基于Adams的傳輸鏈仿真分析

范玉萌

(重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

傳輸鏈?zhǔn)且环N介于傳動鏈和輸送鏈的鏈條應(yīng)用形式，既可以為后續(xù)的機(jī)構(gòu)提供動力，也可以輸送物體。傳輸鏈繼承了傳動鏈較好的緩沖、吸振性能，同時具有輸送鏈精確同步輸送的功能。在工程上可以利用傳輸鏈控制生產(chǎn)流水線的節(jié)拍以及多個傳動系統(tǒng)之間的動作協(xié)調(diào)，因此，特別適用于那些需要統(tǒng)一驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動以保證各個機(jī)構(gòu)同步運(yùn)行的情況。傳輸鏈通常是由標(biāo)準(zhǔn)的傳動滾子鏈條和專門設(shè)計的適合于傳輸應(yīng)用的附件組成，成本低。因此，傳輸鏈在包裝、食品、化妝品、藥物、瓶裝、制造業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用［1］。

目前，關(guān)于傳動鏈的研究主要集中在發(fā)動機(jī)正時鏈和齒形鏈方面，如孟繁忠等［2］研究了發(fā)動機(jī)正時鏈的多沖特性，李啟海等［3］研究了汽車發(fā)動機(jī)滾子鏈的疲勞可靠性，張京正等［4］研究了發(fā)動機(jī)正時鏈波動與沖擊特性。傳輸鏈可以看作是鏈節(jié)質(zhì)心發(fā)生偏移的傳動鏈，可根據(jù)傳動鏈的特點(diǎn)對其進(jìn)行研究。

本文用Adams軟件建立了參數(shù)化模型，系統(tǒng)地研究鏈節(jié)質(zhì)心偏移、鏈節(jié)鉸接點(diǎn)受力的情況與附件質(zhì)量、附件質(zhì)心偏移以及轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

1 傳輸鏈的特點(diǎn)與力學(xué)計算

如圖1所示，傳輸鏈由雙排滾子鏈條、雙排鏈輪、附件和張緊裝置組成，每個附件的兩端與對應(yīng)鏈節(jié)相連。工件位于附件內(nèi)，附件的形狀根據(jù)工件的形狀確定，以方便傳輸，本文不考慮附件的形狀，只關(guān)注附件質(zhì)量及附件質(zhì)心偏移。

圖1 傳輸鏈原理

根據(jù)附件的質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)，把附件質(zhì)量等效分布到每個鏈節(jié)上，則等效質(zhì)量的質(zhì)心可能位于鏈節(jié)質(zhì)心的上方、下方或者與鏈節(jié)質(zhì)心水平。

1.1 鏈條運(yùn)動特點(diǎn)

由于鏈條的多邊形效應(yīng)［5］，鏈條在中心線、垂直方向的加速度分別為:

其中:r1為主動鏈輪分度圓半徑;α為嚙入過程中鏈節(jié)鉸鏈在主動輪上的相位角，其變化范圍為，同樣也是鏈條的線速度變化的1個周期;W1為主動鏈輪角速度。

Matlab生成的垂直中心線方向加速度和中心線方向加速度如圖2所示。

圖2 鏈條加速度曲線

1.2 傳輸鏈鏈節(jié)的力學(xué)模型

根據(jù)傳輸鏈的特點(diǎn)，對單個鏈節(jié)進(jìn)行受力分析，圖3為附件等效質(zhì)心在鏈節(jié)質(zhì)心之下的鏈節(jié)受力示意圖，鏈節(jié)質(zhì)心在o處。前后鏈節(jié)對此鏈節(jié)通過鉸鏈點(diǎn)1、2作用。附件對鏈節(jié)的力作用在點(diǎn)3處。點(diǎn)3到質(zhì)心o處的距離為L1，鉸鏈點(diǎn)1、點(diǎn)2到質(zhì)心o點(diǎn)的距離為L2。附件質(zhì)量為m1，鏈節(jié)質(zhì)量為m2。圖3中F3x、F3y分別為托板質(zhì)心點(diǎn)的慣性力。F1x、F1y、F2x、F2y分別為相鄰鏈節(jié)通過鉸接點(diǎn)1、2對此鏈節(jié)在x、y方向產(chǎn)生的作用力。

