基于VB的帶傳動的數字化設計程序開發

韓小偉，夏小群

（1.中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，廣東深圳518054；2.嶺南師范學院機電工程學院，廣東湛江524048）

0 引言

帶傳動是通過中間撓性件傳遞運動和動力的結構，適用于兩軸中心距較大的場合[1]。在這種場合下，與應用廣泛的齒輪傳動相比，帶傳動具有結構簡單、成本低廉等優點，被廣泛應用于各種機械結構[2]。隨著工程應用技術的發展，機械產品的設計周期越來越短，手工設計因為靈活性差已無法滿足工程應用的要求[3]。設備及工作系統的數字化設計是近年來研究工作的一個熱點所在[4]。采用數字化設計技術不僅有利于提高帶傳動的設計質量，而且能夠縮短設計時間和降低設計成本[5]。鑒于帶傳動的手工設計方法存在著工作量大，設計繁瑣的特點，本文以VB為開發工具，進行了了平帶、V帶和多楔帶三類帶傳動的參數化設計系統的開發。

本文所開發的帶傳動數字化設計系統具有3個優點：（1）適用面廣。涵蓋了平帶、V帶和多楔帶等三種主要帶傳動系統；（2）自動化程度較高。用戶只需選擇帶傳動類型并輸入少數幾個關鍵參數，即可達到全部帶傳動系統機構的幾何參數；（3）柔性高。在設計過程中用戶可以隨時干預設計進程，更改設計選項和參數，將用戶的設計意圖體現在設計結果中。

經實例驗證，該軟件可以有效地提高設計效率，減少設計人員的工作量，提高設計準確率[6]。這里以V帶設計過程來說明程序的設計過程。

1 系統功能及軟件結構

1.1 系統功能

帶傳動數字化設計系統可以實現平帶、V帶和多楔帶3類帶傳動的參數化設計，主要包括帶輪參數設計、帶參數設計以及傳動過程中的載荷計算和強度校核。每一種類型帶傳動的主要設計功能包含：帶型號的確定、帶輪基準直徑的確定、帶基準長度和中心距的確定、輪軸上的壓力計算以及帶輪的結構參數設計。

（1）帶型號的確定。根據用戶的設計要求，主要根據小帶輪轉速和計算功率，系統根據后臺的選型算法，確定出帶的型號。

（2）帶輪基準直徑的確定。根據傳動比要求，在國標推薦標準中選取合適的大、小帶輪基準直徑。

（3）帶基準長度和中心距的確定。將設計要求中的中心距作為初選的中心距至，通過幾何關系初算帶的基準長度，再選擇數值相近且符合國家標準的基準長度，并再次核定最終的中心距。

（4）輪軸上的壓力計算。根據帶型和傳遞功率以及所計算出來的包角系數，計算輪軸上的壓力，并作為帶輪的選型和結構參數的依據。

（5）帶輪的結構參數設計。根據帶帶型好選擇槽型號，并根據帶輪直徑選擇帶輪結構為孔板式結構、輪輻式結構或實心結構，最后根據國標計算輪槽的關鍵尺寸，如基準寬度、槽深、槽間距、槽邊距等。

1.2 軟件結構

系統采用VB集成開發環境，主要模塊包含：數據輸入模塊、計算模塊、校核模塊、數據儲存模塊和數據輸出模塊等。數據輸入模塊是人機交互的重要模塊，主要是根據設計要求將各種設計參數輸入系統，并賦值給計算模塊中的變量；計算模塊根據設計原理計算所需要的參數；數據儲存模塊的功能是將輸入參數、中間參數和輸出參數進行保存；數據輸出模塊是將結果進行輸出。圖1所示為V帶設計過程中的交互界面之一。

圖1 V帶設計的交互界面之一

本文運用Windows DNA框架對帶傳動系統的設計原理進行了分層設計，其軟件層次結構如圖2所示。在該結構中，業務邏輯層是該體系的最重要部分，包含三種類型的帶傳動的參數化設計，也是該軟件系統的主要功能部分；表示層用來完成人機交互，提供用戶輸入參數的界面；數據服務層是軟件系統的數據存儲中心，為所有數據流入和流出的核心部位，同時為軟件系統與數據庫管理系統提供標準的ADO接口。

圖2 軟件系統結構層次

2 設計流程

根據V帶傳動設計原理[7-8]，程序設計的輸入參數包括：小帶輪轉速、大帶輪的轉速以及所傳遞的額定功率。主要的輸出參數有：帶型、小帶輪基準直徑、大帶輪的基準直徑，基準長度、實際中心距和V帶根數。程序運算過程涉及的參數有：工況系數、帶速、初定中心距、初定基準帶長、小帶輪包角、單根帶基本額定功率、單根帶額定功率增量、帶長修正系數、包角修正系數、單位長度質量。基于系統要求和設計原理，程序設計流程如圖3所示。

