胡升陽(yáng),趙俊天,雷春麗,董亞亞（蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

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30 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈系統(tǒng)鏈輪節(jié)距優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

胡升陽(yáng),趙俊天,雷春麗,董亞亞
（蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

摘要：鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈?zhǔn)秦?fù)責(zé)鑄模和鋁錠的輸送。由于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)不平穩(wěn)，導(dǎo)致鋁錠表面形成明顯的“水波紋”現(xiàn)象，影響鋁錠的價(jià)格和質(zhì)量。通過(guò)理論分析優(yōu)化鏈輪弧節(jié)距，以減少?lài)Ш蠜_擊載荷，提升傳輸平穩(wěn)性。并結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立輸送鏈系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，驗(yàn)證了鏈輪弧節(jié)距及弦節(jié)距對(duì)輸送鏈性能的影響。

關(guān)鍵詞：節(jié)距；分度圓；嚙合沖擊；角速度

1　兩端溝槽狀波紋產(chǎn)生的機(jī)理

30 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組是專(zhuān)門(mén)用于普通重熔用鋁錠連續(xù)鑄造的自動(dòng)化生產(chǎn)線，在國(guó)外已得到較廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)仍然存在許多技術(shù)難點(diǎn)，尚未得到廣泛應(yīng)用。較為突出的問(wèn)題在于國(guó)內(nèi)同類(lèi)機(jī)型在生產(chǎn)中鋁錠表面出現(xiàn)水波紋，對(duì)產(chǎn)品的外觀質(zhì)量影響很大，影響了其銷(xiāo)售價(jià)格。常見(jiàn)的鋁錠表面波紋有同心圓狀、泡狀和兩端溝槽狀三種波紋[1]。這三種波紋常相互交織，共同存在。前兩種水波紋可通過(guò)保持干凈、改進(jìn)工序、提高技術(shù)人員技術(shù)等來(lái)改進(jìn)。其中第三種波紋鋁錠的外觀質(zhì)量影響最大，波紋幅度最大，就目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)型30 t/h鋁錠鑄造機(jī)組來(lái)言很難消除,是重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

兩端溝槽狀波紋這類(lèi)水波紋對(duì)鋁錠的外觀質(zhì)量影響最大，波紋幅度最大，形成的原因有：

（1）輸送鏈系統(tǒng)的振動(dòng)形式主要為三種即鏈節(jié)的橫向振動(dòng)與縱向振動(dòng)、鏈輪的軸向與徑向振動(dòng)、滾子的徑向變形振動(dòng)[8]。由嚙合沖擊引起的鏈節(jié)振動(dòng)或鏈輪振動(dòng)是導(dǎo)致輸送鏈系統(tǒng)振動(dòng)和鋁錠表面出現(xiàn)水波紋的最主要原因 。嚙合沖擊是由于嚙合過(guò)程中鏈條與鏈輪輪齒間相互作用而產(chǎn)生的 。傳統(tǒng)的滾子鏈與鏈輪嚙合時(shí)，后一個(gè)滾子沿著以前一個(gè)已嚙入的滾子的中心為圓心，以節(jié)距為半徑的圓弧嚙入鏈輪即使兩個(gè)滾子直接與鏈輪底部突然接觸，產(chǎn)生沖擊,且呈現(xiàn)出一定的周期性。

（2）鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)[6、7]造成輸送鏈系統(tǒng)不平穩(wěn)，且當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈輪勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏈運(yùn)行的速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化。同時(shí)30 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組，采用大節(jié)距（pc=132.5 mm)，導(dǎo)致不平穩(wěn)性更明顯[3]。

（3）鏈傳動(dòng)速度不均勻性發(fā)生周期性變化, 損害傳動(dòng)的同步性與均勻性，引起鑄模振動(dòng)使液態(tài)鋁晃動(dòng)。由于靠近鑄模內(nèi)壁溫度相對(duì)較低，此位置的液態(tài)鋁先凝固成型，未凝固的鋁液波峰每次接近已凝固的鋁時(shí)就在其上凝固成型，使得鋁錠以中部為界因鋁的減少而出現(xiàn)較深的溝槽。

