摘 要

在我国，煤矿作为主要能源燃料，煤粉给料机作为化工产业中非常重要的一环，在生产过程中发挥着不可或缺的作用。它可以将颗粒物料稳定、均匀、连续的输送到受料装置当中，广泛应用于冶金、煤矿、选矿等行业当中。因此，课题的研究具有重要的理论与实际应用价值。

本文首先在了解加煤机工作原理的基础上，分析研究加煤机的结构组成；其次，利用Pro/E软件平台完成间歇式加煤机各零部件的三维实体建模；然后根据三维实体模型的基本特征和加煤机的工作过程，对加煤机进行了组件造型设计及虚拟装配；最后，在此基础上完成了加煤机的拆装过程模拟仿真。

论文的研究成果可为加煤机的二维零件设计提供一定的理论参考依据，也可用于指导加煤机的结构设计及优化工作。

关键字: 间歇式加煤机，Pro/E, 三维建模设计，虚拟装配

Abstract

In China, coal mine as the main energy fuel, pulverized coal feeder as a very important link in the chemical industry, plays an indispensable role in the production process. It can stably, uniformly and continuously transport granular materials to the receiving device, which is widely used in metallurgy, coal mine, mineral processing and other industries. Therefore, the research of this subject has important theoretical and practical value.

Firstly, on the basis of understanding the working principle of coal feeder, the structure of coal feeder is analyzed and studied. Secondly, the Pro/E software platform was used to complete the three-dimensional solid modeling of the intermittent coal feeder parts. Then, according to the basic features of 3d solid model and the working process of coal feeder, the component modeling design and virtual assembly of coal feeder are carried out. Finally, the simulation of the disassembly process of the coal feeder is completed.

The research results of this paper can provide certain theoretical reference for the design of two-dimensional parts of coal feeder, and can also be used to guide the structural design and optimization of coal feeder.

Keywords: intermittent stoker, Pro/E, 3d modeling design, virtual assembly

目录

1绪论 1

1.2间歇式加煤机简介 2

1.3Pro/E软件简介 3

1.4设计的基本内容、目标、技术方案与措施 3

2基于Pro/E的间歇式加煤机参数化建模 4

2.1上下箱体的建模 4

2.2大小齿轮及链轮的建模 5

2.3上下叶轮的建模 6

2.4轴承座的建模 7

2.5端盖的建模 9

3间歇式加煤机的装配设计 12

3.1间歇式加煤机产品装配分析 12

3.2上下箱体的装配 12

3.3销轴连接装配设计 16

3.4连杆运动机构的装配 16

4基于Pro/E的间歇式加煤机装配拆装仿真 19

5总结 21

6参考文献 22

7致谢 23

1绪论

1.1目的与意义

煤矿是我国矿物能源资源中最为丰富的一种，光是1996年全国一年的原煤生产量就达到了13.75亿吨，而中国也是为数不多的以煤矿作为主要一次能源的国家之一。由于在当前的全球陆地能源资源当中，已探明的大部分石油和天然气资源即将开采殆尽，而少数地区的资源也维持不了很长时间，因此许多专家都认为，中国的一次能源以煤矿为主的结构在未来的很长一段时间内不会发生较大的改变。

煤化工指的是原材料以煤矿为主的化工产业，通过不断的对煤进行深加工，并延长其产业链，可以开发出各种各样的千变万化的化工产品，其特点便是增值空间大、规模效果显著、关联程度高、产业链长以及可以大大的减轻工业生产过程中转化时产生的二氧化硫、二氧化碳等污染物的排放。在国际石油价格一路上升的情况下，以煤化工产业替代石油化工产业的思路得到了社会各界的广泛认同，也因此成为了全球范围内最具潜力的产业之一。

在化工产业中煤粉定量给料机构是生产中最为重要的一环，在实际应用中有着非常大的意义，均匀、稳定、连续的自动供料是保证锅炉稳定、安全燃烧，并且能够节约能源的关键因素。然而煤粉具有颗粒细度小、容易扬尘、流动性好并且流动性随着环境的变化有着非常大的不同的特点，且由于我国自行设计生产的定量煤粉供料机构准确度还不够高，设计不够完善，所以研发新型的煤粉供料机就变得越来越重要。

间歇式加煤机是工厂锅炉系统的重要设备，起到将原煤仓里的原煤间歇性的输送到锅炉的重要作用。检查运动机构的运动是否达到设计要求，运动构件会不会互相发生干涉，并详细且全面的了解所设计机构的力学性能，则是间歇式加煤机工作装置的设计关键所在。

