超高型堆垛机金属结构优化设计分析论文

时间：2023年12月12日

来源：xiaozhents

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下面是小编给大家整理的超高型堆垛机金属结构优化设计分析论文，本文共8篇，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。本文原稿由网友“xiaozhents”提供。

篇1：超高型堆垛机金属结构优化设计分析论文

摘要:以超高型堆垛机金属结构为研究对象，通过分析其设计准则、主要约束条件及优化目标，采用三维参数化设计与有限元方法相结合，开发了超高型堆垛机金属结构的参数化设计模型，并用Ansys有限元分析法对其金属结构进行结构优化设计，促进堆垛机向超高及轻量化方向应用与发展。

关键词:堆垛机;金属结构;参数化设计;有限元分析

0引言

堆垛机的主要用途是在货架仓库的巷道内沿轨道往返运行，将货物存入或者取出，从而实现货物的流动。超高型堆垛机主要用于大型立体仓库中，其整体金属结构超高，如果按以往经验设计，堆垛机的结构尺寸不仅偏大而且质量也重，整机的刚度、强度及稳定性都较差，特别是，当载货台在货物存取过程中运行速度与加速度较大时，堆垛机容易振动过大，其金属结构上部挠度变形明显，导致出现存取货过程中设备定位不准确、运行不平衡、定位时间长等不良状况，严重影响货物的出入库效率，制约着自动化立体仓库工作效率和经济效益的发挥。本文通过三维参数化设计与有限元分析法相结合，对超高型堆垛机进行金属结构优化设计，以提高超高型堆垛机整机工作性能。

篇2：超高型堆垛机金属结构优化设计分析论文

UG三维软件对某超高型堆垛机金属结构进行参数化建模，并结合Ansys有限元分析软件对其进行分析与优化。

3.1堆垛机金属结构模型的建立应用

UG三维软件，对超高型堆垛机金属结构进行了三维参数化设计与建模，要注意:对堆垛机结构进行分析时，应根据研究问题的不同，建立相对应的结构模型。通过对其主要设计参数进行定义与分解，分析堆垛机结构设计中所需的目标参数以及性能参数，以尺寸作为模型的特征参数保存起来。尺寸参数的设置与驱动是参数化设计的前提和要领，在以后的优化设计中，可将其作为可视化参数进行修改。在设计中，将双立柱堆垛机的部件形状与尺寸结合起来，通过尺寸驱动实现对整个金属结构图形的变形控制，所有相关特征参数协同变化，实现堆垛机金属结构的参数化设计。通过尺寸驱动的参数化设计形式，形成了超高型堆垛机模型。在设计中，能通过所有的特征参数来对模型进行修改与完善，驱动形成不同尺寸与规格的金属结构模型，简化了设计过程，避免了大量的重复设计工作，对后续的有限元分析及其相关结构优化设计具有重要的意义。

3.2堆垛机金属结构优化目标分析

堆垛机金属结构是堆垛机的主要承载部件，其使用时间决定了堆垛机的使用寿命，通过分析超高型堆垛机的结构模型及其主要特征参数，在满足约束条件的基础上进行结构分析与研究，以降低加工与制造成本，并提高堆垛机使用性能。主要考虑从以下几个方面开展堆垛机金属结构优化设计:1)主立柱的优化设计，包括立柱截面尺寸的优化、立柱腹板厚度的合理设计，立柱内加强肋的设置与布局;2)副立柱的优化设计，尤其是副立柱截面尺寸大小的合理设计;3)上横梁横截面的形状及其尺寸的优化设计，上横梁安装滑轮处加强筋的设计与合理布置;4)下横梁主体结构的优化设计，特别是主要受力部分的钢材料厚度分析。

