一种基于MATLAB的V带传送可靠性分析方法

2015-03-19孙玉龙刘凯飞杨松林

河北工业科技 2015年6期

孙玉龙，刘凯飞，杨松林

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018）

对MATLAB软件系统的应用方便了工程与机械设计的计算和优化，大量可靠性实例的介绍为机械工程领域的科研人员提供了更多的学习与借鉴机会，许多成功技术已被应用于实际工作之中。对机械中V带摩擦力的研究，应用MATLAB软件更为方便、快捷和准确。V带的传动是一种应用广泛的传动系统，轮槽侧面与V带两侧面压紧产生的摩擦力带动V带运转，这种传动功率大，而且传动平稳。为防止V带传动中的失效现象，有必要进行V带的可靠性研究。传统的V带设计方法繁琐、效率低，而应用MATLAB软件对机械中V带传动系统进行可靠性优化设计，语法符合工程设计语言要求，不仅初始参数输入简单，而且编程工作任务量小，优越性十分明显［1］。利用MATLAB针对工程设计编写计算程序简洁高效，能够提高可靠性分析计算的工作效率。其仿真功能可以实现对设计结果图像的显示可视化操作，简化了传统方法机械可靠性设计中的设计步骤，在设计程序正常运行的情况下，可以很直观地展现设计产品的目标构造与参数情况，为机械可靠性设计提供了便利条件。基于MATLAB的可靠性快速算法的研究具有较大的工程实用价值［2－4］。

1 计算子系统制作流程图

实用V带传送实例要有参考结构图，可以修改输入参数，实现不同需求下的结果。在MATLAB中编程输入参数可变的可靠性分析计算的过程，然后再设计实例界面。其流程图如图1所示。

图1 计算子系统制作流程图Fig.1 Calculation subsystem production flow chart

2 模型建立及程序编译

2.1 传动数学模型的建立

在实际工程中，机械过载时带在带轮上打滑及带的疲劳损坏是V带传动的主要失效形式，因此，不发生打滑失效的可靠度及疲劳强度可靠度是影响对V带可靠度分析的2个重要方面［5－8］。

1）不发生打滑失效的可靠度计算

机械正常运行，带传递过程中V带传动不打滑的条件是:

变差系数CFmax＝CF0；

标准差σFmax＝CFmaxFmax；

再进行正态分布函数计算后，即可得出V带传动不发生打滑失效的可靠度R1＝φ（ZR1）。

2）疲劳强度可靠度计算

按照常规设计理论要求，要保证设计出的V带传动在预定的工作期间内正常工况条件下不会发生疲劳损坏，满足V带传动的计算功率Pca≤［P0］条件即可，因此，V带传动不发生疲劳损坏的可靠度为

表1 V带带型系数表Tab.1 V－belt type coefficient

2.2 MATLAB程序的编译

2.2.1 不发生打滑的可靠度

2.2.2 疲劳强度可靠度计算

3 程序调试及实例验证

3.1 V带传送软件设计原则

1）保证软件功能齐全，输出参数值，计算不打滑情况下和疲劳失效情况下的可靠度。

2）保证软件应用界面美观，从应用者的角度考虑界面布局，构造结构清晰，应用方便的界面。

3）利用GUI设计工具实现草图总体布局［11］，达到设计要求。

4）编写程序完成计算器的各项功能［12］，实现设计目的。

3.2 建立图形界面

1）初步布局在MATLAB的主窗口中选择File菜单中的New菜单项，再选择其中的GUI命令，显示GUI的设计模板，根据流程图将控件选择区的相应控件拖拉到设计工作区的相应位置［13］。

2）格式调整修改控件属性控件状态具有统一的格式，它与用户的界面设计要求不会完全一致，需要根据使用者的要求对其属性进行重新设置，以获得所需界面的显示效果。点击Static Txt功能按钮建立静态文本框，双击，打开控件属性对话框，属性对话框的交互界面以列表的形式给出该控件的每一项属性［14－15］。例如输入所需要的文字、字体种类、大小、背景颜色等。

3）界面激活完成属性设置，保存静态界面设置后，点击工具栏上的运行按钮，激活该界面。在激活后，形成2个同名文件:vdai1.m和vdai1.fig。vdai1.m文件在M文本编辑器中可以打开，显示为操作界面，但是无法实现任何功能，需要编写回调函数。

4）程序编号代码程序编写包括:插入图片、初始参数的设定及运算代码的输入、数据保护、数据传递、界面调用等［16－18］。

3.3 系统的集成与调试

按前述流程，编写程序，绘制图形，开发界面，再将三者集成、运行、调试，直至完成系统规定的所有功能。系统运行开发界面如图2与图3所示。

图2 开始界面Fig.2 Start interface

观察MATLAB图2主界面命令窗口，选择需要计算的类别，在弹出的图3二级界面中，键入原始参数，点击计算，即可迅速得到相应可靠性计算结果；调试过程如果发现有问题，则需打开主程序m文件，找到错误区间进行修正，再次调试，直至最后完成。

3.4 实例验证

某机械设备采用普通V带传动，设备的电动机功率P＝（15±2）kW，转速n1＝（730±15）r/min，传动比i＝3.87，采用5根长度Ld＝6 300mm的V型带传动，有关设计参数为小带轮直径d1＝224 mm，包角α1＝163.6（2.855rad），带传动的张紧力F0＝（1 600±120）N。取工况系数为KA＝1.6，带与带轮间当量摩擦系数fv＝2.038，传动过载量为正常载荷的1.6倍。把实例的参数输入，点击计算，即可得到该普通V带传动不发生打滑失效的可靠度R1＝99.47%，不发生疲劳损坏的可靠度R2＝92.62%。

图3 二级界面疲劳强度可靠度计算Fig.3 Interface of fatigue strength reliability calculation

4 结语

通过MATLAB对V带传送系统进行可靠性分析与计算，只需在软件中更改不同V带传送的已知参数，即可获得不发生打滑失效的可靠度以及疲劳强度可靠度的计算结果，有效地解决了传统算法与分析的繁琐复杂，节省了大量时间。原始初始参数输入简单，计算迅速，为V带传送系统的可靠性分析计算提供了一种有效便捷的方法。

［1］卞春雨.MATLAB的应用分析［J］.科技传播，2010，3（4）:118－120.

