時間：2022-03-18 22:59:25
導(dǎo)語：在機械優(yōu)化設(shè)計論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：《機械優(yōu)化設(shè)計》；形象化；實踐；教學(xué)方法
中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）39-0098-02
優(yōu)化設(shè)計是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門新學(xué)科，它是將最優(yōu)化原理和計算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域，為工程設(shè)計提供一種重要的科學(xué)設(shè)計方法。利用這種新的設(shè)計方法，人們可以從眾多的設(shè)計方案中尋找出最佳設(shè)計方案，從而大大提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。最優(yōu)化設(shè)計成功運用于機械設(shè)計還是在20世紀60年代后期，雖然發(fā)展時間不長，但是發(fā)展迅速。在機構(gòu)綜合、機械零部件設(shè)計、專用機械設(shè)計和工藝設(shè)計方面都得到了應(yīng)用并取得了一定的成果[1-3]。目前國內(nèi)許多高校機械專業(yè)都開設(shè)了《機械優(yōu)化設(shè)計》這門課程。通過《機械優(yōu)化設(shè)計》這門課程的學(xué)習(xí)，首先應(yīng)當(dāng)使學(xué)生具有優(yōu)化的思想，了解一些優(yōu)化方法的原理，掌握一些優(yōu)化的方法，為以后更好的工作打下扎實的基礎(chǔ)。但是本課程中一些枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及公式難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并使學(xué)生較快掌握一些優(yōu)化方法，一直是筆者在從事《機械優(yōu)化設(shè)計》課程教學(xué)中思考的問題。下面介紹筆者在從事《機械優(yōu)化設(shè)計》課程中采用的一些方法和經(jīng)驗。
一、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情
學(xué)習(xí)《機械優(yōu)化設(shè)計》這門課程的學(xué)生早已先修了機械原理、機械設(shè)計等課程，筆者在教學(xué)之初常常告誡同學(xué)，對于一名工程師設(shè)計人員來說，僅僅具有機械原理機械設(shè)計方面的知識是遠遠不夠的，只能進行一些傳統(tǒng)的設(shè)計。而傳統(tǒng)的設(shè)計只是重復(fù)分析產(chǎn)品的性能，而不是主動地去設(shè)計優(yōu)化產(chǎn)品的參數(shù)。從某種意義上講它沒有真正體現(xiàn)“設(shè)計”的含義。因此，對一個工程設(shè)計人員來講，應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)品設(shè)計的過程中始終要有優(yōu)化的思想。當(dāng)然光有優(yōu)化的思想仍然是不夠的，還要有優(yōu)化的能力，掌握一些優(yōu)化方法。筆者在開課之初，通常會給學(xué)生這樣一個假設(shè)。如果甲、乙兩位同學(xué)供職在同一個企業(yè)，企業(yè)老板讓兩人分別提出他們的方案來解決公司中某一產(chǎn)品的問題。甲很快將自已的解決方案提交給公司老板。乙經(jīng)過分析考慮，在甲之后也提交了方案，乙的方案不僅解決了產(chǎn)品問題，而且優(yōu)化了產(chǎn)品的參數(shù)，降低了成本。筆者問學(xué)生甲、乙兩位同學(xué)誰將會被重用，誰將獲得更多的職位升遷的機會。這個答案是不言而喻的。通過上述的假設(shè)，使學(xué)生懂得具有優(yōu)化的思想和優(yōu)化設(shè)計的方法還與他們個人在工作崗位的升遷機會有關(guān)。這極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的熱情，也讓優(yōu)化思想概念植根于學(xué)生思想之中。
二、采用形象化的教學(xué)方法
《機械優(yōu)化設(shè)計》中許多枯燥的公式和推導(dǎo)，學(xué)生一時會難以掌握，有時會導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的興趣。在教學(xué)中筆者注重采用形象化的教學(xué)方法，例如一維搜索方法中的確定搜索區(qū)間的外推法可以用盲人探路的方法來加以引導(dǎo)[4]。具體可以表述為：一個盲人想去一個山谷谷底，他向前探出一步，如果發(fā)現(xiàn)在上坡，說明前進方向錯誤，谷底應(yīng)在身體后方，應(yīng)該轉(zhuǎn)身再前行。如果探出一步，發(fā)現(xiàn)是下坡，表明谷底在前方，可以繼續(xù)前行，直至走出一步出現(xiàn)上坡的感覺，據(jù)此可以判斷谷底就在最后兩步之間。
三、課堂教學(xué)與生產(chǎn)實踐相聯(lián)系
課堂教學(xué)與生產(chǎn)實踐相聯(lián)系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生走上崗位解決問題的能力。例如坐標輪換法，坐標輪換法是每次搜索只允許一個變量變化，其余保持不變，即沿坐標方向輪流進行搜索的尋優(yōu)方法。在介紹坐標輪換法思想時，筆者以注塑產(chǎn)品為例加以介紹，注塑產(chǎn)品的質(zhì)量與溫度、噴嘴壓力、保壓時間、注塑速度等工藝參數(shù)有關(guān)。在試模過程中為了獲得較好的產(chǎn)品質(zhì)量，需要調(diào)試出這些工藝參數(shù)值。有經(jīng)驗的注塑人員往往采用坐標輪換法思想以節(jié)約試模時間。首先逐漸改變某一個工藝參數(shù)值，而其余工藝參數(shù)保持不變，觀察注塑產(chǎn)品質(zhì)量。在注塑產(chǎn)品質(zhì)量不再提高時甚至開始降低時，再調(diào)整另一個參數(shù)值，直至注塑產(chǎn)品質(zhì)量達到要求為止。如果同時對這些工藝參數(shù)進行調(diào)整，很難確定調(diào)整這些工藝參數(shù)的方向，會花費較長時間才能調(diào)試出合格的注塑產(chǎn)品。
四、加強與學(xué)生的互動
現(xiàn)代教學(xué)論指出：教學(xué)是教師的教與學(xué)生的學(xué)的統(tǒng)一，這種統(tǒng)一的實質(zhì)就是師生之間的互動。《機械優(yōu)化設(shè)計》課程師生之間的互動可充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用和主動精神，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，進一步提高學(xué)生的優(yōu)化設(shè)計能力、創(chuàng)新思維。在課堂上筆者注重與學(xué)生之間的互動。經(jīng)常提出一個問題，讓學(xué)生思考如何采用優(yōu)化的方法去解決這一問題，以提高學(xué)生采用優(yōu)化方法解決問題的能力。筆者常常讓學(xué)生走上講臺，介紹他們采用的優(yōu)化方法，并讓學(xué)生們充分討論思考有沒有更好的優(yōu)化方法，充分調(diào)動學(xué)生的積極性。在課堂教學(xué)最后，筆者完全將講臺交給學(xué)生，讓學(xué)生們介紹學(xué)習(xí)《機械優(yōu)化設(shè)計》這門課的心得和體會。通過課堂的互動，調(diào)動了課堂學(xué)習(xí)的氣氛，學(xué)生在互動中學(xué)到了一些優(yōu)化方法，牢固了優(yōu)化設(shè)計的思想，提高了優(yōu)化設(shè)計的能力。
雖然《機械優(yōu)化設(shè)計》的基本尋優(yōu)思想和方法在20世紀60年代已近完備，但是仍有需要改進之處，特別是該課程的教學(xué)方法。教學(xué)方法的優(yōu)劣將會影響學(xué)生的接受程度。采用各種生動的方法將會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，牢固掌握一些優(yōu)化的方法，讓優(yōu)化的概念植根于學(xué)生思想之中，為他們走上工作崗位更好地工作打下扎實的基礎(chǔ)。筆者通過采用上述的教學(xué)方法發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)《機械優(yōu)化設(shè)計》課程的興趣提高了，分析問題解決問題的工程實踐能力也得到了增強。有些畢業(yè)了的學(xué)生在與筆者聯(lián)系時，提到他們工作時常常想到并主動去優(yōu)化。優(yōu)化創(chuàng)新思維已成為他們固有的一種思維模式。
參考文獻：
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[3]孫靖民.機械優(yōu)化設(shè)計（第3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.