3.3堆垛机金属结构有限元分析

Ansys有限元分析软件有经典APDL与Work-bench两种不同分析方法，两者使用的求解器相同，在模型建立、单元选择、网格划分等方面有着显著区别，但是通过建立模型，对在不同的单元选择以及网格划分方法下的结果进行比较发现，两种分析方法的结果基本一致。由于在Workbench环境下建模简单，且修改更加方便，因此，采用Workbench分析方法，对超高型堆垛机金属结构进行分析与优化设计。首先在Ansys软件中导入UG三维参数化模型，并在保证主要受力部件不变的前提下对模型进行一定程度的'简化，例如倒角、孔、相邻两平面微小的不共面等去掉，尽量保证模型的规整［3］。在建立并导入堆垛机金属结构模型后，采用自适应六面体网格划分方法，对其进行网络划分，定义相关的金属结构材料，并加载相应的约束条件。在加载时，应注意金属结构部分主要涉及到的载荷有结构自重载荷、加速度引起的惯性载荷，自重载荷与加速度引起的惯性载荷都可以通过设置重力加速度和一般加速度实现.针对超高型堆垛机约束条件中不同工况的要求，对其金属结构进行有限元分析，将有限元分析的结果以等值线图、云图的方式进行可视化显示，进行强度、刚度等相关分析，研究堆垛机金属结构的局部变形，校验其刚度与强度。根据分析结果，反复修正三维参数化数学模型，并不断导入Ansys软件中，参看所要求的优化设计目标，进行反复分析与设计，从而完成超高型堆垛机金属结构的优化设计，满足目标需求。在结构优化设计过程中发现:1)在满载额定货物并加减速运动时，金属结构的上下横梁变形较小，但立柱产生的挠度变化比自然状态下增加，且加速度越大立柱挠度变化越明显;虽然加减速的绝对值相同，但是如果运行方向不同，金属结构中立柱的挠度变化也不同，当由主立柱向副立柱方向运动过程中，紧急制动也即减速运行时，其挠度变化会更大;因此，应尽量使堆垛机在运行过程中加减速平稳，并且保证起制动时间。2)在分析过程中，发现应力集中主要发生在主、副立柱与上、下横梁的联接处，且金属结构的内侧联接处的应力明显大于立柱与横梁联接的外侧;由于堆垛机的下横梁承载着整个堆垛机和货物的重力，运行时的加减速变化使交变应力直接作用于下横梁与立柱的联接处，同时上横梁滑轮安装处应力集中明显，经建模分析，分别在这些部位加设同向的加强筯，可以提高金属结构的强度和刚度。3)对于堆垛机金属结构，其高度越高，在运行过程中立柱上部振幅与摆动越大，可以通过优化立柱的截面尺寸与内部加强筋的设计，改变金属结构材料，修正上、下横梁截面形状等措施，来保证堆垛机整体质量的同时提高综合性能。

4总结

本文通过分析超高型堆垛机金属结构的设计准则、主要约束条件及优化目标，应用UG三维软件对其建立了参数化数学模型，以减少模型的重复建设，并将此设计方法与Ansys有限元分析法相结合，优化金属结构，及时发现堆垛机结构设计中可能存在的问题，提出改正与优化措施，对堆垛机金属结构进行优化设计，以更好地满足实际应用中各种工况条件下超高型堆垛机金属结构的性能需求，促进堆垛机向超高及轻量化方向应用与发展。

参考文献

［1］谭晓东.堆垛机器人结构力学分析与优化［J］．大连交通大学学报，(12):47－49.

［2］刘文波.基于ANSYS的油田重型堆垛机结构优化设计［J］．制造业信息化，(12):163，164.

［3］于艳.基于ANSYS的堆垛机结构力学分析［D］．大连:大连交通大学，.

