì)算部分的功能塊見圖2 所示。  （1） OPTB 轉(zhuǎn)鼓的優(yōu)化設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 （2） MPC 電機(jī)功率計(jì)算 （3） GBD 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 （4） GSH 軸系計(jì)算 這些操作在程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中處在第二層,它們的每一塊還可用自頂向下的方法逐步分解為更小的模塊,圖3 以優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓為例,給出了模塊的進(jìn)一步分解。  4 結(jié)束語 三足式沉降離心機(jī)的設(shè)計(jì),本身即為一項(xiàng)較復(fù)雜的設(shè)計(jì)。其計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作也較復(fù)雜,采用全自動(dòng)的連續(xù)式設(shè)計(jì)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)困難,甚至是不可能的。因此,這里采用人機(jī)交互的設(shè)計(jì)系統(tǒng),對(duì)每一個(gè)階段性工作結(jié)果由設(shè)計(jì)者進(jìn)行評(píng)價(jià)、選定、滿意時(shí)則進(jìn)行下一步工作,不滿意時(shí)則返回,重新工作,直至獲得滿意結(jié)果為止。運(yùn)行程序過程中,需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行操作時(shí),則在顯示屏上顯示出供選擇的菜單,為設(shè)計(jì)者的操作提供方便。 |
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