在完成整体设计和零件设计后以及在试制样机之前，需要使用三维建模以及运动仿真技术实现间歇式加煤机工作装置的虚拟装配，同时做到模拟间歇式加煤机工作装置的运动过程，甚至直接分析运动副之间的相互运动关系以及在某一时刻运动副与构件的位置、运动量等，这样可以做到大大减少试制样机所需的费用，并有效地缩短机械产品的开发周期，减少设计错误的发生率，消除整机设计中可能存在的问题，从而提升整体的设计水平，提高产品的质量。

随着计算机的普及以及软硬件技术的高速发展，各种各样的三维机械设计软件作为辅助设计已经成为了一种常态^【1】。而其中Pro/E则是将CAD/CAM/CAE有机地结合为一体的大型三维设计软件，他所拥有的特点：参数化设计、基于特征建模以及建立在统一基层上的数据库上等设计理念被广泛的使用在机械设计、机械装配、系统仿真和模具设计等领域^【3】。Pro/E在国内外的应用相当广泛，被使用在许多领域。

目前，国内外有不少科研单位已经或正在进行Pro/E二次开发的研究工作。北京科技大学的谢敏理等人研究了一种利用Pro/Toolkit进行Pro/E二次开发实现零件的自动装配的方法;华中科技大学机械科学与工程学院的周晖、胡于进等人研究了基于Pro/E的标准件库及其装配工具集的开发，即研究了以Pro/E 参数化造型原理为背景，Pro/Toolkit为主要二次开发工具的标准件库系统，并讨论了其功能目标、标准件信息、快速装配及系统实现的各项关键技术，成功开发出了基于Pro/E三维造型平台的标准件库系统及其装配工具集，上海交通大学磨具CAD国家工程研究中心的汪硕、梅琼风等人研究了基于Pro/E的智能化标准件库开发，即设计了一个多CAD平台插件式零件库系统，采用Kernel/Shell 技术、COM技术结合VC 与VB.net混合编程技术,使内核功能脱离具体CAD软件系统，并基于Pro/E平台实现,验证了该标准件库的实用性^【2】。

综上所述，Pro/E提供了非常完善的机构分析功能以及防震功能，使用实体建模模块创建模型后，就可以模拟模型的运动过程，方便用户动态地观察机构的运动状况，分析机构的运动轨迹、位移以及运动构件是否发生干涉等问题，验证机构设计的合理性，尽早发现设计中存在的问题，从而做到减少设计的周期，优化设计过程。

1.2间歇式加煤机简介

在锅炉燃烧的生产工作过程当中，人工加煤时，加煤数量不均匀以及加煤时间不规则导致冷风与煤同时进入锅炉燃烧，这就直接导致加煤过程中产生黑烟，排放出大量的污染气体，而自动的间歇式加煤能够使得加煤量均匀，煤粉充分燃烧之后能够有效的减少有害气体的排放，通过电机控制加煤系统的间歇式加煤机正能满足自动、稳定、均匀加煤的要求。同时，充分燃烧的煤粉使得资源得到了更加彻底的利用，大大提高了资源利用率，节约了矿物能源资源。并且自动加煤控制系统也提高了加煤效率，因而提高了生产作业的工作效率，也节约了人力成本。

1.3Pro/E软件简介

Pro/ENGINEER是美国PTC的公司标志性的软件。它在目前的3D建模软件领域中占据着重要作用^【3】。该软件可以充分整合设计到生产过程中,允许用户将产品的所有设计和制造步骤在同一时间进行。工作中,他的参数化、基于特征的、单一的数据库、完全相关和工程数据再利用的特点取代了MDA的传统观念。而这种新概念已成为MDA的全球新标准^【1】。自从他创立以来,由于其强大的功能,它已逐渐成为当今世界上的主流。

Pro/E是提出了参数化设计的概念,并使用单一的数据库解决功能相关的问题的第一个软件^【2】。此外,它采用了模块化方法,用户可以根据自己的需要进行选择,可以进行草图,零件制作,装配设计,钣金设计,加工等,以确保用户可以根据自己的需要进行选择,而不必安装到所有模块。Pro/E的基于特征的方法使设计和生产工艺的并行工程的集成。它不仅可以在工作站上应用,也可以在单机上应用。

1.4设计的基本内容、目标、技术方案与措施

设计的基本内容：第一个阶段是各部分零件的建模，在初步学习了Pro/E软件之后，完成各个部分模型的建立的前期工作。第二个阶段是在进一步学习了Pro/E软件的装配功能之后，将先前建立好的模型组装起来，并将设计不合理的地方进行反馈。第三个阶段是进行间歇式加煤机工作装备的装配动画制作，使得使用者更好的理解间歇式加煤机的装配原理。