篇3：超高型堆垛机金属结构优化设计分析论文

堆垛机结构复杂，下横梁的导轮、运行轮和上横梁的导轮分别沿地轨和天轨横向运行，载货台沿主、副立柱上下移动［1］，本文所述的超高型堆垛机金属结构主要是指主立柱、副立柱与上横梁及下横梁焊接而成的框架结构，而载货台等其他部件均以静载荷或动载荷的形式加载于堆垛机金属结构上，超高型堆垛机的主要设计准则如下:1)必须使堆垛机的金属结构满足强度设计要求。强度越高，说明金属结构材料在外力作用下抵抗变形或者破坏的能力越强，在实际设计中，通常会考虑其主要载荷，选取相应的安全系数值，进行静强度的设计与校核计算，使之满足强度要求。2)在堆垛机实际设计中，挠度是堆垛机最为关键的技术指标［2］，因此，合理设计金属结构以提高整机的刚度非常重要。超高型堆垛机由于其金属结构重心偏高，如果堆垛机的刚性太差，会使运行过程中堆垛机的挠度变形大，严重影响堆垛机的定位与运行效率，但增大堆垛机的刚度，又将导致堆垛机的质量和外形尺寸变大，增加制造和使用成本。3)在超高型堆垛机金属结构设计中，金属结构的整机稳定性和局部稳定性也是一个重要的考虑因素，特别是当其运行速度较快时，需要保证其运行的平稳性，以防侧倾或侧翻现象的发生。

2堆垛机金属结构的约束条件

通过分析超高型堆垛机的性能要求，参考其主要的设计准则，结合以下约束条件，建立相应的数学模型，并进行结构优化设计:1)堆垛机的主要运行工况要求;2)金属结构应满足强度要求;3)在极限工况下达到规定的安全系数要求;4)考虑金属结构的变形、振动等规定值要求;5)关键零部件的使用要符合寿命要求;6)金属结构满足加工工艺的要求。

篇4：桥式起重机疲劳分析优化设计论文

0引言

桥式起重机作为工厂、铁路、港口等跨间距固定的货场的主要搬运设备，可以完成大重量货物的垂直提升和水平移动，其中，主梁是桥式起重机最重要的承载构件之一。在桥式起重机频繁起吊的过程中，主梁将承受动载荷和交变载荷的反复作用，容易下挠，并且主梁是一种典型的焊接钢结构，其母材与焊缝间通常会存在一定的焊接缺陷，因此，在使用过程中，主梁结构上容易发生疲劳破坏。同时，由于疲劳破坏属于脆性断裂，断裂前不会出现明显的宏观塑性变形，这就使得疲劳破坏可能在瞬间发生，从而导致灾难性事故。因此，非常有必要对桥式起重机主梁结构的疲劳破坏现象进行分析，对易发生疲劳破坏的危险截面进行疲劳寿命估算，并采取补强措施，从而尽可能减小疲劳断裂事故的发生几率。

篇5：桥式起重机疲劳分析优化设计论文

对于桥式起重机，其发生疲劳破坏的结构和部位主要是焊接处，此处存在的应力集中、焊接残余应力和焊接缺陷等会造成焊缝处产生疲劳裂纹，进而发生构件断裂。有统计表明，约49％的疲劳破坏都发生在起重机主梁下部翼缘和腹板焊接处。

1．1应力分析

1．1．1起重机承载应力测试由于桥式起重机在起吊过程中承载的是交变载荷，因此采用静态应变仪和动态应变仪测试起重机易发生疲劳破坏部位（如主梁上下翼缘板、主梁端部主腹板等）的应力情况，可以判断其金属结构是否可以满足静强度和动强度的要求。以一台50t×30m桥式起重机的桥架为例，起吊重量为35．5t。在静态测试条件下，当重载小车在主梁跨中部位时，主梁上下翼缘板承载的应力最大（约22～30MPa），其中上翼缘板为压应力，下翼缘板为拉应力，而拉应力是影响疲劳破坏的主要因素；对于主梁端部主腹板，其主应力和剪切应力接近，但是通常材料的抗拉能力明显强于其抗剪切能力，因此影响疲劳破坏的主要应力是剪切应力，并且在重载小车位于固定梁端时，固定梁端主腹板的剪切应力最大（约10MPa）。对于静态测试下应力较大的关键测点，在起重机起吊和移动过程中，进行动态应力测试，以司机室侧主梁下翼缘板和主腹板为例，下翼缘板处的拉应力在110s内经历了小—大—小的循环过程，最大拉应力为26．33MPa；类似地，主腹板处经历了剪切应力循环变化，最大剪切应力达7．67MPa。这种结构应力的循环特征，会促进疲劳裂纹的形成和扩展，因而与金属结构的疲劳有密切关系。