（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，溫州 325035）
（Wenzhou Vocational & Technical College，Wenzhou 325035，China）
摘要： 優(yōu)化設(shè)計是將最優(yōu)化理論和計算技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計領(lǐng)域，為工程設(shè)計提供優(yōu)化設(shè)計的方法。MATLAB優(yōu)化工具箱具有編程工作量少、語法符合工程設(shè)計習(xí)慣的特點，本文應(yīng)用MATLAB軟件，以RV減速器一級齒輪傳動體積最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并給出了優(yōu)化設(shè)計實例，與原設(shè)計方案相比，取得了良好的優(yōu)化效果。
Abstract： Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics， such as the programming workload is less， the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article， the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme， it achieves good optimization effect.
關(guān)鍵詞 ： MATLAB優(yōu)化設(shè)計；目標函數(shù)；約束函數(shù)；RV減速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中圖分類號：TG457.23文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03
基金項目：溫州市科技計劃項目（項目編號：G20120011）“基于救援機器人的RV減速器研發(fā)”的階段研究成果。
作者簡介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系副教授，研究方向為機械設(shè)計制造及自動化。
0 引言
機械優(yōu)化設(shè)計是最優(yōu)化方法與機械設(shè)計的結(jié)合，設(shè)計工具是計算機軟件及計算程序，設(shè)計方法是最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。機械優(yōu)化設(shè)計，就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎(chǔ)上，在機械產(chǎn)品的性態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其他因素的限制（約束）的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計要求及目標，選定設(shè)計變量、建立目標函數(shù)，并使其獲得最優(yōu)值，設(shè)計出經(jīng)濟可靠的機械產(chǎn)品。
換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設(shè)計參數(shù)，使機械產(chǎn)品單項或多項設(shè)計指標達到最優(yōu)。機械優(yōu)化設(shè)計因其目標函數(shù)和約束函數(shù)普遍呈非線性的特點，設(shè)計步驟為先根據(jù)實際的設(shè)計問題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在建立數(shù)學(xué)模型時需要應(yīng)用專業(yè)知識確定設(shè)計的限制條件和所追求的目標，確定設(shè)計變量之間的相互關(guān)系等，并使之滿足強度、剛度及運動學(xué)等約束條件。數(shù)學(xué)模型一旦建立，優(yōu)化設(shè)計問題就變成了一個數(shù)學(xué)求解問題，應(yīng)用優(yōu)化理論，設(shè)計優(yōu)化程序，以計算機為載體計算得到最優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產(chǎn)成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優(yōu)化設(shè)計的佳話，優(yōu)化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。
近年來制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術(shù)難題，直接影響到機器人的工作性能指標。
RV減速器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯(lián)構(gòu)成，漸開線齒輪傳動構(gòu)成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構(gòu)成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態(tài)特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優(yōu)點。
RV減速器廣泛應(yīng)用在機器人、數(shù)控機床行業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)計全由設(shè)計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質(zhì)量更小的指標要求下，希望能從一系列可行的設(shè)計方案中精選最優(yōu)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法做不到，因而有必要采用優(yōu)化方法來確定其設(shè)計參數(shù)。
RV減速器優(yōu)化設(shè)計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關(guān)。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質(zhì)量最?。辉谝筝^高時，需要優(yōu)選齒輪的幾何參數(shù)使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優(yōu)化齒輪傳動的慣性質(zhì)量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器，其優(yōu)化設(shè)計具有各自的特點，設(shè)計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、傳動比、螺旋角、變位系數(shù)和中心距等。
根據(jù)優(yōu)化目標的不同，RV減速器設(shè)計可以有多種最優(yōu)化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉(zhuǎn)矩最大、體積最小或質(zhì)量最小。
基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉(zhuǎn)，輕載平穩(wěn)，空載起動，室內(nèi)工作，使用壽命5年，在溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心單件生產(chǎn)，機器人機械手轉(zhuǎn)矩T3=20 N·m，轉(zhuǎn)速n3=5rpm，為優(yōu)化設(shè)計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉(zhuǎn)矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。因此以轉(zhuǎn)矩最大為優(yōu)化目標，建立優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。
1 目標函數(shù)
①工作載荷計算功率P3。
因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數(shù)K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應(yīng)用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應(yīng)用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應(yīng)用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計算電機轉(zhuǎn)矩。
因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉(zhuǎn)速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機轉(zhuǎn)矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N·m
對于第二級針擺傳動，設(shè)計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數(shù)Zb必須為偶數(shù)，Zb用數(shù)學(xué)表達式來表達，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉(zhuǎn)矩表達式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N·m。