目标：建立间歇式加煤机工装装备的三维模型制作，并完成凸显出其装配顺序的爆炸图动画，为整体设计和零件设计提供反馈，验证机构合理性，尽早发现并解决结构设计的问题。

技术方案与措施：

采用的方案是依据间歇式加煤机工作装备的工作原理，对其进行结构分析，然后将组成该工作装备的各部分零件，按其建模方法的不同进行分类，使用不同的方法来完成模型的建立。主要分类以及使用的建模方案如下：

垫圈、轴、杆类：拉伸；倒角（倒圆角）

圆盖类：拉伸；阵列

箱体、支架类：拉伸；阵列；镜像；倒角

齿轮类：拉伸；阵列（须用方程生成渐开线画草图）

叶轮类：拉伸；偏移；阵列；投影

链：拉伸；镜像；阵列

重难点：齿轮类及叶轮类零件的建模；动画的制作

2基于Pro/E的间歇式加煤机参数化建模

2.1上下箱体的建模

由于上下箱体建模过程基本一致，因此在此仅以下箱体的建模为例。

1. 进行下箱体侧面的草图绘制，如图2.1(a)所示选择便于拉伸操作的一面，不将箱体中间用于放置叶轮和轴的部分绘制出来简化草绘过程。
2. 将绘制好的草图进行拉伸，形成实心箱体，再用抽壳工具进行抽壳，设置好厚度使其成为空心壳体，注意此时上下两面没有挖空，在后续操作中一并进行挖空处理。
3. 使用基准平面工具在图中部位建立基准面，并使用草绘工具绘制出轴腔的截面圆形，随后进行双向拉伸形成实体。并以其中一面的圆表面作为基准面，在设计位置绘制一个圆形并拉伸切除建成螺钉孔，再使用阵列工具绕轴阵列，输入数量8，输入角度45完成阵列，再使用镜像工具复制到另一面。最后再继续以该表面为基准面草绘圆形，并选择拉伸切除，使其成为空腔。
4. 如图2.1(b)以上下两面为基准面进行下箱体与上箱体连接处的建模以及地面固定处的建模，同样先是在选定好的基准面上进行草绘然后再拉伸，之后再以新建好的面为基准面进行草绘，再一次拉伸，不过这次拉伸的方向选择向内拉伸，并且选择切除，同时将之前未切除的空心壳体上下表面切除。
5. 如图2.1(c)在建好的连接处的一个角上先同样以草绘后拉伸切除的方式建立一个孔，再使用阵列工具，选择方向阵列，先横向阵列，设置好间距以及阵列的数量，然后再进行纵向阵列，完成连接孔的建模。
6. 使用倒角工具进行各部分的倒角工作。
7. (b) (c)

图2.1加煤机下箱体三维实体模型

2.2大小齿轮及链轮的建模

以大齿轮的建模为例：

1. 由于在建模之前的准备工作时，已经准备好了各种标准零件的零件库，因此可以直接先调用零件库当中的直齿圆柱齿轮的基础齿轮，然后选择编辑再生，选择输入全部数值，将设计好的齿轮模数、齿轮齿数、齿轮压力角度、齿轮宽度、齿顶高系数、齿底隙系数以及齿轮的变位系数依次填入，便可初步得到所需要的直齿圆柱齿轮。
2. 步骤1大小齿轮都是一样的，根据不同的数据建好基础的齿轮之后，再根据设计，利用草绘、拉伸、切除、倒角等工具对齿轮进行修改。完成图如图2.2。

图2.2大齿轮实体模型 图2.3 上链轮实体模型

以上链轮的建模为例

1. 与齿轮的建模相同，由于在建模之前的准备工作时，已经准备好了各种标准零件的零件库，其中也包括了链轮，因此可以直接先调用零件库当中的链轮模型作为基础的链轮，同样也是选择编辑再生，选择输入全部数值，将设计好的链轮轮节距、链轮厚度、链轮齿数以及滚子直径依次填入，即可初步得到设计所需要的上链轮。
2. 同样，步骤1上下链轮的步骤也都是一样的，在根据不同的数据建成基础的链轮之后，在更具设计，利用草绘、拉伸、切除、倒角等工具对链轮进行修改。完成图如图2.3。

2.3上下叶轮的建模

以下叶轮的建模为例：

1. 先选择一个基准面进行草绘，拉伸，将叶轮的底部的圆柱绘制出来。
2. 选择圆柱的内面建立基准面，设置设计好的的距离，该距离为下叶轮内部叶片的长度。
3. 在新建立好的基准面上进行草绘、拉伸，将叶轮另一边的底部圆柱绘制出来。
4. 以任意圆柱的内面为基准面进行草绘，将叶轮叶片的截面形状草绘完成，然后选择拉伸，选择拉伸到面，拉伸到另一个圆柱的内面，下叶轮的基本外形绘制完成。
5. 选择一个底面作为基准面进行草绘，拉伸绘制圆柱形凸起，另一侧同理。
6. 选择以叶轮的中心轴为基准轴的任意基准面进行草绘，将放置下叶轮轴的轴腔切面草绘完成，注意绘制成封闭图形，选择旋转切除，完成内部结构的基本绘制。
7. 利用倒角工具，根据设计要求完成各个部位的倒角工作。完成图如图2.4。