2　鏈輪節(jié)距的修正

2.1理論分析

傳統(tǒng)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中，鏈輪的節(jié)距和鏈條的節(jié)距是相等的，并且鏈條的中心線位置呈現(xiàn)周期性變化。鏈輪的節(jié)距是指在鏈輪的分度圓上與鏈條的對(duì)應(yīng)鏈節(jié)相嚙合的兩個(gè)齒槽間的距離，也就是分度圓上的弦節(jié)距p1[9]。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的三圓弧一直線齒形鏈輪，當(dāng)使鏈輪的弧節(jié)距pc等于鏈條的節(jié)距p，可明顯降低振動(dòng)鏈條節(jié)距的相對(duì)伸長(zhǎng)量Δp/p≤3%，亦不會(huì)發(fā)生跳齒與掉鏈[1]。

依據(jù)現(xiàn)用的30 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下計(jì)算：

鏈輪的弧節(jié)距：

pc= 鏈條的節(jié)距p =132.5 mm

主動(dòng)鏈輪的弧節(jié)距：

改用弧節(jié)距與鏈條節(jié)距相等,則：

主動(dòng)鏈輪的變化幅度為：由此可知，當(dāng)改用弧節(jié)距等于鏈條的節(jié)距后，皆不會(huì)出現(xiàn)跳齒和掉鏈的情況。而此時(shí)鏈輪的弦節(jié)距p1＜p。由于鏈輪弦節(jié)距小于鏈條節(jié)距，鏈條在鏈輪上將出現(xiàn)爬高，如圖1中滾子 A 將沿鏈輪齒廓的非工作齒面爬高，但能處在較大的圓上，不會(huì)像傳統(tǒng)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)那樣下降到與分度圓呈最大相割位置 。因此可以減小鏈條的橫向振動(dòng) 。另外修正后的鏈輪，滾子 B 將首先與鏈輪輪齒的工作齒面接觸 , 此時(shí)滾子與鏈輪齒槽底部之間會(huì)有一個(gè)間隙C。間隙 C的存在使得滾子不會(huì)突然接觸鏈輪齒槽底部，亦不會(huì)產(chǎn)生徑向沖擊，而只有切向接觸力。然后滾子沿工作齒廓逐漸嚙入，嚙入過(guò)程中切向沖擊能量得到了消耗。當(dāng)滾子完全嚙入鏈輪齒槽底部時(shí)。徑向接觸才出現(xiàn)。即切向沖擊與徑向沖擊不同時(shí)發(fā)生,有一個(gè)時(shí)間差。這個(gè)時(shí)間延遲使得沖擊能量分布在較長(zhǎng)的時(shí)間區(qū)間，能降低振動(dòng)[4]。

圖1　修形鏈輪與滾子鏈嚙合示意圖

2.2計(jì)算分析

現(xiàn)行主動(dòng)鏈輪的分度圓直徑D1=847 mm，設(shè)計(jì)使鏈輪弧節(jié)距等于鏈條節(jié)距。

故可得分度圓的直徑為：

同時(shí)計(jì)算得到鏈條節(jié)距的相對(duì)伸長(zhǎng)量Δp/p≤3%，保證了鏈傳動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)掉鏈和脫齒的情況。

3　傳輸鏈虛擬樣機(jī)模型建立

3.1幾何模型的建立

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)軟件是美國(guó) MDI 公司研制開(kāi)發(fā)，被 MSC 公司收購(gòu)， 為全球運(yùn)用最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件。己被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)交通、 工程機(jī)械航空航天等領(lǐng)域。ADAMS 是一款集模型建立、求解與可視化技術(shù)為一體的機(jī)械系統(tǒng)分析軟件。軟件可以真實(shí)地仿真復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，包括系統(tǒng)的靜力學(xué)、 運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，并可得到相應(yīng)的作用力、 加速度、 速度、 位移等曲線。

利用ADAMS/VIEW 中的Machinery模塊建立30 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈模型，由于為遠(yuǎn)距離輸送鏈且為非國(guó)標(biāo)，故需通過(guò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)的方法來(lái)建立相應(yīng)的鏈輪齒形（三圓弧一直線），建立輸送鏈模型如圖2所示。