所以，電機轉(zhuǎn)矩表達式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達式變?yōu)門=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機械手的工作要求是轉(zhuǎn)矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數(shù)只能進行最小值優(yōu)化，所以對電機轉(zhuǎn)矩求倒數(shù)，對電機轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)作最小值優(yōu)化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目標函數(shù)f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據(jù)機器人抓握機械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數(shù)較小，初定為0.5或1mm；轉(zhuǎn)矩也不大，約為20N·m，電機轉(zhuǎn)矩理論上應(yīng)該可以控制在1 N·m以內(nèi)，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0構(gòu)成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0構(gòu)成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0
140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0
（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過大，漸開線齒輪傳動中心距a應(yīng)是針齒基圓半徑R的0.35~0.65倍，這個可歸為結(jié)構(gòu)尺寸條件。
因為要設(shè)計出在轉(zhuǎn)矩最大前提下，體積最小質(zhì)量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，所以初定針齒基圓半徑R=（30~40）mm，所以
a=（0.35~0.65）*R=（0.35~0.65）*（30~40）=（10.5~26）mm，取整后11≤a≤26。因為
a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數(shù)越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數(shù)取0.5，則
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成兩個表達式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構(gòu)成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉(zhuǎn)矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構(gòu)成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數(shù)的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個表達式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構(gòu)成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數(shù)的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構(gòu)成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因為Zb必須為偶數(shù)，所以Zb用數(shù)學(xué)表達式來表達，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構(gòu)成線性約束條件8、9。
把9個線性約束條件寫矩陣表達式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3）≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB編程
把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化，即應(yīng)用fmincon函數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。
該數(shù)學(xué)模型為3個設(shè)計變量、12個約束條件的多元函數(shù)最小值問題，采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結(jié)果，進行非線性有約束多元函數(shù)最小值計算，命令函數(shù)為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結(jié)果如圖3。
程序經(jīng)過6次迭代計算，MATLAB計算優(yōu)化結(jié)果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N·m。
5 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理
因為齒數(shù)一定為整數(shù)，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因為Z1<17，齒輪會產(chǎn)生根切現(xiàn)象，但齒輪傳動的中心距又必須控制，所以略加大齒數(shù)，采用變位齒輪，取Z1=12，所以Z2=i1*Z1=4*12=48。
因為齒輪模數(shù)m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11~26mm。
用優(yōu)化處理的參數(shù)計算電機轉(zhuǎn)矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比較與結(jié)論
RV減速器齒輪傳動原設(shè)計電機轉(zhuǎn)矩為0.2N·m，中心距為20mm，經(jīng)過MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理，電機轉(zhuǎn)矩增至0.24N·m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非?？捎^。
參考文獻：
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【關(guān)鍵詞】小型甘蔗收割機；砍蔗刀盤；動態(tài)性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
1 引言
甘蔗是多年生宿根植物，目前國內(nèi)的甘蔗收割機械普遍存在甘蔗宿根破頭率較高的問題，嚴重影響甘蔗來年的發(fā)芽率。當(dāng)切割器旋轉(zhuǎn)速度和收割機前進速度都處于理想狀態(tài)時，宿根破頭率的主要影響因素是切割器刀盤的振動。引起刀盤振動的因素既有路面和柴油機等外部激勵作用，也和刀盤自身高速旋轉(zhuǎn)有關(guān)，并且在切割甘蔗時受到?jīng)_擊載荷也會引起振動。因此，我們不可能一個個消除引起振動的因素，可行的方法是提高刀盤自身的動態(tài)性能。
本文對已生產(chǎn)出樣機的小型甘蔗收割機的砍蔗刀盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于APDL進行了優(yōu)化設(shè)計。區(qū)別與常見的以最大應(yīng)變或應(yīng)力做約束條件的優(yōu)化，本文的優(yōu)化以刀盤的前3階固有頻率作為約束條件，并取得了良好的效果，為砍蔗刀盤的設(shè)計提供了指導(dǎo)，對小型甘蔗收割機的設(shè)計具有重要意義。
2 砍蔗刀盤參數(shù)化模型的建立
砍蔗刀盤上安裝有間隔90°角的四個刀片，并和轉(zhuǎn)軸組成切割器。采用自底向上的建模方式，建模時，簡化掉四個刀片，并以位移約束代替轉(zhuǎn)軸上聯(lián)軸器，得到最簡模型，如圖1所示?？痴岬侗P的的半徑與切割系統(tǒng)半徑及刀片的懸伸長度有關(guān)，為不考慮優(yōu)化的參數(shù)，取為195 mm，厚度H1=8mm；加強盤半徑為R，直接影響刀盤的動態(tài)性能，為待優(yōu)化參數(shù)，取為95mm，厚度H2=15mm。
砍蔗刀盤的模型有ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）建立，為方便施加聯(lián)軸器對轉(zhuǎn)軸的位移約束，用ASBW命令將轉(zhuǎn)軸的外圓柱面分為兩個面。
3 砍蔗刀盤的模態(tài)分析
考慮到后續(xù)的參數(shù)優(yōu)化，選取ANSYS優(yōu)化模塊支持的solid92號單元和Block Lanczos模態(tài)提取方法。由于影響系統(tǒng)動態(tài)性能的是前面幾階低頻模態(tài)，所以提取前砍蔗刀盤的前5階固有頻率，如表1所示。
砍蔗刀盤的第1、2階振型是繞X軸和Y軸的傾斜偏轉(zhuǎn)變形，第3階是四周翹起的彎曲變形，第4、5階是很大的前后或左右的彎曲變形。這些都對甘蔗宿根切割質(zhì)量造成很大影響。
此外，柴油機的工作頻率為36.43HZ，刀盤的工作轉(zhuǎn)速為900r/min，頻率為15HZ。砍蔗刀盤的前5階固有頻率雖然避開了柴油接的工作頻率，但和刀盤的工作頻率都很接近，亟待提高。
4 砍蔗刀盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本思想是以最少的材料獲得最好的結(jié)構(gòu)性能。常見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能為約束，有以最大節(jié)點位移的[7]，也有以綜合應(yīng)力或特征應(yīng)力的[8]，很少有以反應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)性能的固有頻率作為約束的。