图2.4下叶轮实体模型

2.4轴承座的建模

1. 第一步和前面几个零件类似，选择一个基准面进行草绘、拉伸，将轴承座底部的四方体绘制出来。
2. 选择底面为基准面，进行草绘、拉伸，绘制一个底部的方形垫脚。
3. 利用阵列工具，选择绕中心轴阵列，选择数目4个，旋转角度90度，完成底部四个垫脚的绘制。

图2.5大齿轮轴承座实体模型

1. 使用建立基准面工具，以方形底座的竖直侧边为基准建立基准面，设置好距离使其位于底座中间，并在此基准面上绘制如图2.6红色图形所示梯形并拉伸，拉伸时选择双向拉伸，输入设计好的厚度。

图2.6轴承座底座截面

1. 继续在此基准面按设计数据绘制如图2.7所示的红色图形，注意绘制成封闭图形，选择绕轴旋转生成模型。

图2.7轴承座轴腔截面

1. 以生成的圆柱表面为基准面进行草绘、拉伸切除，在另一侧表面重复这一部操作，然后继续以内部圆表面为基准面进行草绘、拉伸切除，完成轴腔的基本绘制。
2. 与步骤4类似，使用建立基准面工具，以方形底座的竖直侧边为基准建立基准面并移动到如图(a)所示的位置。使用轮廓筋工具，选择建立好的基准平面进行草绘，绘制好如图(b)图形，设置好厚度，完成一侧轮廓筋的绘制。

(a) (b)

图2.8轴承座轮廓筋实体模型

1. 连续使用两次镜像工具，省去多次绘制轮廓筋的操作，完成轴承座的基本绘制。
2. 使用倒角工具，按设计要求完成各个部分的倒角步骤。

2.5端盖的建模

在间歇式加煤机的结构设计中设计的端盖里，下箱体的左右端盖建模过程基本一样且更为复杂，因此以下箱体右端盖的建模过程为例：

1. 第一步同样是选择基准面进行草绘、拉伸成实体，建立出下箱体右端盖的底部。
2. 选择圆柱的一个表面为基准面进行草绘，并往里进行拉伸切除。由于要使用到轨迹筋工具的缘故，故只能使用拉伸工具而不能使用绘制截面旋转生成实体或者旋转切除的方式。
3. 以拉伸切除的表面为基准面再进行草绘、拉伸成实体操作。
4. 使用轨迹筋工具，点击插入轨迹筋，选择放置定义，以下箱体右端盖边缘的平面作为平面，进入草绘环境之后，绘制如图2.9直线即可，不需要画到边缘，只需绘制在正确位置，绘制完成后确定。筋的剖面形状默认，之后在进行倒角工作的时候进行统一处理，输入轨迹筋的厚度之后点击确定即完成轨迹筋的建立。

图2.9下箱体右端盖轨迹筋

1. 利用阵列工具复制剩余的三条轨迹筋，选择轴向阵列，输入数量4，输入角度90。
2. 选择中间拉伸的圆柱，使用拔模工具设置其斜度。选择拔模工具，设置好其拔模斜面以及拔模方向，输入拔模斜度。
3. 如图2.10所示选择中心平面为基准面进行草绘、拉伸成实体操作。并利用阵列工具进行阵列处理，选择轴向阵列，输入阵列数量4，角度90。

图2.10下箱体右端盖截面

1. 按照设计要求，利用一系列草绘、拉伸成实体以及拉伸切除的操作完成另一面以及轴腔的建模处理。如图2.11选择端盖外表面为基准面，利用草绘、拉伸切除绘制一个螺孔，软后使用阵列工具进行阵列，编辑选择轴向阵列，输入数量8输入角度45。

图2.11下箱体右端盖实体模型

1. 按照设计要求利用倒角工具对各部分进行倒角处理。

3间歇式加煤机的装配设计

3.1间歇式加煤机产品装配分析

在所有零件的实体模型建立完成之后,需要按照二维图纸的设计方案将设计好的零件装配在一起,组成一个个次组件或者最终组成整个产品。装配是产品设计开发的中间环节,在零件设计之后,他为产品设计仿真、结构分析和创建工程图做准备。

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