BIAN Chunyu.Application and analysis of MATLAB［J］.Science and Technology Communication，2010，3（4）:118－120.

［2］陈胜军.基于MATLAB的可靠度快速算法［J］.机械设计，2007，24（5）:43－44.

CHEN Shengjun.Rapid algorithm of reliability based on MATLAB［J］.Journal of Machine Design，2007，24（5）:43－44.

［3］叶秉良.MATLAB在机械可靠性优化设计中的应用［J］.煤矿机械，2006，27（11）:15－18.

YE Bingliang.Application of MATLAB in optimal design of mechanism reliability［J］.Coal Mine Machinery，2006，27（11）:15－18.

［4］王玉林，葛蕾，李艳斌.新型界面开发工具:MATLAB/GUI［J］.无线电通信技术，2008，34（6）:50－52.

WANG Yulin，GE Lei，LI Yanbin.New－style interface development Tool MATLAB/GUI［J］.Radio Communications Technology，2008，34（6）:50－52.

［5］董立立，赵益萍，梁林泉，等.机械优化设计理论方法研究综述［J］.机床与液压，2010，38（15）:115－119.

DONG Lili，ZHAO Yiping，LIANG Linquan，et al.Review on theory and approach of mechanical optimization design［J］.Machine Tool and Hydarulics，2010，38（15）:115－119.

［6］梁秀山.窄V带传动系统的可靠性分析与设计［J］.石油矿场机械，2000，29（6）:37－39.

LIANG Xiushan.Reliability analysis and design of the narrow V－type belt drive system［J］.Oil Field Equipment，2000，29（6）:37－39.

［7］梁秀山.实用V带传动系统可靠度计算［J］.机械研究与应用，2003（3）:46－47.

LIANG Xiushan.The reliability calculation of V belt transmission system［J］.Mechanical Research ＆Application，2003（3）:46－47.

［8］叶秉良.基于SQP法的拖拉机最终传动可靠性优化设计［J］.农机化研究，2008，14（4）:5－8.

YE Bingliang.Reliability optimal design of tractor’s final transmission based on SQP algorithm［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2008，14（4）:5－8.

［9］田社平，韦红雨.基于MATLAB的机械零件可靠度计算方法［J］.机械设计与制造，2004，11（8）:3－4.

TIAN Sheping，WEI Hongyu.Computer reliability statistical value of mechanical elements based on MATLAB［J］.Machinery Design ＆Manufacture，2004，11（8）:3－4.

［10］席平原.应用MATLAB工具箱实现机械优化设计［J］.机械设计与研究，2003（6）:40－42.

XI Pingyuan.Application of MATLAB toolbox in mechanical optimization design［J］.Machine Design and Research，2003（6）:40－42.

［11］任重，谭秋林，蔡婷，等.基于MATLAB的内燃机曲柄连杆机构动力学GUI设计［J］.机械传动，2014，38（8）:92－95.

REN Zhong，TAN Qiulin，CAI Ting，et al.Design of dynamics GUI of the internal combustion engine crank based on MATLAB［J］.Journal of Mechanical Transmission，2014，38（8）:92－95.

［12］南洋，周静，孟开元，等.基于MATLAB的GUI的界面设计［J］.石油仪器，2008（6）:76－78.

NAN Yang，ZHOU Jing，MENG Kaiyuan，et al.The interface design of GUI based on MATLAB［J］.Petroleum Instrument，2008（6）:76－78.

［13］刘卫国.MATLAB程序设计教程［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

LIU Weiguo.MATLAB Programming Tutorial［M］.Beijing:China Water ＆Power Press，2010.

［14］孙鹏，高金耀，张涛.利用MATLAB实时处理GPS数据［J］.东海海洋，2004，22（1）:11－14.

SUN Peng，GAO Jinyao，ZHANG Tao.Real－time processing of GPS data using MATLAB［J］.Donghai Marine Science，2004，22（1）:11－14.

［15］李宝方，邢玉清.基于MATLAB GUI的数字图像处理仿真系统设计［J］.计算机与数字工程，2014，42（11）:2177－2180.

LI Baofang，XING Yuqing.Digital image processing simulation system based on MATLAB GUI［J］.Computer ＆Digital Engineering，2014，42（11）:2177－2180.

［16］李亚军，赵刚，王华，等.在MATLAB图形用户界面设计中使用ActiveX控件［J］.计算机与数字工程，2006，34（12）:55－56.

LI Yajun，ZHAO Gang，WANG Hua，et al.MATLAB GUI design with ActiveX control［J］.Computer ＆Digital Engineering，2006，34（12）:55－56.

［17］刘伟，刘光斌，吴红.Matlab图形用户界面编程的几点思考［J］.计算机系统应用，2003，8（11）:60－61.

LIU Wei，LIU Guangbin，WU Hong.Thinking on GUI programming based on Matlab［J］.Applications Computer Systems，2003，8（11）:60－61.