5 結(jié)論
以系統(tǒng)的動態(tài)性能作為約束，對砍蔗刀盤進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后刀盤的前5階固有頻率均有提高，說明刀盤的動態(tài)性能得到了改善。此外，刀盤的前5節(jié)固有頻率差值也得到了擴大，這有利于減少刀盤工作時越過共振區(qū)。
參考文獻：
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作者簡介：
項菲菲（1988-），女，漢族，江西豐城人，講師，碩士，研究方向： 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
項忠珂（1984-），男，漢族，江西上饒人，講師，碩士，研究方向：計算機仿真
【Abstract】:Build a model of DOE for balustrade bracket optimization using popular data analysis software suck like Minitab. Verify the optimized design by standard test specified by GB code.This design optimization focuses on the parameters which affect the static strength of balustrade. The tool used for this DOE is called as “screening”, which often be used to sort out key facts. The application of DOE in the optimizing of escalator’s balustrade is a good practice for mechanical design.
【關(guān)鍵詞】：設(shè)計優(yōu)化 篩選型試驗 護欄支架
中圖分類號：S611文獻標識碼： A
扶梯一般是安裝在地鐵，商場，機場等人流量比較大的地方，是現(xiàn)代城市不可或缺的重型機械設(shè)備。它的安全使用涉及到乘客的人身安全，它也被定義為特種設(shè)備。而扶梯護欄是保障乘客安全的第一道屏障，為了防止乘客有墜落或擠刮傷害的危險，所有扶梯都設(shè)有規(guī)定高度的護欄。
2011年，中國及歐盟等國家和組織新頒布了針對自動電扶梯的新的行業(yè)標準。在中國國家標準GB16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝規(guī)范》的第5章第五節(jié)中，針對扶梯護欄有明確的要求，即扶梯護欄在平均一米的范圍內(nèi)需要能承載600N的側(cè)向力和730N的垂直力，即表達了對護欄強度的嚴格要求。而護欄的強度取決于其支架。當(dāng)然，為了滿足標準要求，可以使用高密度排布，高強度材料，高厚度的支架。 但這將極大增加制造成本，同時，也對扶梯其他結(jié)構(gòu)造成影響，導(dǎo)致扶梯出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)干涉，桁架負荷過大等現(xiàn)象。在某R型扶梯的設(shè)計中，作者就面臨了這種問題。設(shè)計要求要既符合標準又要滿足成本和結(jié)構(gòu)需要。綜合考慮之后，認為解決的辦法之一就是利用試驗設(shè)計(DOE)找出支架零件參數(shù)和排布參數(shù)的優(yōu)化組合.
DOE（Design of Experiment）試驗設(shè)計，是一種安排實驗和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法；試驗設(shè)計主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗規(guī)模(試驗次數(shù))、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。
另外，Pro-Engineer是國際上機械行業(yè)通用的一種三維設(shè)計軟件，以參數(shù)化設(shè)計概念著稱。 在本次研究中，利用軟件Pro-Engineering的計算模塊Mechanica，對支架受力情況進行理論分析。
圖一R型扶梯護欄受力分析及支架形狀
在Mechanica分析模塊中，可以改變參數(shù)構(gòu)成，再重新生成分析結(jié)論，這為以后的參數(shù)分析提供了依據(jù)。根據(jù)理論分析結(jié)果，選取一些較為顯著的影響因素，在DOE中，這些因素被叫做自變量。通過力學(xué)分析結(jié)果，定義出如下影響護欄力學(xué)性能的自變量：護欄支架厚度 B，護欄支架排布距離 D，護欄支架玻璃槽深度 H。
根據(jù)DOE在Minitab中的操作步驟，接下來需要定義DOE中的因變量，這種因變量需要是可量化的變量，方便以后的統(tǒng)計分析。扶梯 護欄在被施加了標準指定的力之后的會產(chǎn)生瞬時變形量，這種變形量可以使用數(shù)字式的百分表在護欄的頂端外側(cè)獲得，是可以量化的。由經(jīng)驗得知，該變形量最好不要超過6mm，這樣就能保證玻璃護欄不至于出現(xiàn)破損或碎裂。所以，本次DOE的因變量就應(yīng)該是護欄頂端的瞬時變形量。
根據(jù)以上對于試驗設(shè)計自變量和因變量的分析，并結(jié)合由以上分析得出的因變量以及原有的設(shè)計圖紙，列出了它們可能的水平，并制作了因子及其水平的表格：
表格一 自變量分析
在此表中，因子的水平除了需要根據(jù)力學(xué)分析得出的可能的取值圓整之外，還需要根據(jù)扶梯整體的結(jié)構(gòu)來通盤考慮，因為存在結(jié)構(gòu)上讓位的需要。在得出這些可能的水平之后，要以概率論、數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)等為理論基礎(chǔ)，科學(xué)地設(shè)計試驗方案，正確合理地分析試驗結(jié)果，以較少的試驗工作量和較低的成本獲取足夠、可靠的有用信息。我們可以運用Minitab等計算軟件來對這些數(shù)據(jù)進行處理，而不需要手動組合排配。得出如下試驗運行配置。
表格二 試驗排配表
按照試驗排配表進行標準化測試，得出測試結(jié)論。通過Minitab的圖表分析功能，可以看出各個因子的顯著性程度，選擇DOE下的Analyze Factorial Deisgn來分析各個因子的顯著程度，得到效果圖，分析因素影響效果圖可知，支架厚度和支架排布距離的影響程度最為突出，同時，選取這兩個因子，利用Regression功能模塊，得出自變量對于響應(yīng)“護欄變形”的回歸方程回歸方程：
圖二 因子顯著度分析圖及回歸方程
在以上“會話”中，得出的結(jié)論是：所有的P均小于0.05，這就表明了所擬合的回歸方程擬合良好，另外，其殘值系數(shù)數(shù)值為93.4，表明擬合良好。
在進行了回歸方程驗證后，接下來就是對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化了，即找到在本次試驗設(shè)計中對應(yīng)于目標響應(yīng)的因子的最優(yōu)組合，由經(jīng)驗得知，對于鋼化玻璃類型的護欄，若能使其支架變形量在6mm以下，就能保證國家標準對于該護欄的靜載強度要求。同時，考慮到制造成本等因素，選定變形量為3~6mm為目標變形量。在Minitab中，選擇DOE-Factorial-Response Optimizer, 在setup中輸入Lower 3,Target 4,Upper 6, 一路選擇OK，即得到以下關(guān)于響應(yīng)“護欄變形量”的優(yōu)化圖的輸出。
圖三 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
由此優(yōu)化圖可以看出，根據(jù)回歸模型和成本，制造難易程度等因素綜合考慮，支架厚度3mm和支架間距580mm是最合適的優(yōu)化設(shè)計。
在完成了本次試驗設(shè)計后，按照優(yōu)化結(jié)果對設(shè)計圖紙進行改進。在制作出來新的護欄支架后按照580mm的間隔進行優(yōu)化排配。同時，按照國標規(guī)定的測試方法，對樣品進行了3次靜載試驗，驗證了其剛度確實滿足靜載變形小于6mm的要求。
通過選擇試驗設(shè)計，本案例成功找到了解決設(shè)計和成本同時優(yōu)化的方法，并通過試驗對優(yōu)化結(jié)果進行檢驗。在這過程中，論述了如何確立問題，分析問題，如何找到可能的影響因子和優(yōu)化方案，如何對優(yōu)化方案進行驗證。在應(yīng)用試驗加試驗設(shè)計方法時，結(jié)合了Minitab和Pro-Engineer等計算機輔助軟件，使得在自動扶梯產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計過程中，顯著提高設(shè)計效率，縮短研發(fā)周期，更加快速靈活地滿足客戶的各種不同需求。
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關(guān)鍵詞：仿生 蜻蜓 撲翼飛行器 數(shù)學(xué)模型 仿真分析
中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）09（c）-0059-04