1．1．2焊接残余应力分析起重机主梁的上、下翼缘板和主腹板一般通过焊接工艺与主梁进行连接。在焊接过程中，焊缝处经历了不均匀的热循环变化，从而在焊缝处产生残余应力，而这种残余应力对焊接质量的'影响非常突出，容易引发裂纹，导致焊缝强度和韧性下降。焊接残余应力的主要产生原因主要包括以下几个方面：

（1）热应力：焊接部位局部急速加热到高温，焊接接收后快速冷却，形成了温度梯度，极易产生残余应力。

（2）塑性变形应力：母材焊接前的轧制或拉拔等塑性变形加工，也会产生残余应力，并且可以与焊接的热应力进行叠加。

（3）相变应力：焊接过程中，焊缝处局部高温，会引起母材和焊料的组织发生相变，导致组织比容变化，从而产生应力。

1．2疲劳裂纹的形成

起重机主梁的损坏大部分是承载焊缝的疲劳失效引起，通常是从受力最大部位的缺陷处开始。一般在焊缝缺陷处（如气孔、位错等）存在局部应力集中，加上焊接残余应力的叠加作用，容易发生位错滑移和聚集，引发裂纹萌生，在循环应力作用下，裂纹不断扩展，一旦超过临界尺寸就会发生脆性断裂破坏。即使焊缝不存在缺陷，在焊缝的焊趾处也会存在较明显的应力集中，从而容易在该处引发疲劳破坏。焊缝热影响区内的焊趾处发生开裂，沿焊缝的焊根边缘发生开裂。这说明裂纹在焊缝或母材上的热影响区内萌生，在交变应力作用下，都能扩展进入焊缝或母材，引发焊缝处断裂。

2桥式起重机应对疲劳破坏的措施

2．1焊缝截面的优化

在桥式起重机主梁主腹板和上盖板焊接时，应根据具体情况采用K形坡口或V形坡口焊接。对于大吨位桥式起重机，其主梁的主腹板厚度达16mm，V形坡口难以熔透板厚，会导致焊接强度下降，宜采用K形坡口；而对于轻量化桥式起重机，主腹板厚度减小，宜采用V形坡口进行内部施焊。另外，坡口角度过大，会造成焊缝缺陷增多，导致焊缝疲劳寿命小于母材，因此主腹板坡口角度一般不超过50°。焊缝的表面有内凹和外凸两种，会影响焊缝应力流的传递，有研究表明，内凹形焊缝应力较低、疲劳寿命较长，因此在焊接后需对主要承载焊缝进行表面处理，使其表面呈内凹形。

2．2应力集中结构的改造

在主梁主腹板和下盖板连接处和端梁的变截面弯角处存在局部应力集中，是主要裂纹源之一。在焊接时，不应将下盖板与主腹板对接焊接，可将下盖板向箱梁内延伸一段后进行焊接，这样可以降低焊接处的挤压应力，缓解应力集中。对于变截面弯角处，应设置过渡圆弧，且圆弧半径不宜太小，同时，在弯角处加焊肋板，以缓解应力集中对主腹板的影响。

2．3主腹板的改造

将桥式起重机的平直主腹板沿纵向进行形状改造，形成波形腹板，使其沿桥架纵向形成一定规律的波形变化，从而显著增加腹板的承载面积和垂直方向的稳定性，有研究表明，波形腹板梁的应力要比平直腹板梁小38％左右。不过，仅使用波形腹板，其抗扭刚度和水平刚度较弱，在水平冲击力下，容易导致主梁沿水平方向发生较大变形。因此，需将波形腹板和平直腹板配合使用，结合平直腹板在水平方向的刚度和波形腹板在垂直方向的刚度特点，提高主梁的稳定性。