圖3 V帶設計流程

3 典型數據處理方法

帶傳動設計過程中涉及到眾多表格和圖形的取值，在程序編寫過程中使用的幾種典型的數據處理方法主要有圖形函數化取值法、表格數組化處理方法及數據庫查詢處理法。

3.1 圖形函數化取值法

圖形函數化取值法主要使用在帶型的選擇中。由于V帶選型圖為非等刻度，且選型圖被5條直線將V帶的選型圖劃分成6個區域。本文通過將5條直線公式化，采用對數函數進行坐標變換得到等分刻度坐標系。坐標變換公式為：

式中：Pca為計算功率，kW；n1為小帶輪轉速，r/min。

具體選型算法為：（1）當y-1.795x-5.4>0時，選Z型；（2）當y-1.795x-5.4≤0，y-1.204x+1.445>0時選A型；（3）當y-1.204x+1.445≤0，y-1.122x+6.283>0時選B型；（4）當y-1.122x+6.283<0，y-1.481x+16.889≥0時選C型；（5）當y-1.481x+16.889<0，y-1.207x+21.483≥0時選D型；（6）當y-1.207x+21.483<0時選E型。

3.2 表格數組化處理方法

對于設計過程中非二維數據表格進行查詢的問題，本文使用了將表格數組化處理的方法。在工況系數查詢過程中，需要以3個參數為邊界條件來確定一個輸出值，即需要由在和變動情況、啟動情況和每天工作小時數來確定工況系數。系統將載荷情況、啟動情況、每天工作小時數和工況系數各用一個一維數組來存儲數據，并通過將前3個參數進行排列組合的方式賦值給另一個三維數組，最后通過三維數組與工況系數數組的對應情況來確定工況系數。具體代碼如下：

kasz=Array(1,1.1,1.2,1.1,1.2,1.3,1.1,1.2,1.3,1.2,1.3,1.4,1.2,1.3,1.4,1.4,1.5,1.6,1.3,1.4,1.5,1.5,1.6,1.8)′儲存工況系數的所有值

zaiheb=Array（"載荷變動微小","載荷變動小","載荷變動較大","載荷變動很大"）′一維數組存放載荷情況數據

qidongb=Array（"空、輕載啟動","重載啟動"）'一維數組存放啟動情況

shichangb=Array（"<10","10-16",">16"）'一維數組存放工作小時數情況

3.3 數據庫查詢取值法

系統在執行數據查詢中，借助VB可以外接可視化數據管理器的優勢，借助Microsoft Office Access關系數據庫，利用結構化查詢語句（SQL）實現了后臺對數據進行查詢[9、10]。與外部數據庫進行連接的具體代碼如下。

本文在對V帶的基準直徑數據、V帶的基準帶長及帶長修正系數數據的查詢、計算參數的保存、輸出參數的保存等都使用了數據庫進行管理。

4 實例驗證

設計要求為：已知電動機功率P=3 kW，轉速n1=1 420 r/min，減速器輸入轉速n2=410 r/min，兩班制工作，載荷變動較小；要求中心距a<600 mm；設計電動機與減速器之間的普通V帶傳動。

通過使用本文編寫的程序進行設計后，其主要設計結果與傳統設計方法的設計結果對比情況如表1所示。

表1 兩種設計方法的結果對比情況

系統設計的帶型、小帶輪直徑、大帶輪直徑、傳動比、計算功率以及帶的根數與傳統設計的結果一致；中心距在amin~amax這個可調整的變動范圍之間；小帶輪包角誤差在2°以內；初拉力和軸上壓力的計算值與傳統設計的計算值的誤差范圍為10%以內。設計結果表明該系統與傳統設計結果基本一致，具有一定的可靠度，基本可以替代傳統設計方法。

5 結束語

本文在3種典型帶傳動系統的設計原理的基礎上，進行了軟件功能分析，并設計了軟件系統的分層結構。基于機械設計過程的特殊性，對關鍵的圖標參數的處理主要使用了圖形函數化處理法、表格數組化處理法等。對數據的管理，主要使用ADO技術與關系數據庫相連實現數據存儲。軟件系統實現了帶、V帶和多楔帶3類帶傳動的參數化設計，主要包括帶輪參數設計、帶參數設計以及傳動過程中的載荷計算和強度校核。設計了一組V帶傳動實例，與傳統設計的結果相比，本系統設計結果準確率較高，且設計過程快捷。實例運算過程中，軟件運行流暢、自動化程度高，說明本軟件系統的具有一定的設計可行性。