自古以來人們就夢想著在天空自由翱翔，對鳥的生理結(jié)構(gòu)和飛行原理等方面所做的研究和獲得的靈感，使人類乘著飛機上了天。昆蟲與鳥相比，具有更大的機動靈活性。對昆蟲生理結(jié)構(gòu)和飛行機理的研究，將仿制出具有更大飛行靈活性和自由度的新型飛行器。最近幾年，在昆蟲空氣動力學(xué)和電子機械技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，各國紛紛開始研究拍翅飛行的仿昆飛行機器人，使得仿生昆蟲飛行機器人成為機器人研究最為活躍的前沿領(lǐng)域。仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類或昆蟲飛行，基于仿生學(xué)原理設(shè)計制造出來的新型飛行器。該類飛行器與固定翼和旋翼飛行器相比，它具有獨特的優(yōu)點，如：原地或小場地起飛；較強的機動性能，尺寸小，便于攜帶，飛行靈活，隱蔽性好等。因此，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域尤其是國防領(lǐng)域有著十分重要而廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)蜻蜓飛行時的運動特性設(shè)計出一種由齒輪連桿機構(gòu)組成的微型撲翼驅(qū)動機構(gòu)，對機構(gòu)進行了數(shù)學(xué)建模設(shè)計優(yōu)化，并基于Catia進行了仿真分析。
1 基于四桿機構(gòu)對仿生蜻蜓撲翼飛行器的動力設(shè)計
仿生學(xué)研究表明，動物飛行能力和技巧的多樣性多半源于它們的翅膀的多樣性和微妙復(fù)雜的翅膀運動模式。撲翼飛行器是借助機翼的上下?lián)鋭觼懋a(chǎn)生升力和推力，這需要設(shè)計出高效可靠的撲翼驅(qū)動機構(gòu)本設(shè)計采用了對稱齒輪桿機構(gòu)來實現(xiàn)機翼的上下往復(fù)運動。仿生昆蟲飛行器通常具有小尺寸、便于攜帶、行動靈活和隱蔽性好等特點，仿昆飛行器的飛行性能和物理特性是雷諾數(shù)極小，表面積與體積之比很大，總質(zhì)量嚴格受限。而動力裝置所占體積會直接影響到飛行器的大小，所以本設(shè)計從動力裝置出發(fā)。
1.3 基于Catia運動仿真并測量分析
2 動力模塊的實現(xiàn)
考慮實際功率以及驅(qū)動效率，選定齒輪連桿機構(gòu)進行驅(qū)動，并將連桿L1對稱設(shè)計，如圖6、7所示。
3 仿生蜻蜓撲翼飛行器的整體結(jié)構(gòu)及模擬運動
運用catia對設(shè)計的撲翼飛行器的零件進行裝配，得到完整的設(shè)計如圖9所示。
4 結(jié)論
微型撲翼驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化與仿真研究是微型撲翼飛行器設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對蜻蜓撲翼運動進行了研究，設(shè)計出一種齒輪連桿驅(qū)動機構(gòu)做了以下工作：（1）提出了一種齒輪連桿機構(gòu)模仿蜻蜓運動的微型撲翼驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計方案。（2）采用基于優(yōu)化的機構(gòu)設(shè)計方法對四連桿驅(qū)動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，建立了數(shù)學(xué)模型，得到了驅(qū)動機構(gòu)各桿件及傳動角等參數(shù)和運動參數(shù)。（3）利用CATIA完成的仿生蜻蜓撲翼機構(gòu)的設(shè)計并對其進行了仿真分析。得到的結(jié)論與數(shù)學(xué)模型分析結(jié)論一致，驗證了該機構(gòu)的可行性。
仿生撲翼飛行器處于不斷的探索過程中。用機械裝置去實現(xiàn)撲翼飛行的復(fù)雜運動模式是一項挑戰(zhàn)，我們要不斷的嘗試與探討。隨著新材料、新工藝、計算機技術(shù)、先進制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來仿生蜻蜓撲翼飛行器可以在空中翱翔。
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【論文摘要】:對變頻調(diào)速器在實踐應(yīng)用中容量的正確選擇、傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計以及外接制動電阻等方面的問題,總結(jié)了一些經(jīng)驗。
隨著電力技術(shù)的迅速發(fā)展,交流電機變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進步,進入了普及應(yīng)用階段。在我國,變頻調(diào)速器也正越來越廣泛地被采用,與此同是地,如何正確地選好、用好已成為廣大用戶十分突出的問題了。
1.關(guān)于容量選擇
在變頻調(diào)速器的說明書中,為了幫助用戶選擇容量,都有"配用電動機容量"一欄,然而,這一欄的含義卻不夠確切,常導(dǎo)致變頻器的誤選。
各種生產(chǎn)機械中,電動機的容量主是根據(jù)發(fā)熱原則來選定的。就是說,在電動機帶得動的前提下,只要其溫升在允許范圍內(nèi),短時間的過載是允許的。電動機的過載能力一般定為額定轉(zhuǎn)矩的1.8-2.2倍。電動機的溫升,所謂"短時間"至少也在十幾分鐘以上。而變頻調(diào)速器的過載能力為:150%,l分鐘。這個指標,對電動機來說,只有在起動過程才有意義,在運行過程中,實際上是不允許載。
因此,"配用電動機容量"一欄的準確含義是"配用電動機的實際最大容量"。實際選擇變頻器時,可按電動機在工作過程中的最大電流來進行選擇,對于鼓風(fēng)機和泵類負載,因?qū)儆陂L期恒定負載,可直接按"配用電動機容量"來選擇。
2.傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計
交流異步電動機經(jīng)變頻調(diào)速后,其有效轉(zhuǎn)矩和有效功率的范圍。配用變頻調(diào)速器時,必須根據(jù)生產(chǎn)機械的機械特性以及對調(diào)速范圍的要求等因素,對傳動系統(tǒng)進行優(yōu)級化設(shè)計,優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容和大致方法如下:
2.1 確定電動機的最高運行頻率
(1)鼓風(fēng)機和泵類負載,這類負載的阻轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的平方成正比TL=KTn2,輸出功率PL與轉(zhuǎn)速的在次方成正比PL=KPn3,(KT和KP為常數(shù)),由此可知,如轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速,負載的轉(zhuǎn)矩和功率將分別按平方律和立方律增加,因此,在一般情況下,不允許在額定頻率以上運行。
(2)一般情況下,各種機械的強度、振動以及耐磨性能等,都是以電動機轉(zhuǎn)速不超過3000r/min為前提設(shè)計的。因此,在沒有對機械重新進行設(shè)計的情況下,2級電機的最高運行頻率不要超過額定頻率太多。
(3)當(dāng)異步電機在額定頻率以上運行時,由于電源電壓是恒定的,其在調(diào)到fx時電磁轉(zhuǎn)矩Tx近乎和頻率調(diào)節(jié)比Kf的平方成反比,即T≈TN/Kf2(而TN為額定頻率fN時的轉(zhuǎn)矩)。因此,最高運行頻率不宜超過額定頻率
(4)異步電機在低頻下運行時,為了獲得足夠的轉(zhuǎn)矩,常需進行轉(zhuǎn)矩補償。而轉(zhuǎn)矩補償將使電機的磁路趨于飽和,從而增加附加損失,降低了效率,因此,只要情況許可,應(yīng)尺可能地提高運行頻率的上限。
2.2 確定傳動系統(tǒng)的傳動比并校核電動機的容量
(1)鼓風(fēng)機和泵類負載,一般均為直接驅(qū)動,不必考慮傳動比的問題。
(2)恒轉(zhuǎn)矩負載,首先,根據(jù)有效轉(zhuǎn)矩線以及所要求的頻率調(diào)節(jié)范圍,確定電機運行的最高頻率和最低頻率。
假設(shè)已經(jīng)確定的電動機最高運行頻率為fmax最低運行頻率為fmin與此對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩相對值為tTL,則電動機的額定轉(zhuǎn)矩Tn=TL/qTL(TL負載轉(zhuǎn)矩)。如果原選電機并未留有余量的話,則配用變頻調(diào)速器后,電動機的容量應(yīng)擴大1/tTL倍。傳動系統(tǒng)的傳動比入等于電動機在最高運行頻率下的轉(zhuǎn)速nDmax負載所需求的最高轉(zhuǎn)速nLmax之比。
(3)恒功率負載:和恒轉(zhuǎn)矩負載類似,首先根據(jù)有效功率線和頻率調(diào)節(jié)范圍,求出電動機運行頻率的上、下限。
同樣,在求出最高和最低運行頻率的同時,得到對應(yīng)的功率相對值tPL,而電動機的額定功率PN≥PL/tPL(PL為負載要求功率)。
在設(shè)計恒功率負載時,應(yīng)注意兩點:(1)盡量多利用額定頻率以上的部分;(2)當(dāng)調(diào)整范圍較大時,盡量采用兩檔傳動比。因為當(dāng)傳動比分成兩欄時,頻率范圍αf與αn轉(zhuǎn)速范圍之間的關(guān)系為 ?？梢?在轉(zhuǎn)速范圍相同的情況下,頻率范圍將大為減小,從而可減小電動機的容量。
負載的機械特性,因是恒功率負載,故曲線上任一點的橫坐標與縱坐標的乘積均相等,且與負載功率成正比,即PL=KPTLnL=KPTLmaxLmin 。全部轉(zhuǎn)速都在額定頻率以下調(diào)節(jié)時的有效轉(zhuǎn)矩線,在這種情況下,所需電動機的容量PN=KPTNnLmax>KPTLmaxLmax=αnPL。這說明,所需電動機的容量比負載功率的On倍還要大,是很不經(jīng)濟的。
⑴當(dāng)最高運行頻率為額定頻率的2倍,傳動比只有一檔時的情形。在這種情況下,所需電機的容量PN=KPTN1/2nLmax 1/2αnPL。可見,所需用容量只要大于負載功率的On/2倍就可以了。
⑵ 當(dāng)最高運行頻率為額定頻率的2倍,傳動比為兩檔時的情形。這時,所需電機的容量PN1/2 PL?？梢?對于恒功率負載,當(dāng)αn>4時,這種方案是比較理想的。
3.自配外接制動電阻
各種變頻調(diào)速器都允許外接制動電阻,加快制動速度,外接電阻。但配套的制動電阻價格昂貴,不易買到,自動配置時,其阻值與功率可如下決定:
直流電路的電壓值UP= ×380=53V;制動電流Is一般以不超過電機的額定電流IDN為原則,即Is≤IDN,故制動電阻Rs≥UD/Is。