3结语

本文结合断裂力学和疲劳损伤分析，对桥式起重机主梁结构进行技术改进，对延长主梁疲劳寿命和减少疲劳断裂事故具有重要的意义。同时，还应该应用先进的检测技术，如磁粉探伤检测技术对起重机主梁进行检测和评估，以及时发现存在的缺陷，并进行修复，做到防患于未然。

篇6：多车型翻车机系统优化设计论文

多车型翻车机系统优化设计论文

1、多车型翻车机系统在港口的应用及问题

1.1多车型翻车机系统在港口的应用

经过发展后的现代化多车型翻车机在实际操作工作中的应用越来越广泛，其起到的作用来越来越重要。特别是对我国港口在大型大宗货物运输装卸方面，其重要程度不言而喻。像目前港口的大宗松散货物的运输装卸，多采取倾倒的方式来对其进行卸车，在这种情况下的卸车的效率是比较高的。随着翻车机系统的不断发展，其设备机器和规模也越来越庞大。随之而来的改变就是翻车机的结构构造和卸车方式上的不同。目前翻车机有多种不一样的机型和种类。主要有KFJ—1型侧倾式翻车机；M2型转子式翻车机；C型转子式翻车机等。现代化的转子式多车型翻车机主要为齿轮来进行的转动。目前多用于生产规模较大的物流运输公司，特别是港口在卸载大宗货物方面，起到了不可替代的作用。但是，受限于发展技术水平的影响，其相关的一些设计技术还不完善，所以，我国港口在卸载货物物料的时候，速度不能得到保障，有时候还得一定程度上借助于人力劳力的帮助。翻车机它是翻车机系统的主体，在整个翻车机卸载系统中，如何发挥其最大效果关键是取决于翻车机的内部构成及结构设计。

1.2多车型翻车机系统在港口应用中的问题

首先，因为多车型翻车机这种超大型的机械设备机体比较大，同时结构也相当复杂，再加上不少港口的机械设备更新不及时，使用的多是过于陈旧的机械设备，就比如说转子式驱动翻车机，它就是采用的钢丝绳来进行传动，虽然整体来看结构比较简单、轻便，但是其中的钢丝绳容易磨损、使用寿命也比较短，不利于工作运行效率的'提高。其次，我们也都知道港口的地理位置，由于其特殊的天气状况等自然气象环境，像一些性能并不是很好的机械设备，则会非常容易造成伤害、磨损、腐蚀等现象。例如南京的浦口码头，以前经常会发生一些机械故障。因为有的翻车机入口坡度比较大，一般的机车已经无法顶送。但是，后来经过研究技术人员的优化改造，开发出了———铁牛推送装置。

2、关于多车型翻车机系统的优化设计方面的探究

2.1多车型翻车机电动力系统的优化设计

翻车机系统主要有三套性能在各方面都不一样的机器系统设备。它们是翻车机驱动；推车机驱动；定位车驱动。在设计方面应该加强注重系统的性能设计和控制。上一部分在问题中也提到了“铁牛推送装置”，铁牛推送装置在港口作业中比较普遍，作业方式多样化，相比较于传统的单一的机车顶送作业方式，使作业效率得到极大的提高和改善。

2.2对多车型翻车机作业工艺过程中检测装置的设计进行优化

为了更好地满足定位车在翻卸过程中不摘钩的翻车机车型工艺，以便更好的来保证定位车和其它车厢之间的联接，所以应当在检测装置等方面不理想的部分进行合理的优化及其工艺改造。

