一種基于MATLAB的V帶傳送可靠性分析方法

孫玉龍，劉凱飛，楊松林

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

對MATLAB軟件系統(tǒng)的應(yīng)用方便了工程與機(jī)械設(shè)計(jì)的計(jì)算和優(yōu)化，大量可靠性實(shí)例的介紹為機(jī)械工程領(lǐng)域的科研人員提供了更多的學(xué)習(xí)與借鑒機(jī)會(huì)，許多成功技術(shù)已被應(yīng)用于實(shí)際工作之中。對機(jī)械中V帶摩擦力的研究，應(yīng)用MATLAB軟件更為方便、快捷和準(zhǔn)確。V帶的傳動(dòng)是一種應(yīng)用廣泛的傳動(dòng)系統(tǒng)，輪槽側(cè)面與V帶兩側(cè)面壓緊產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)V帶運(yùn)轉(zhuǎn)，這種傳動(dòng)功率大，而且傳動(dòng)平穩(wěn)。為防止V帶傳動(dòng)中的失效現(xiàn)象，有必要進(jìn)行V帶的可靠性研究。傳統(tǒng)的V帶設(shè)計(jì)方法繁瑣、效率低，而應(yīng)用MATLAB軟件對機(jī)械中V帶傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，語法符合工程設(shè)計(jì)語言要求，不僅初始參數(shù)輸入簡單，而且編程工作任務(wù)量小，優(yōu)越性十分明顯［1］。利用MATLAB針對工程設(shè)計(jì)編寫計(jì)算程序簡潔高效，能夠提高可靠性分析計(jì)算的工作效率。其仿真功能可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)結(jié)果圖像的顯示可視化操作，簡化了傳統(tǒng)方法機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)步驟，在設(shè)計(jì)程序正常運(yùn)行的情況下，可以很直觀地展現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的目標(biāo)構(gòu)造與參數(shù)情況，為機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)提供了便利條件。基于MATLAB的可靠性快速算法的研究具有較大的工程實(shí)用價(jià)值［2－4］。

1 計(jì)算子系統(tǒng)制作流程圖

實(shí)用V帶傳送實(shí)例要有參考結(jié)構(gòu)圖，可以修改輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)不同需求下的結(jié)果。在MATLAB中編程輸入?yún)?shù)可變的可靠性分析計(jì)算的過程，然后再設(shè)計(jì)實(shí)例界面。其流程圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算子系統(tǒng)制作流程圖Fig.1 Calculation subsystem production flow chart

2 模型建立及程序編譯

2.1 傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

在實(shí)際工程中，機(jī)械過載時(shí)帶在帶輪上打滑及帶的疲勞損壞是V帶傳動(dòng)的主要失效形式，因此，不發(fā)生打滑失效的可靠度及疲勞強(qiáng)度可靠度是影響對V帶可靠度分析的2個(gè)重要方面［5－8］。

1）不發(fā)生打滑失效的可靠度計(jì)算

機(jī)械正常運(yùn)行，帶傳遞過程中V帶傳動(dòng)不打滑的條件是:

變差系數(shù)CFmax＝CF0；

標(biāo)準(zhǔn)差σFmax＝CFmaxFmax；

再進(jìn)行正態(tài)分布函數(shù)計(jì)算后，即可得出V帶傳動(dòng)不發(fā)生打滑失效的可靠度R1＝φ（ZR1）。

2）疲勞強(qiáng)度可靠度計(jì)算

按照常規(guī)設(shè)計(jì)理論要求，要保證設(shè)計(jì)出的V帶傳動(dòng)在預(yù)定的工作期間內(nèi)正常工況條件下不會(huì)發(fā)生疲勞損壞，滿足V帶傳動(dòng)的計(jì)算功率Pca≤［P0］條件即可，因此，V帶傳動(dòng)不發(fā)生疲勞損壞的可靠度為

表1 V帶帶型系數(shù)表Tab.1 V－belt type coefficient

2.2 MATLAB程序的編譯

2.2.1 不發(fā)生打滑的可靠度

2.2.2 疲勞強(qiáng)度可靠度計(jì)算

3 程序調(diào)試及實(shí)例驗(yàn)證

3.1 V帶傳送軟件設(shè)計(jì)原則

1）保證軟件功能齊全，輸出參數(shù)值，計(jì)算不打滑情況下和疲勞失效情況下的可靠度。

2）保證軟件應(yīng)用界面美觀，從應(yīng)用者的角度考慮界面布局，構(gòu)造結(jié)構(gòu)清晰，應(yīng)用方便的界面。

3）利用GUI設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)草圖總體布局［11］，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4）編寫程序完成計(jì)算器的各項(xiàng)功能［12］，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。