因Rs內(nèi)通過電流的時間只有幾秒鐘,故其功率PR可按工其工作時的(1/10-1/8)選擇,即PR=(0.1-0.125)UD2/Rs。
因Rs接入電路時,應(yīng)注意將變頻調(diào)速器內(nèi)部的制動電阻切除,如不能切除,則應(yīng)適當(dāng)加大Rs的值,以免出現(xiàn)制動電流過大的情形。
在外接制動電路時,為了避免燒毀變頻器內(nèi)部的放電用大功率晶體管(GTR)有時也可以外接整個制動電器(即包括制動電阻和放電晶體管,這時,GTR應(yīng)選取其VCEX≥700伏;ICN≥(1.2-1.5)IDN安。
參考文獻
[1] 馬新民,礦山機械,徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2002
[2] 李紀等,煤礦機電事故分析與預(yù)防,北京:煤炭工業(yè)出版社,1997
開題報告
開題報告的主要內(nèi)容一般包括選題背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究意義、主要研究內(nèi)容（提綱）、研究方法以及參考文獻；其他的一些內(nèi)容根據(jù)學(xué)校具體要求而定。
1、選題背景：就是簡單介紹一下是在什么樣的背景下選擇該題目作為研究對象的，比如題目是《關(guān)于我國中小企業(yè)融資困難問題的研究》，那么選題背景中就可以大概介紹下我國當(dāng)前中小企業(yè)融資的現(xiàn)狀；
2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：分別選一些題目相關(guān)的國內(nèi)外文獻，大概總結(jié)下作者提出的觀點、理論之類的；
3、研究意義：顧名思義，就是只研究這個課題有什么意義，又可以細分為現(xiàn)實意義和理論意義；現(xiàn)實意義就是指在實際中有什么作用，而理論意義則是指本課題的研究對于現(xiàn)有的一些理論具備怎樣的作用，比如可以說對已有的理論做了有力的補充，同時也為后續(xù)研究者進行更進一步的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)之類的；
4、主要研究內(nèi)容（提綱）：這個不用過多解釋，部分學(xué)校的開題報告在研究內(nèi)容一項中需要列出具體的寫作提綱；
文獻綜述
簡單說來，文獻綜述就是對你題目相關(guān)的一些文獻資料的概述，也可以說是對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的一個總結(jié)。為了寫出文獻綜述，你首先需要去搜集一些近3年以來跟題目相關(guān)的一些參考文獻，寫作主要內(nèi)容一般包括：前言、主題、總結(jié)和參考文獻。
1、前言：主要是說明寫作的目的，介紹有關(guān)的概念及定義以及綜述的范圍，簡要說明有關(guān)題目的現(xiàn)狀或爭論焦點，使讀者對全文要敘述的問題有一個初步的輪廓；
2、主題：主要是對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進行概括，其中分為國外研究現(xiàn)狀及國內(nèi)研究現(xiàn)狀，分別列出一些相關(guān)研究者的觀點或理論；比如"XXX（2013）認為，__."、”XXX（2014）提出了這樣的觀點，他認為_."；
3、總結(jié)：文獻綜述最好不要只是簡單羅列別人的觀點，最終，你還得對別人的研究成果進行總結(jié)，在總結(jié)里提出自己的一些看法；
4、參考文獻：這個無需多說，就是列出你寫這篇文獻綜述參考了哪些文獻，參考文獻的格式具體參考你學(xué)校的格式要求，如果沒有的話，可以去看看一般參考文獻格式。
提醒：文獻綜述注意不要簡單的堆砌別人的觀點，最好是可以對不同的研究成果進行歸類，并且需要提出一些自己的看法。
開題報告范例欣賞：
課題名稱：L型支腿門式起重機大車行走機構(gòu)設(shè)計
學(xué)院(系)：機械學(xué)院
年級專業(yè)：工程機械
學(xué)生姓名：郭陽
指導(dǎo)教師：張連東
完成日期：2010/03/15
一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義
1、門式起重機概述[1]
門式起重機是一種循環(huán)、間歇運動的機械，主要用于物品的裝卸。它具有構(gòu)造簡單、操作靈活、維修方便、起重量和跨度大及占用作業(yè)面積小的特點。廣泛用于鐵路貨場、港口碼頭、現(xiàn)代化工廠和倉庫等場所。門式起重機一般由金屬結(jié)構(gòu)部分、機械部分和電氣部分組成。它的金屬結(jié)構(gòu)像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)部分主要由主梁、支腿、下端梁和司機室組成。它一般沿著鋪設(shè)在地面上的軌道上運行。機械機構(gòu)主要由起升機構(gòu)和運行機構(gòu)組成。電氣部分由電氣設(shè)備和電氣線路組成。
門式起重機的形式很多，根據(jù)用途的不同可以分為通用型門式起重機，集裝箱門式起重機，電站門式起重機，造船門式起重機等。
按照結(jié)構(gòu)形式分為(1)單主梁門式起重機。單主梁門式起重機結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便，自身質(zhì)量小，主梁多為偏軌箱形架結(jié)構(gòu)。整體剛度要弱一些，起重量Q≤50t、跨度S≤35m。門腿有L型和C型兩種形式。(2)雙梁橋式起重機。
雙梁橋式起重機承載能力強，跨度大、整體穩(wěn)定性好，品種多，但自身質(zhì)量與相同起重量的單主梁門式起重機相比要大些，造價也較高。
2、國內(nèi)外研究動態(tài)
2011年由武橋重工制造的我國最大的一臺龍門起重機該起重機跨度為230米，為國內(nèi)最大跨度，標準載重為900噸，實際載重可以達到1500噸。隨著我國基本建設(shè)高峰的逐漸到來，造船、風(fēng)力發(fā)電安裝、石油化工(包括煤化工)建設(shè)、冶金建設(shè)、火電(包括核電)建設(shè)、市政等等的發(fā)展，使大型起重機吊裝市場出現(xiàn)供不應(yīng)求的“火暴”現(xiàn)象。國外制造大型廠商主要有美國的Paceco、德國的Noell、英國的Morris、芬蘭的Valmet、韓國的三星和現(xiàn)代，以及日本的三菱、三井、住友等。這些企業(yè)在設(shè)計團隊、經(jīng)費、設(shè)計思想、設(shè)計經(jīng)驗方面都有著國內(nèi)無法抗衡的優(yōu)勢。目前世界上比較先進的機型其堆高已達7~8層、吊具下的起重量已達45t、滿載起升速度達30m/min、小車速度超過50m/min、大車運行速度超過120m/min[22]。
研究成果主要體現(xiàn)在以下幾點：
1)新裝置的研制和新零部件的采用[2，3，4]
三合一減速器、新型徑向棒銷聯(lián)軸器、新型電力液壓塊式制動器、鉗式制動器、電線滑車、滑接輸電裝置等等行裝置的采用，使起重機的啟動、傳動、制動等方面的性能都有了很大的提高。
2)新設(shè)計工具和思想的應(yīng)用[2，11]
Proe、ANSYS、APDL語言等方便快捷的設(shè)計和測試等計算機軟件的開發(fā)和運用大大提高了新產(chǎn)品的研發(fā)能力，縮短了研發(fā)周期。門式起重機進行了按靜強度、靜剛度、動剛度等多項控制指標的綜合分析優(yōu)化設(shè)計，從單機優(yōu)化到系列優(yōu)化設(shè)計理論方面的開拓和探索都已進入實用階段。再加上模塊單元化設(shè)計等等整個起重機行業(yè)的技術(shù)、生產(chǎn)和管理水平、新產(chǎn)品的研發(fā)速度都將大大加快。
3)自動糾偏技術(shù)[9]
跨度大于40m的龍門起重機在實際使用中由于眾多因素的影響，剛、柔腿運行一段時間后會產(chǎn)生快慢不一的現(xiàn)象，常用電氣自動糾偏的方法通常有
計算脈沖編碼器輸入PLC的脈沖、通過安裝在柔腿頂部的角位移傳感器、用橡膠摩擦輪帶動旋轉(zhuǎn)編碼器的閉環(huán)控制等
4)啃軌現(xiàn)象的改善[10]
啃軌，就是起重機運行過程中車輪輪緣與鋼軌側(cè)面壓觸，發(fā)生強烈的磨損。嚴重的啃軌，使車輪與軌道劇烈磨損，并且大大增加附加載荷，運行阻力比正常狀態(tài)時增大3.5倍左右，一般中型工作類型的龍門起重機車輪的使用壽命約8~10年，若有啃軌現(xiàn)象，壽命可降為1~2年，甚至幾個月。在實際生產(chǎn)中最常用而且最有效的方法是調(diào)整和移動車輪，消除過大的誤差橫向力。
5)控制元件的研發(fā)[2，5]
采用轉(zhuǎn)角碼盤、齒輪鏈、激光頭等裝置，使定位精度可到±1mm。接收器、控制器遙控系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)省人力，提高工作效率，而且使操作者的作業(yè)條件得到改善。在距離檢測方面，采用無線電信號型防撞裝置來監(jiān)控起重機前端行駛距離，在發(fā)出警告信號后，大車車速將減小到50%，最后切斷電機電源，將大車制動。起重機的剎車系統(tǒng)也應(yīng)用微機進行控制和監(jiān)視工作。
3、選題的依據(jù)和意義
門式起重機是橋式起重機的一種變形。和橋式起重機相比具有場地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強，可靠性，安全性高，易于維護，無需改變廠房結(jié)構(gòu)，滿足物流需求等特點，在港口貨場得到廣泛使用。在港口，主要用于室外的貨場、料場貨、散貨的裝卸作業(yè)。世界上絕大多數(shù)大型的集裝箱港口都采用跨運車、輪胎式龍門起重機和軌道式龍門起重機系統(tǒng)滯j比于跨運車，龍門起重機因其較高的堆場利用率而受到大型集裝箱碼頭的歡迎，特別是亞洲集裝箱碼頭，據(jù)cargosystem統(tǒng)計，在2004—2009年交貨定單中，中國堆場龍門起重機訂單占世界總訂單的34%，而通用型中大型門式起重機的需求量日益劇增。因此對中大型門式起重機優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計研究已經(jīng)成為該領(lǐng)域的熱點問題。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題