圖3 附件質(zhì)心在鏈節(jié)質(zhì)心之上的受力簡圖

2 傳輸鏈虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 幾何模型的建立

SolidWorks是世界上第1個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)，使其成為一款目前最流行的三維設(shè)計軟件之一。SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，可以在統(tǒng)一平臺進(jìn)行機(jī)械設(shè)計、零件設(shè)計、模具設(shè)計、裝配體和工程圖設(shè)計、消費(fèi)品設(shè)計等，可以提高設(shè)計人員的工作效率［6］。本文的傳輸鏈模型正是在SolidWorks中完成裝配的。

由于模型的對稱性，仿真時簡化為單排滾子鏈。利用三維軟件SolidWorks完成傳輸鏈幾何模型的建立，通過中間格式“.x_t”導(dǎo)入到Adams，如圖4所示。模型主要參數(shù)為鏈輪齒數(shù)Z=15，鏈節(jié)節(jié)距P=19.05 mm，鏈節(jié)數(shù) n=54，中心距 d=371.42 mm。

圖4 傳輸鏈幾何模型

2.2 虛擬樣機(jī)模型的建立

Adams(automatic dynamic analysis of mechanical systems)軟件是由美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)研制開發(fā)，日前己被 MSC公司收購，是日前全球最富盛名、運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件。日前，Adams己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車交通、工程機(jī)械、鐵路、航空航天等領(lǐng)域，被全世界各行各業(yè)的很多制造商所采用。Adams是一款集模型建立、求解以及可視化技術(shù)為一體的機(jī)械系統(tǒng)分析軟件。使用軟件可以真實(shí)地仿真復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動過程，包括系統(tǒng)的靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)分析，完成后可以得到相關(guān)作用力、加速度、速度、位移曲線，還可以輸出系統(tǒng)運(yùn)動過程的動畫以供參考。通過分析，可以對比出不同參數(shù)方案的優(yōu)劣，從而選出最佳方案，大大減少物理樣機(jī)的制造和實(shí)驗(yàn)測試的次數(shù)，進(jìn)而縮短新產(chǎn)品研制花費(fèi)的時間和成本［7－9］。

本次建立的傳輸鏈虛擬樣機(jī)模型中定義各部件關(guān)系如下:主動輪、從動輪與支架鉸接，建立轉(zhuǎn)動副;鏈節(jié)之間鉸接，建立轉(zhuǎn)動副;鏈節(jié)與鏈輪之間建立接觸副;主動輪上定義1個驅(qū)動器Motion 1模擬電機(jī)驅(qū)動。

Adams中的接觸副可以選擇實(shí)體接觸與曲線接觸［10］，本文采用后者，具體方法是:首先在Matlab中將鏈輪的齒廓曲線生成矩陣數(shù)據(jù)文件，準(zhǔn)確定位并嵌入到Adams中的實(shí)體鏈輪中，用圓曲線代替鏈節(jié)的滾子并嵌入到鏈節(jié)實(shí)體中，最后為對應(yīng)的齒廓曲線和圓曲線添加線接觸副，設(shè)置接觸參數(shù)。

3 傳輸鏈仿真分析

3.1 實(shí)體接觸與曲線接觸對比

在Adams中分別用實(shí)體接觸和曲線接觸建立2個模型，其余各種參數(shù)都相同，進(jìn)行實(shí)體接觸與曲線接觸的對比仿真。

仿真結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出:實(shí)體接觸仿真的鏈節(jié)質(zhì)心偏移變化較劇烈，振動幅度大于曲線接觸，這是由于Adams中實(shí)體表面是用小的三角形片組成的，并不是光滑的曲面。而曲線是由矩陣數(shù)據(jù)元素所表示的點(diǎn)擬合成的樣條曲線，是光滑曲線，從幾何意義上講，曲線所表達(dá)的輪廓要比導(dǎo)入的實(shí)體更精確一些。另外，曲線接觸仿真比實(shí)體接觸仿真計算速度有顯著提高。因此，后面都采用曲線接觸建立接觸副。