2.3多车型翻车机控制系统的优化设计

根据我国的在多车型翻车机作业的模式的认识上，可以知道翻车机系统应用的具体子系统：Con-troILogix控制器；上位机系统；用户操作站点；Flex远程控制网络等。这些都是最基本的条件，也是翻车机系统进行工作的前提。为了能更好地提高其系统的运行效率，通过研究翻车机相关控制系统的设计，更有助于系统整体对多车型翻车机的控制操作。

3、结束语

多车型翻车机是在适应人类社会生产力发展的需求下而出现的。它取代了以往在卸载货物的运用人力劳力的作业情况，它的出现极大的改善了在高速发展的经济社会中生产力的生产环境。但是，随着对更高效的自动化作业的要求，对待多车型翻车机系统设计方面还需要不断的技术改造。仅仅对翻车机的机身进行改造的话是远远不行的，要想更好地适应翻车机系统的自动化高效工作的要求，就必须在翻车机系统整体性能上就行优化设计，以便保证其高效运行。

篇7：偏置式曲柄滑块机构的优化设计及运动分析论文

关于偏置式曲柄滑块机构的优化设计及运动分析论文

1引言

曲柄滑块机构是机械设计中常用的一种机构。按行程速比系数K设计平面曲柄滑块机构的问题一般归纳为:已知滑块行程H、行程速比系数K,通常有辅助条件,如给定偏距e(或给定曲柄长度r2,或给定连杆长度r3),来设计曲柄滑块机构(即确定未知长度尺寸),最后校验最小传动角γmin。对该问题的求解,传统采用简单、直观的图解法,但设计精度较低。利用Matlab解析法可迅速精确地设计曲柄滑块机构。

机构运动分析是根据给定的原动件运动规律,求出机构中其它构件的运动。通过分析可以确定某些构件运动所需的空间,校验其运动是否干涉;速度分析可以确定机构从动件的速度是否合乎要求;加速度分析为惯性力计算提供加速度数据。运动分析是综合分析和力分析的基础。使用Matlab中的Simulink,可对动态系统进行建模、分析和仿真。从而在形成实际系统前,能进行适时的修正,以减少总体设计时间,实现高效开发的目的。

2优化设计

2.1设计实例及方程

例如:要求设计滑块的行程H=100mm,K=1.25,γmin≥40°的曲柄滑块机构。

式中:r1为滑块位移;r2为曲柄长度;r3为连杆长度;r4为偏距。

根据图1建立矢量方程:

r2+r3=r1+r4

速度方程的矩阵形式:

1r3sinθ30-r3cosθ3·r1ω3=-ω2r2sinθ2ω2r2cosθ2

加速度方程的矩阵形式:

1r3sinθ30-r3cosθ3¨r2α3=-α2r2sinθ2-r2ω22cosθ2-r3ω23cosθ3α2r2cosθ2-r2ω22sinθ2-r3ω23sinθ3

根据行程,极位夹角,行程速比系数,最小传动角的定义可推出以下方程:

θ=K-1K+1×180°θ=arcsinr4r3-r2-arcsinr4r3+r2H=(r2+r3)2-r24-(r3-r2)2-r24γmin=arcosr2+r4r3

式中:K为行程速比系数;H为行程;θ为极位夹角;γmin为最小传动角。

2.2优化设计结果

利用已知条件在MATLAB下编制以下程序:

functionF=slider(x)

D2R=pi/180;

h=100;

k=1.25;

gama=4;

F=[asin(x(3)/(x(2)-x(1)))-asin(x(3)/(x(2)+x(1)))-pi*(k-1)/(k+1);acos((x(1)+x(3))/x(2))-D2R*gama;sqrt((x(1)+x(2))^2-x(3)^2)-sqrt((x(1)-x(2))^2-x(3)^2)-h];

在窗口中利用函数fslove求解得:

r2=48.494,r3=85.263,r4=16.821

对设计结构进行验证:可得到H=100.00mm,K=1.25,γmin=40.00°此结果与设计要求完全符合,可见用MATLAB进行偏置式曲柄滑块机构的优化设计简单、高效、精确。