我的研究目標是L型支腿的箱型偏軌其中的的大車行走機構(gòu)。要實現(xiàn)這一目標，需要進行的研究基本內(nèi)容有：
1)大車金屬結(jié)構(gòu)部分的力學(xué)分析，保證強度、剛度和穩(wěn)定性；
2)在基本參數(shù)和受力分析的條件下，確定主梁、上端梁、支腿、下橫梁的基本尺寸；
3)確定大車運行機構(gòu)中電機、聯(lián)軸器、減速器、制動器的組合形式及其型號；
4)繪制機構(gòu)各個組成部分的三維圖并裝配一體。二維圖包括：總體裝配圖，支腿零件圖和典型零件圖。
擬解決的主要問題：首先是結(jié)構(gòu)的確定，選擇合理的形式和尺寸。起重機的設(shè)計重要的是在滿足設(shè)計要求的前提下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最簡化、重量的最輕巧，因此設(shè)計的剛度、強度和穩(wěn)定性計算是設(shè)計研究的主要問題。運行機構(gòu)的設(shè)計中驅(qū)動方式、驅(qū)動輪的位置和輪距、電機制動器等的布置形式也是研究的重要方面，直接影響到起重機的性能。
三、研究步驟、方法及措施
1、課題研究的方法：由于對本課題研究的內(nèi)容沒有經(jīng)驗，所以我將采取綜合研究的方法。一方面要參考業(yè)內(nèi)相關(guān)的標準和手冊。比如《起重機設(shè)計手冊》等，按照標準進行設(shè)計。再來就是參考相關(guān)的書籍和指導(dǎo)，比如《門式起重機》、《龍門起重機》等，按照專家的經(jīng)驗指導(dǎo)。還有就是對照已有的類似課題從中汲取經(jīng)驗和思路，咨詢老師和同學(xué)。實施研究是劃分子課題，按照金屬結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算、運行機構(gòu)的選型計算、其他零部件的選擇校驗、繪制圖紙幾部分進行。
2、研究步驟和措施
根據(jù)劃分的子課題，將整個研究步驟分成4部分進行：
1)起重機的總體力學(xué)設(shè)計
這是整個設(shè)計過程中最為重要的一部分。根據(jù)研究的起重機所處的工作環(huán)境確定工作類型和載荷狀態(tài)，這是計算的前提。然后進行強度校核計算、計算剛性支腿和柔性支腿的支承反力、計算輪壓、整體穩(wěn)定性的計算?；敬_定整體的尺寸。
2)運行機構(gòu)的設(shè)計
根據(jù)第一步有關(guān)輪壓的計算和起重機的設(shè)計要求，在了解運行機構(gòu)的組成和特性的條件下，選擇大車的運行機構(gòu)形式，確定出驅(qū)動輪位置和輪距。然后進行細節(jié)設(shè)計，對電動機、制動器、減速器的設(shè)計計算和選型，對于軸也要完成校核計算。
3)其他部件機構(gòu)的計算
完成其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計，比如司機室，樓梯，電纜卷繞機構(gòu)的確定。
4)圖紙的繪制
根據(jù)前面的尺寸和型號的選擇，對每一個零部件和機構(gòu)進行solidworks的三維建模，然后裝配到一起，組成整體的三維裝配圖，并實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。再完成總體裝配圖、支腿零件圖、和個別零件的總計相當(dāng)于3張A0的二維圖紙。
四、研究工作進度
1)第一次節(jié)點考核：第二周完成文獻檢索情況；第三周完成外文翻譯及文獻整理、文獻綜述；第四周完成方案論證方案設(shè)計、開題報告以及PPT文檔的制作。
2)第二次節(jié)點考核：第五周完成圖紙閱讀和計算參數(shù)準備；第六、七、八周依次進行整體的力學(xué)分析、運行機構(gòu)的設(shè)計和計算、其他部分的選擇和設(shè)計；第九周完成二維圖紙的繪制。第十周完成PPT的制作。
3)第三次節(jié)點考核：第十一周至十三周完成三維設(shè)計和有限元分析；第十四周完成畢業(yè)說明書；第十五周導(dǎo)師審圖和說明書；第十六周完成PPT的制作。
五、主要參考文獻
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六、指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽字：
年月日
七、系級教學(xué)單位審核意見：
審查結(jié)果：通過完善后通過未通過
關(guān)鍵詞：人工智能 電氣 自動化
人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法 技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機科學(xué)的一個分支 它企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機器．該領(lǐng)域的研究包括機器人．語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統(tǒng)等。電氣自動化是研究與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運行、自動控制，電力電子技術(shù)、信息處理、試驗分析 研制開發(fā)以及電子與計算機應(yīng)用等領(lǐng)域的一門學(xué)科。實現(xiàn)機械的自動化，讓機械部份脫離人類的直接控制和操作自動實現(xiàn)某些過程是電氣自動化和人工智能研究的交匯點。積極運用人工智能的新成果無疑有利于電氣自動化學(xué)科特別是自動控制領(lǐng)域的發(fā)展．也有利于提高電氣設(shè)各運行的智能化水平．對改造電氣設(shè)備系統(tǒng)，增強控制系統(tǒng)穩(wěn)定性．加快生產(chǎn)效率都有重大意義。
1、人工智能應(yīng)用理論分析
人工智能(Artificial Intelligence)，英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)用于模擬，延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機科學(xué)的一個分支，它企圖了解智能的實質(zhì)．并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機器 該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統(tǒng)等。自從1956年“人工智能 一詞在Dartmouth學(xué)會上提出以后，人工智能研究飛速發(fā)展，成為以計算機為主．涉及信息論．控制論， 自動化、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)的一門學(xué)科。人工智能研究的一個主要目標是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜的工作。
當(dāng)今社會，計算機技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面．計算機編程技術(shù)的日新月異催生自動化生產(chǎn)，運輸 傳播的快速發(fā)展。人腦是最精密的機器，編程也不過是簡單的模仿人腦的收集、分析、交換、處理、回饋．所以模仿模擬人腦的機能將是實現(xiàn)自動化的主要途徑。電氣自動化控制是增強生產(chǎn)．流通、交換、分配等關(guān)鍵一環(huán)．實現(xiàn)自動化，就等于減少了人力資本投入，并提高了運作的效率。
2、人工智能控制器的優(yōu)勢
不同的人工智能控制通常用完全不同的方法去討論。但Al控制器例如：神經(jīng)、模糊、模糊神經(jīng)以及遺傳算法都可看成一類非線性函數(shù)近似器。這樣的分類就能得到較好的總體理解．也有利于控制策略的統(tǒng)一開發(fā)。這些Al函數(shù)近似器比常規(guī)的函數(shù)估計器具有更多的優(yōu)勢．這些優(yōu)勢如下：
(1)它們的設(shè)計不需要控制對象的模型(在許多場合，很難得到實際控制對象的精確動態(tài)方程，實際控制對象的模型在控制器設(shè)計時往往有很多不確實性因素，例如：參數(shù)變化，非線性時，往往不知道)。
(2)通過適當(dāng)調(diào)整(根據(jù)響應(yīng)時間 下降時間、魯棒性能等)它們能提高性能。例如模糊邏輯控制器的上升時間比最優(yōu)PID控制器快1.5倍 ，下降時間快3.5倍， 過沖更小。
(3)它們比古典控制器的調(diào)節(jié)容易。
(4)在沒有必須專家知識時．通過響應(yīng)數(shù)據(jù)也能設(shè)計它們。
(5)運用語言和響應(yīng)信息可能設(shè)計它們。
總而言之，當(dāng)采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制器、規(guī)則庫和隸屬函數(shù)在模糊化和反模糊化過程中能夠自動地實時確定。有很多方法來實現(xiàn)這個過程，但主要的目標是使用系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定的解，并且找到最簡單的拓樸結(jié)構(gòu)配置．自學(xué)習(xí)迅速，收斂快速。
3、人工智能的應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，許多高等院校及科研機構(gòu)就人工智能在電氣設(shè)備的應(yīng)用方面展開了研究工作，如將人工智能用于電氣產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，故障預(yù)測及診斷、控制與保護等領(lǐng)域。
3.1 優(yōu)化設(shè)計
