徐如強(qiáng)
(北京機(jī)械設(shè)備研究所,北京100854;貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限公司,貴州 遵義563003)
鏈傳動是一種通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力的機(jī)械傳動形式,在遠(yuǎn)距離傳動、環(huán)境惡劣的工作場合得到廣泛應(yīng)用[1]。但由于鏈傳動的多邊形效應(yīng)、鏈輪鏈條的嚙合沖擊、鏈條的磨損變形或負(fù)載變化等因素的存在,引起各種較為復(fù)雜的附加動載荷。某型裝填設(shè)備采用鏈傳動的形式進(jìn)行動力傳遞,推動貨箱滑上貨架,傳動過程的動載荷有可能造成裝填過程的不穩(wěn)定。
因此,有必要將動載荷引入到裝填設(shè)備鏈傳動的受力分析過程中。裝填設(shè)備的鏈傳動與一般形式的鏈傳動過程存在一定的差異性,其計算分析也有一定的差異,因此本文對某型裝填的鏈傳動過程進(jìn)行了分析,同時利用MSC/ADAMS軟件對其進(jìn)行了動力學(xué)仿真。
相對于一般負(fù)載作用在從動輪上的鏈傳動,裝填設(shè)備的負(fù)載通過推貨架施加在鏈條的鏈節(jié)上。當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)動時,將帶動鏈條或經(jīng)從動輪帶動鏈條運(yùn)動,進(jìn)而推動負(fù)載運(yùn)動。
某裝填設(shè)備簡圖如圖1所示,推貨架與傳動鏈上的2節(jié)鏈節(jié)固定連接,另有導(dǎo)軌限位使其只能沿直線運(yùn)動,貨箱一端與貨架固定,另一端搭接到固定的貨架上(本次分析從貨箱頭部已搭載到貨架上開始)。在主動鏈輪作用下,將帶動鏈條或經(jīng)從動輪帶動鏈條運(yùn)動,進(jìn)而驅(qū)動推貨架推動貨箱在貨架上滑動,完成貨箱上下貨架的功能。某裝填設(shè)備相關(guān)參數(shù)如下:鏈輪間距為8 800 mm,貨箱質(zhì)量為10 000 kg,長度為7 000 mm,質(zhì)心位于中間,所用鏈條節(jié)距為15.875 mm,鏈輪齒數(shù)為23,貨箱與貨架摩擦系數(shù)按0.12計算,貨箱運(yùn)動速度最大值為2 m/min。
圖1 裝填設(shè)備簡圖
依據(jù)機(jī)械設(shè)計教材[1],鏈傳動在工作時,存在緊邊拉力和松邊拉力。不計動載荷時緊邊拉力和松邊拉力分別為:
式(1)(2)中:Fe為有效圓周力,N;Fc為離心力引起的拉力,N;Ff為懸垂拉力,N。
對于裝填設(shè)備,其圓周力應(yīng)為對負(fù)載的工作拉力,因此圓周力的值為:Fe=Fμ=0.12×10 000×10=12 000 N。
離心力引起的拉力為:
式(3)中:q為鏈條單位長度質(zhì)量,1 kg/m;v為鏈速,m/s;裝填設(shè)備鏈條的運(yùn)動速度較小,離心力引起的拉力在此可忽略不計。
懸垂拉力為:
式(4)中:a為鏈傳動的中心距,mm;Kf為垂度系數(shù);α為中心線與水平面夾角。
對裝填設(shè)備而言,將從動鏈輪視作定滑輪,不計從動鏈輪的摩擦阻力,則鏈條的懸垂拉力可認(rèn)為等于主從動鏈輪間鏈條的懸垂拉力。裝填設(shè)備鏈傳動為水平布置形式,為保證一定張緊力,垂度較小,垂度系數(shù)按文獻(xiàn)[1]中圖9-9取值25,則Ff=25×1×8 800/100=2 200 N。
綜上所述,則鏈條緊邊拉力F1=14 400 N,松邊拉力F2=2 200 N。
在裝填設(shè)備鏈傳動過程中,因多邊形效應(yīng)的存在,鏈速是變化的,則由鏈條牽引運(yùn)動的貨物速度也是變化的。依據(jù)文獻(xiàn)[1],鏈條實際用于牽引貨物運(yùn)動的速度及相應(yīng)的加速度為:
式(5)中:β為某鏈節(jié)與鏈輪進(jìn)入嚙合至下一鏈節(jié)嚙合過程,鏈節(jié)與鏈輪中心連線與豎直方向夾角,為鏈輪齒數(shù)。
式(6)中:R為主動鏈輪的分度圓半徑;ω為主動鏈輪轉(zhuǎn)動速度;p為鏈條的節(jié)矩。
因裝填設(shè)備的運(yùn)行速度及鏈條節(jié)矩較小,按上述參數(shù)及公式計算最大慣性力僅為2.1 N,因此,在該裝填裝置的計算過程中,多邊形效應(yīng)引起的最大慣性力較小,可忽略不計。
目前常用的動力學(xué)仿軟件是MSC/Adams,其以計算多體動學(xué)為理論基礎(chǔ),研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系,結(jié)合高性能計算機(jī)來對產(chǎn)品進(jìn)行仿真計算,進(jìn)而得到各種性能數(shù)據(jù)[2]。關(guān)于鏈傳動仿真模型的建立主要有兩種方式,一種是按文獻(xiàn)[3-5]等所述采用三維軟件建立結(jié)構(gòu)模型再導(dǎo)入Adams軟件采用宏命令添加接觸與約束的形式建立仿真模型;另一種是采Adams/machinery中鏈傳動模塊進(jìn)行建模仿真。本文采用第二種方式進(jìn)行建模及仿真分析,仿真簡化模型如圖2所示。
圖2 Adams仿真簡化模型
裝填設(shè)備傳動鏈緊邊某鏈節(jié)的張力曲線如圖3所示,圖中鏈條張力曲線平均值14 674 N,其結(jié)果與理論計算值14 400基本一致,說明理論分析與仿真的正確性,可以作為裝填設(shè)備設(shè)計、選型的依據(jù)。
圖3 鏈節(jié)張力曲線
本文對某裝填設(shè)備的鏈傳動進(jìn)行了力學(xué)分析,結(jié)果表明在低速、小節(jié)距的鏈傳動中,多邊形效應(yīng)對鏈傳動慣性力的影響及離心力引起的鏈條拉力均可忽略不計。通過Adams軟件對某裝填設(shè)備的鏈傳動進(jìn)行了動力學(xué)仿真,仿真結(jié)果與理論分析較為一致,可為裝填設(shè)備的設(shè)計、選型提供依據(jù)。