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

（河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018）

對MATLAB軟件系統的應用方便了工程與機械設計的計算和優化，大量可靠性實例的介紹為機械工程領域的科研人員提供了更多的學習與借鑒機會，許多成功技術已被應用于實際工作之中。對機械中V帶摩擦力的研究，應用MATLAB軟件更為方便、快捷和準確。V帶的傳動是一種應用廣泛的傳動系統，輪槽側面與V帶兩側面壓緊產生的摩擦力帶動V帶運轉，這種傳動功率大，而且傳動平穩。為防止V帶傳動中的失效現象，有必要進行V帶的可靠性研究。傳統的V帶設計方法繁瑣、效率低，而應用MATLAB軟件對機械中V帶傳動系統進行可靠性優化設計，語法符合工程設計語言要求，不僅初始參數輸入簡單，而且編程工作任務量小，優越性十分明顯［1］。利用MATLAB針對工程設計編寫計算程序簡潔高效，能夠提高可靠性分析計算的工作效率。其仿真功能可以實現對設計結果圖像的顯示可視化操作，簡化了傳統方法機械可靠性設計中的設計步驟，在設計程序正常運行的情況下，可以很直觀地展現設計產品的目標構造與參數情況，為機械可靠性設計提供了便利條件?；贛ATLAB的可靠性快速算法的研究具有較大的工程實用價值［2－4］。

1 計算子系統制作流程圖

實用V帶傳送實例要有參考結構圖，可以修改輸入參數，實現不同需求下的結果。在MATLAB中編程輸入參數可變的可靠性分析計算的過程，然后再設計實例界面。其流程圖如圖1所示。

圖1 計算子系統制作流程圖Fig.1 Calculation subsystem production flow chart

2 模型建立及程序編譯

2.1 傳動數學模型的建立

在實際工程中，機械過載時帶在帶輪上打滑及帶的疲勞損壞是V帶傳動的主要失效形式，因此，不發生打滑失效的可靠度及疲勞強度可靠度是影響對V帶可靠度分析的2個重要方面［5－8］。

1）不發生打滑失效的可靠度計算

機械正常運行，帶傳遞過程中V帶傳動不打滑的條件是:

變差系數CFmax＝CF0；

標準差σFmax＝CFmaxFmax；

再進行正態分布函數計算后，即可得出V帶傳動不發生打滑失效的可靠度R1＝φ（ZR1）。

2）疲勞強度可靠度計算

按照常規設計理論要求，要保證設計出的V帶傳動在預定的工作期間內正常工況條件下不會發生疲勞損壞，滿足V帶傳動的計算功率Pca≤［P0］條件即可，因此，V帶傳動不發生疲勞損壞的可靠度為

表1 V帶帶型系數表Tab.1 V－belt type coefficient

2.2 MATLAB程序的編譯

2.2.1 不發生打滑的可靠度

2.2.2 疲勞強度可靠度計算

3 程序調試及實例驗證

3.1 V帶傳送軟件設計原則

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

2）保證軟件應用界面美觀，從應用者的角度考慮界面布局，構造結構清晰，應用方便的界面。

3）利用GUI設計工具實現草圖總體布局［11］，達到設計要求。

4）編寫程序完成計算器的各項功能［12］，實現設計目的。

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，再選擇其中的GUI命令，顯示GUI的設計模板，根據流程圖將控件選擇區的相應控件拖拉到設計工作區的相應位置［13］。

2）格式調整 修改控件屬性控件狀態具有統一的格式，它與用戶的界面設計要求不會完全一致，需要根據使用者的要求對其屬性進行重新設置，以獲得所需界面的顯示效果。點擊Static Txt功能按鈕建立靜態文本框，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 完成屬性設置，保存靜態界面設置后，點擊工具欄上的運行按鈕，激活該界面。在激活后，形成2個同名文件: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，但是無法實現任何功能，需要編寫回調函數。

4）程序編號 代碼程序編寫包括:插入圖片、初始參數的設定及運算代碼的輸入、數據保護、數據傳遞、界面調用等［16－18］。

3.3 系統的集成與調試

按前述流程，編寫程序，繪制圖形，開發界面，再將三者集成、運行、調試，直至完成系統規定的所有功能。系統運行開發界面如圖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，選擇需要計算的類別，在彈出的圖3二級界面中，鍵入原始參數，點擊計算，即可迅速得到相應可靠性計算結果；調試過程如果發現有問題，則需打開主程序m文件，找到錯誤區間進行修正，再次調試，直至最后完成。

3.4 實例驗證

某機械設備采用普通V帶傳動，設備的電動機功率P＝（15±2）kW，轉速n1＝（730±15）r/min，傳動比i＝3.87，采用5根長度Ld＝6 300mm的V型帶傳動，有關設計參數為小帶輪直徑d1＝224 mm，包角α1＝163.6（2.855rad），帶傳動的張緊力F0＝（1 600±120）N。取工況系數為KA＝1.6，帶與帶輪間當量摩擦系數fv＝2.038，傳動過載量為正常載荷的1.6倍。把實例的參數輸入，點擊計算，即可得到該普通V帶傳動不發生打滑失效的可靠度R1＝99.47%，不發生疲勞損壞的可靠度R2＝92.62%。

圖3 二級界面疲勞強度可靠度計算Fig.3 Interface of fatigue strength reliability calculation

4 結 語

通過MATLAB對V帶傳送系統進行可靠性分析與計算，只需在軟件中更改不同V帶傳送的已知參數，即可獲得不發生打滑失效的可靠度以及疲勞強度可靠度的計算結果，有效地解決了傳統算法與分析的繁瑣復雜，節省了大量時間。原始初始參數輸入簡單，計算迅速，為V帶傳送系統的可靠性分析計算提供了一種有效便捷的方法。

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