圖5 實(shí)體接觸與曲線接觸的鏈節(jié)質(zhì)心偏移

3.2 附件質(zhì)心偏移

依據(jù)本文2.1節(jié)中的參數(shù)建立3個傳輸鏈模型，轉(zhuǎn)速為 1 000 r/min，m1=0.5 kg，L1分別為+10、0、－10 mm。鏈節(jié)質(zhì)心偏移值如圖6所示。

圖6 不同L1的鏈節(jié)質(zhì)心偏移

經(jīng)過分析，對應(yīng)于L1的不同值，鏈節(jié)質(zhì)心偏移的平均值分別為 －0.37、－0.42、－0.359 mm，所以在質(zhì)量相同的情況下，等效質(zhì)心向上、向下偏移都會使鏈節(jié)質(zhì)心偏移減小。

圖7 不同L1的鉸接點(diǎn)的受力

由圖7可以看出，等效質(zhì)心偏離鏈節(jié)質(zhì)心使得鏈節(jié)鉸接點(diǎn)的受力增大，而且經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刃з|(zhì)心向上、向下偏移同樣的距離時，向下偏移使鉸接點(diǎn)的受力明顯增大。

3.3 附件質(zhì)量變化

依據(jù)本文2.1節(jié)的參數(shù)建立3個傳輸鏈模型，轉(zhuǎn)速為 1 000 r/min，L1= －10 m，m1分別為0、0.5、4 kg。

在圖8中，經(jīng)過分析，對于m1的不同值，鏈節(jié)質(zhì)心偏移的平均值分別為 －0.40、－0.36、－0.50 mm，所以當(dāng)?shù)刃з|(zhì)心偏移相同時，質(zhì)量在一定范圍內(nèi)的增加會使鏈節(jié)質(zhì)心偏移減小，質(zhì)量增加較多時會使鏈節(jié)質(zhì)心偏移量增大。

圖8 不同m1的鏈節(jié)質(zhì)心偏移

由圖9中不同m1的鉸接點(diǎn)的受力可以看出，等效質(zhì)量的增加使得鏈節(jié)鉸接點(diǎn)的受力明顯增大。

圖9 不同m1的鉸接點(diǎn)的受力

3.4 轉(zhuǎn)速的影響

依據(jù)本文2.1節(jié)的參數(shù)建立3個傳輸鏈模型，L1= －10 m，m1=0.5 kg，轉(zhuǎn)速分別為 1 000、666、333 r/min。鏈節(jié)質(zhì)心偏移、鉸接點(diǎn)受力如圖10、圖11所示。

圖10 不同轉(zhuǎn)速的鏈節(jié)質(zhì)心偏移

圖11 不同轉(zhuǎn)速的鉸接點(diǎn)的受力

因?yàn)檗D(zhuǎn)速不同，所以圖形的時間刻度沒有統(tǒng)一。從圖10、圖11可以看出:轉(zhuǎn)速增大，鏈節(jié)質(zhì)心的偏移有所減少，鉸接點(diǎn)受力明顯增大。

4 結(jié)論

1)運(yùn)用多體動力學(xué)技術(shù)對傳輸鏈進(jìn)行仿真，對傳輸鏈附件的質(zhì)心、質(zhì)心位置以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行了分析。

2)仿真結(jié)果表明:減小附件質(zhì)量，可以減小鏈節(jié)位移波動，增加傳輸鏈的平穩(wěn)性;減小附件質(zhì)心偏移距離、附件質(zhì)量和轉(zhuǎn)速，都可以減小鉸接點(diǎn)受力，提高傳輸鏈的動態(tài)特性。

［1］王義行.鏈條輸送機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

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［3］李啟海.新型Hy-Vo齒形鏈的嚙合分析及其設(shè)計［D］.吉林:吉林大學(xué)，2007.

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［5］機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊［K］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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