電氣設(shè)備的設(shè)計是一項復(fù)雜的工作 它不僅要應(yīng)用電路、電磁場、電機電器等學(xué)科的知識，還要大量運用設(shè)計中的經(jīng)驗性知識。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計是采用簡單的實驗手段和根據(jù)經(jīng)驗用手工的方式進行的．因此很難獲得最優(yōu)方案。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電氣產(chǎn)品的設(shè)計從手工逐漸轉(zhuǎn)向計算機輔助設(shè)計(CAD)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。人工智能的引進．使傳統(tǒng)的CAD技術(shù)如虎添翼．產(chǎn)品設(shè)計的效率及質(zhì)量得到全面提高。用于優(yōu)化設(shè)計的人工智能技術(shù)主要有遺傳算法和專家系統(tǒng)。遺傳算法是一種比較先進的優(yōu)化算法，非常適合于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計。因此電氣產(chǎn)品人工智能優(yōu)化設(shè)計大部分采用此種方法或其改進方法。
3.2 故障診斷
電氣設(shè)備的故障與其征兆之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，具有不確定性及非線性．用人工智能方法恰好能發(fā)揮其優(yōu)勢。已用于電氣設(shè)備故障診斷的人工智能技術(shù)有：模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
變壓器由于在電力系統(tǒng)中的特殊地位而備受關(guān)注，有關(guān)方面的研究論文較多。目前對變壓器進行故障診斷最常用的方法是對變壓器油中分解的氣體進行分析．從而判斷變壓器的故障程度。人工智能故障診斷技術(shù)在發(fā)電機及電動機方面的研究工作也較為活躍。
3．3智能控制
人工智能控制技術(shù)在自動控制領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已廣泛展開．但在電氣設(shè)備控制領(lǐng)域所見報道不多?？捎糜诳刂频娜斯ぶ悄芊椒ㄖ饕?種：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制。由于模糊控制是其中最為簡單、最具實際意義的方法．因而它的應(yīng)用實例最多。
4、結(jié)語
人類智能主要包括三個方面．即感知能力．思維能力 行為能力。而人工智能是指由人類制造出來的 機器”所表現(xiàn)出來的智能。人工智能主要包括感知能力、思維能力和行為能力。人工智能的應(yīng)用體現(xiàn)在問題求解．邏輯推理與定理證明，自然語言理解 自動程序設(shè)計．專家系統(tǒng)，機器人學(xué)等方面，而這諸多方面都體現(xiàn)了一個自動化的特征．表達了一個共同的主題，即提高機械人類意識能力，強化控制自動化．因此人工智能在電氣自動化領(lǐng)域?qū)笥凶鳛?，電氣自動化控制也需要人工智能的參與。
參考文獻：
關(guān)鍵詞：低壓真空斷路器；雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機構(gòu)；真空滅弧室參數(shù)；實體模型；有限元分析
中圖分類號：TM153 文獻標識碼：A
1 引言
低壓斷路器廣泛應(yīng)用于低壓配電路中，它不僅擔(dān)負著反復(fù)地接通與斷開低壓配電電路，而且當(dāng)電路發(fā)生過載、短路等故障時可以立刻動作，斷開電路。
近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展一些基于真空滅弧室的低壓斷路器相繼出現(xiàn)，但其操動機構(gòu)基本上是傳統(tǒng)的彈簧或電磁操動機構(gòu)。由于在低壓電器中80%的故障都是機械故障。而彈簧操動機構(gòu)則是靠機械傳動，零部件數(shù)量多，傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障的概率很高，所以減少機械部件成為減少故障問題的主要方法。
永磁操動機構(gòu)作為一種新型真空斷路器的操作機構(gòu)，零部件少，運動部件只有一個動鐵心，所以大大降低了故障源，幾乎不存在可靠性的問題、免維護，而且它的出力特性與反力特性配合良好，已經(jīng)普遍應(yīng)用于中、高壓領(lǐng)域。本文設(shè)計一種配合低壓真空滅弧室的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)。對幾種不同結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的電磁吸力特性進行分析。
2 設(shè)計模型
2.1 四種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計
對電壓等級不同的真空斷路器，由于所帶負載、傳動機構(gòu)的不同，動鐵心受永磁體的力也不相同，機構(gòu)的分、合閘動作的時間（分合閘時間）、速度（分合閘速度）也不相同，因此永磁操動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、性能參數(shù)也不相同。所以，不同的斷路器，根據(jù)情況的不同需配備不同結(jié)構(gòu)形式的永磁操動機構(gòu)。在設(shè)計結(jié)構(gòu)前，首先應(yīng)該對結(jié)構(gòu)、參數(shù)和能耗進行分析計算，使其均達到目標要求。由此本文提出了結(jié)構(gòu)形式不同的四種雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機構(gòu)：（a）永磁體緊靠動鐵心，（b）永磁體緊靠動鐵心，但由于在氣隙下面加了極靴，因此整個動鐵心的長度減小，但是動鐵心的行程與（a）保持相同，（c）永磁體緊靠靜鐵心，（d）永磁體占滿整個磁軛部分。
2.2 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)工作原理
雖然結(jié)構(gòu)各不相同，但工作原理卻一致，以（a）為例說明。
假設(shè)開始時斷路器位于合閘的狀態(tài)，那么動鐵心處于操動機構(gòu)的頂部。所以機構(gòu)上端空氣隙小磁阻小，下端空氣隙大磁阻大，因此由永磁體所產(chǎn)生的磁力線絕大部分都通過上部磁路，將動鐵心吸合在合閘位置。
當(dāng)對斷路器進行分閘操作時，只需在分閘線圈中通過大小適當(dāng)?shù)碾娏鳎@一電流產(chǎn)生的磁力線和靜鐵心上部的磁力線方向完全相反，起到抵消的作用。但是分閘線圈在中部產(chǎn)生的磁力線方向與永磁體在中部產(chǎn)生的磁力線方向卻一致。因此動鐵心受到的向上的電磁吸力逐漸減小，當(dāng)分閘線圈中的電流增大到一定程度時，動鐵心所受到的電磁吸力之和大于動鐵心上的負載，此時動鐵心將會向下運動。
當(dāng)動鐵心開始向下運動時，其機構(gòu)頂端與靜鐵心的上面的磁極之間的空氣隙會越來越大，進而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻則會慢慢變小。并且向下運動的過程中伴有電流的增大，使動鐵心受的向下的合力增大，進而使得整個動鐵芯加速向下運動。當(dāng)動鐵芯到達底部會被永磁體所吸合，此時即使斷開分閘線圈中的電流，動鐵心依舊會維持在機構(gòu)的底部即分閘狀態(tài)。
合閘過程與分閘過程完全相似；這里不再敘述。
3 理論分析及計算
以上的公式說明任何磁場都可當(dāng)作由分布電流產(chǎn)生，根據(jù)經(jīng)驗永磁體有以下兩種電流模擬的方法：
（1）永磁體整個區(qū)域內(nèi)部充滿電流的模型（體電流模型）。
（2）永磁體外部邊界上存在的電流的模型（面電流模型）。
4 仿真及優(yōu)化設(shè)計
永磁操動機構(gòu)的分、合閘操作以及位置維持依賴于機構(gòu)內(nèi)部的磁場變化來實現(xiàn)，所以對機構(gòu)中的磁場變化進行研究具有重要意義。根據(jù)經(jīng)驗和實際理論計算出的尺寸進行實體建模并做如下仿真。
（1）未通電情況下，永磁體單獨作用的磁通分布可以說明其工作原理。由于下面的磁路的空氣隙使磁阻很大，所以此時磁通幾乎都通過上面的磁路。
（2）當(dāng)接收到分閘命令后，分閘線圈中開始通電，線圈產(chǎn)生的磁場使動鐵心下面的磁場變強。隨著電流的不斷增強，動鐵心受線圈產(chǎn)生向下的吸力變大，此力與永磁體產(chǎn)生的電磁吸力相反。使動鐵心受到的向上電磁吸力越來越小。
（3）通過對不同電流等級的磁力線分布獲得不同結(jié)構(gòu)下的電磁力之和，通過分析結(jié)果進而做出優(yōu)化選擇。由于優(yōu)化是又一個深入的課題，再次就不加以論述。
結(jié)論
根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)，可以得出：
（1）當(dāng)分、合閘線圈中通入的電流為零時，動鐵心受到的吸力與其體積成正比。
（2）（a）結(jié)構(gòu)線圈作用在動鐵心上的力是最先克服永磁吸力向下運動的，而（b）、（c）、（d）結(jié)構(gòu)的線圈需要通入很大的電流才能使動鐵心開始動作。
由此可知，在設(shè)計永磁機構(gòu)時，選擇方向的不同，會使設(shè)計的結(jié)構(gòu)也不同。如果從節(jié)能方面考慮，（a）結(jié)構(gòu)更加合適，原因是和另外三種結(jié)構(gòu)相比（a）中線圈通入的電流很小時動鐵芯就開始動作；若從結(jié)構(gòu)小型化來設(shè)計，（d）更好，因為在操作設(shè)備體積相同的時候，（d）結(jié)構(gòu)提供的永磁吸力是最大的。盡管（c）結(jié)構(gòu)耗能大，但是也有它自己的優(yōu)點，比如如果通入的電流很大時它所產(chǎn)生的永磁吸力也很大，所以（c）結(jié)構(gòu)更適合電壓相對較高的真空斷路器。
綜合考慮低壓真空斷路器滅弧室的性能要求（動作快，精度高），所以在設(shè)計操動機構(gòu)時，（a）更合理、可行。
參考文獻
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