3运动分析

当曲柄以1800r/min匀速旋转时,对所设计偏置式曲柄滑块机构进行运动分析。由于曲柄的转速很高所以在0.07s内,曲柄就可以转动2周。在Simulink下建立模拟仿真框图对偏置式曲柄滑块机构进行模拟仿真。

滑块的位移图反映了滑块所经历的各个位置,可看出所设计的.机构是否与其它机构有干涉。由速度图可看出滑块的机构特性,并验证机构是否符合要求。加速度图则为以后惯性力的分析奠定了基础。

4结论

运用MATLAB及其中的Simulink模块,对给出行程H,行程速比系数K和许用传动角[γ]的偏置式曲柄滑块机构,进行优化设计和运动分析。设计结果不但满足现代机械设计的要求,设计过程编程简单。而且得到曲柄在旋转一周的过程中,曲柄在任意位置对应的其它参数,同时为后面惯性力的分析提供条件。曲柄滑块机构应用广泛,这一设计方法方便、简单,具有较好的实用价值。

篇8：电力机车粘着控制中滤波环节的优化设计方法分析论文

电力机车粘着控制中滤波环节的优化设计方法分析论文

1引言

电力机车的牵引力和制动力依赖于车轮和轨道之间的粘着。机车在遇到雨雪等自然情况下，因轨面潮湿，机车牵引力大于轮轨间可用的粘着力，多余的牵引力将加速车轮形成空转，造成一系列严重损害。粘着控制装置随着自动控制理论的发展也在被不断改进和深入研究。目前的电力机车中的粘着控制器，是以代码形式集成于机车牵引控制板(TCU)之中的，其中重要的一环，就是滤除各种车体震动、电磁干扰等噪声。在机车调试及运营维护中采用的传统数据处理实验方法需要利用编程方法，将TCU取出重新刷入程序，再放回机车进行试验线上的观察。这种依赖于实验效果进面调节参数的方法，为粘着控制实验带来极大的不便，反复修改TCU全部程序不仅容易导致控制逻辑出错，更大幅增加了实验成本。国内关于粘着控制的研究，大多着眼于控制方法的改进如虚拟样机在粘着控制中的应用，以及校正型控制方法等。但是关于粘着控制数据处理方法的相关研究，尚显不足。

针对上述问题，本文提出一种基于计算机辅助的新型设计方法。通过MATLAB软件中提供的FDATooI工具箱集成的各种数字滤波器算法，利用图形化界面的方式使用户设定相关参数，可以自动算出迭代公式系数，大大简化了设计过程。由于FPGA不能进行浮点数运算，故面在初步设计滤波器之后，利用Fdesign对其进行定点化并自动调整动态范围。Simulink与Modelsim的联合仿真，是目前非常流行的FPGA前期设计方法。通过MATLAB平台强大的处理能力，对方法进行验证，进面由Modelsim进行FPGA端仿真，再利用FDA-Tool生成可供FPGA使用的代码。利用FPGA并行处理速度上的优势，减轻TCU的负担。

仿真结果表明，本文所提出的设计方法，是对现有“实验-修改-实验”方式的大幅优化，不仅便于修改、节省成本，更为后续将FPGA引入TCU的研究提供了可靠基础。

2机车粘着理论

粘着的基本着眼点，是机车轮轨关系。粘着理论阐述了牵引力在轮轨之间是如何发挥作用的。在不同工况下，电机转矩有多少转化为实际牵引力，一般用粘着系数来定义。使电机的牵引力尽量多地转化，是粘着控制的最终目的。