3.2 建立圖形界面

1）初步布局 在MATLAB的主窗口中選擇File菜單中的New菜單項(xiàng)，再選擇其中的GUI命令，顯示GUI的設(shè)計(jì)模板，根據(jù)流程圖將控件選擇區(qū)的相應(yīng)控件拖拉到設(shè)計(jì)工作區(qū)的相應(yīng)位置［13］。

2）格式調(diào)整 修改控件屬性控件狀態(tài)具有統(tǒng)一的格式，它與用戶的界面設(shè)計(jì)要求不會(huì)完全一致，需要根據(jù)使用者的要求對其屬性進(jìn)行重新設(shè)置，以獲得所需界面的顯示效果。點(diǎn)擊Static Txt功能按鈕建立靜態(tài)文本框，雙擊，打開控件屬性對話框，屬性對話框的交互界面以列表的形式給出該控件的每一項(xiàng)屬性［14－15］。例如輸入所需要的文字、字體種類、大小、背景顏色等。

3）界面激活 完成屬性設(shè)置，保存靜態(tài)界面設(shè)置后，點(diǎn)擊工具欄上的運(yùn)行按鈕，激活該界面。在激活后，形成2個(gè)同名文件:vdai1.m和vdai1.fig。vdai1.m文件在M文本編輯器中可以打開，顯示為操作界面，但是無法實(shí)現(xiàn)任何功能，需要編寫回調(diào)函數(shù)。

4）程序編號 代碼程序編寫包括:插入圖片、初始參數(shù)的設(shè)定及運(yùn)算代碼的輸入、數(shù)據(jù)保護(hù)、數(shù)據(jù)傳遞、界面調(diào)用等［16－18］。

3.3 系統(tǒng)的集成與調(diào)試

按前述流程，編寫程序，繪制圖形，開發(fā)界面，再將三者集成、運(yùn)行、調(diào)試，直至完成系統(tǒng)規(guī)定的所有功能。系統(tǒng)運(yùn)行開發(fā)界面如圖2與圖3所示。

圖2 開始界面Fig.2 Start interface

觀察MATLAB圖2主界面命令窗口，選擇需要計(jì)算的類別，在彈出的圖3二級界面中，鍵入原始參數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)算，即可迅速得到相應(yīng)可靠性計(jì)算結(jié)果；調(diào)試過程如果發(fā)現(xiàn)有問題，則需打開主程序m文件，找到錯(cuò)誤區(qū)間進(jìn)行修正，再次調(diào)試，直至最后完成。

3.4 實(shí)例驗(yàn)證

某機(jī)械設(shè)備采用普通V帶傳動(dòng)，設(shè)備的電動(dòng)機(jī)功率P＝（15±2）kW，轉(zhuǎn)速n1＝（730±15）r/min，傳動(dòng)比i＝3.87，采用5根長度Ld＝6 300mm的V型帶傳動(dòng)，有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)為小帶輪直徑d1＝224 mm，包角α1＝163.6（2.855rad），帶傳動(dòng)的張緊力F0＝（1 600±120）N。取工況系數(shù)為KA＝1.6，帶與帶輪間當(dāng)量摩擦系數(shù)fv＝2.038，傳動(dòng)過載量為正常載荷的1.6倍。把實(shí)例的參數(shù)輸入，點(diǎn)擊計(jì)算，即可得到該普通V帶傳動(dòng)不發(fā)生打滑失效的可靠度R1＝99.47%，不發(fā)生疲勞損壞的可靠度R2＝92.62%。

圖3 二級界面疲勞強(qiáng)度可靠度計(jì)算Fig.3 Interface of fatigue strength reliability calculation

4 結(jié) 語

通過MATLAB對V帶傳送系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析與計(jì)算，只需在軟件中更改不同V帶傳送的已知參數(shù)，即可獲得不發(fā)生打滑失效的可靠度以及疲勞強(qiáng)度可靠度的計(jì)算結(jié)果，有效地解決了傳統(tǒng)算法與分析的繁瑣復(fù)雜，節(jié)省了大量時(shí)間。原始初始參數(shù)輸入簡單，計(jì)算迅速，為V帶傳送系統(tǒng)的可靠性分析計(jì)算提供了一種有效便捷的方法。

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