2. 1蠕滑摩擦力

电力机车在走行过程中，轮轨之间的相互作用力，并不是简单的刚体纯滚动，面应看作是一个弹性体在另一个弹性体上的滚动。在二者形成的接触面上，对应质点间材质在干摩擦下产生的相对形变现象就称为蠕滑。由于车体的重量及机车动轮上施加的使其前行的力矩，当力矩值不足以使轮对在轨面上产生真正滑动时，接触面之间的车轮和钢轨都将产生弹性形变。车轮上被压缩的部分随着车轮滚动面伸展恢复，面其下的钢轨则被压缩，这一过程导致轮对的圆周线速度高于车体的实际移动速度，此两者的差值就是蠕滑速度。当牵引力增大至某一数值时，切向力和蠕滑达到极限，超过这个极限后，两者将迅速发生打滑。

2. 2粘着特性曲线

粘着力的利用率可以用粘着系数表征，粘着系数与蠕滑率并无数学表达式，但是牵引力受蠕滑率影响，因此蠕滑率与粘着系数成正比关系。基于大量试验，人们获得了蠕滑率和粘着系数之间的关系，称为粘着特性曲线。

2. 3机车牵引及轮轨动力学模型

电力机车的牵引及机械传动部分包括牵引电机、齿轮箱、轮对和传动轴等部件。为简化分析，通常将牵引电机与控制牵引力指令的中间环节假设为一阶惯性部分。电机的输出轴上产生的动力矩通过传动装置传达给轮对。轮轨之间的蠕滑运动使力矩最终转化为蠕滑力使车轮沿着钢轨滚动前进。

3滤波方法选定

目前对于粘着控制方法的研究，都是基于对轮对测量速度信号的分析和判断。因此，对测量数据的滤波，是非常必要的。国内对于滤波环节的研究，都还限制于反复实践的'方法，传统方法因原理缺乏系统性，导致操作复杂耗时，不仅需要对整个控制程序进行修改，更导致机车需要反复在实验线上运行，其成本也是巨大的。针对此问题，本文提出一套优化设计方法，该方法借助软件，将先期对滤波器性能的考察一次完成，省去反复实验环节，便于针对性修改，因此大幅提高了研究效率。

实际应用中，常用的滤波方法有算术平均值滤波、中值滤波等，但是电力机车粘着控制中对空转打滑识别的要求是速判断，应做到20m、内完成滤波、识别、控制整套流程，因此粘着控制对滤波的延时非常敏感。基于此问题本文采用了兼顾实时性及滤波效果的一阶低通滤波结合限幅滤波的方法。

4滤波器设计

4.1 FDATooI

MATLAB中的FDATooI工具箱利用图形化界面和给予用户高自由度的方式实现了参数可调、定制程度高、分析便利的滤波器设计。

4.2 Fdeisgn实现定点化

可编程逻辑器件(FPGA)近几年在数字信号处理中应用越来越广泛。因此将这种并行运行、处理迅速的定制化控制器引入到电力机车牵引控制单元(TCU)，对于简化控制逻辑和提高控制效率是深具研究意义的。

在FPGA中做信号处理为达到比较高的运算速度和较少的资源占用，通常使用定点化数字信号处理。虽然FPGA厂商和IP提供商提供了一些浮点IP，但是目前大多数应用还是趋向定点化处理。使用MATLAB中的Fdesign工具箱进行滤波器定点化，步骤简单，便于修改，也为转化Verilog代码提供极大便利。

5总结

本文从大功率电力机车粘着控制问题出发，为解决设计适合机车实际运行的复合的滤波方法，提出一种新型的数据处理设计方法，即采用MATLAB工具箱初步设计滤波器，并结合两大平台优势的Simulink-Modelsim联合调试，自动生成可供FPGA平台适用的Verilog HDL语言。仿真结果表明，该种滤波方法能够有效滤除数据采集中存在的“尖峰值”以及其它干扰噪声，同时，整套设计方法避免了传统方法的大量计算编程工作，简化了软件之间的接目设置，减少FPGA端代码工作量，为后续的研究提供了极大便利。在FPGA平台的实现，也为后续设计制作独立的机车粘着控制板卡提供了探索空间，具有很好的理论研究和实际应用意义。

超高型堆垛机金属结构优化设计分析论文.doc

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