圖2　輸送鏈系統(tǒng)模型

30 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2、表3。

表1　鏈條參數(shù)

表2　鏈輪參數(shù)

表3　材料特性

3.2仿真結(jié)果與分析

由于某滾子從脫離從動(dòng)鏈輪到與主動(dòng)鏈輪相嚙合時(shí)間間隔:

式中，a為中心距；p為鏈節(jié)距；?為主動(dòng)鏈輪角速度。故設(shè)置相應(yīng)的仿真時(shí)間為23 s。

通過(guò)所建立的仿真模型，可以真實(shí)地模擬分析改進(jìn)后的輸送鏈系統(tǒng)在傳動(dòng)過(guò)程中各滾子與鏈輪之間動(dòng)態(tài)情況，圖3中圖3.a為采用主動(dòng)鏈輪弧節(jié)距等于鏈條節(jié)距（分度圓直徑D）的仿真結(jié)果，圖3.b為采用原有主動(dòng)鏈輪分度圓直徑D1的仿真結(jié)果。

對(duì)比兩組圖形可得對(duì)鏈輪弧節(jié)距改進(jìn)后的輸送鏈系統(tǒng)的角速度不均勻性明顯降低，更加趨于均勻，波動(dòng)變化變小。

從圖3.a中可以看出，采用主動(dòng)鏈輪弧節(jié)距等于鏈條節(jié)距的輸送鏈系統(tǒng)的最大波動(dòng)量為2 500.5 (°)/s，且最大量與最小量之間差值為1 230.6 (°)/s。而從圖3.b中可以看出，采用原有主動(dòng)鏈輪分度圓直徑D1輸送鏈系統(tǒng)的最大波動(dòng)量為3 656.7 (°)/s，且最大量與最小量之間差值的為3 570.67 (°)/s，相應(yīng)的降低了65.536%，從圖中可以觀察出波動(dòng)明顯趨于均勻，明顯變小。

4　結(jié)論

影響輸送鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的因素是多方面的，而且某些因素之間還存在相互作用。在分析30 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)輸送鏈鏈傳動(dòng)振動(dòng)來(lái)源的基礎(chǔ)上，筆者通過(guò)改用弧節(jié)距等于鏈條的節(jié)距，發(fā)現(xiàn)可以明顯降低嚙入的沖擊振動(dòng)，從而對(duì)主動(dòng)鏈輪的分度圓直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，近而減少了嚙合沖擊，降低了輸送過(guò)程的振動(dòng)，達(dá)到提高生產(chǎn)的鋁錠的質(zhì)量的目的。也為設(shè)計(jì)鏈輪提供了一定的借鑒意義。在綜合考慮后設(shè)計(jì)選用主動(dòng)鏈輪弧節(jié)距等于鏈條節(jié)距后，較以往的輸送鏈傳動(dòng)系統(tǒng)角速度不均勻性明顯降低，更加趨于均勻，波動(dòng)變化變小，不均勻系數(shù)減少了65.536%，亦為降低鋁錠表面“水波紋”提供了改進(jìn)方法。

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Pitch of 30 t/h aluminum ingot continuous casting machine conveyor chain sprocket gear optimization design and simulation

HU ShengYang ; ZHAO JunTian ; LEI ChunLi;DONG YaYa
（Lanzhou University Of Technology，Lanzhou 730050,Gansu，China）

Abstract:The conveyor chain of Aluminum ingot continuous casting machine is responsible for the delivery of molds and aluminum ingots. The unstability of chain transmission system leads to the forming of obvious water ripple phenomenon at the surface of the aluminum ingot, which affects the price and the quality of aluminum ingots . Through theoretical analysis and optimization the arc sprocket pitch to reduce the load of meshing impact, improving transmission stability. The model of conveyor chain system was established by multi-body dynamics software ADAMS. Through the simulation and calculation of the arc sprocket pitch and sprocket chordal pitch verify the effect of the conveyor chain performance.

Keywords:pitch；reference circle；meshing contact；angular velocity

作者簡(jiǎn)介：胡升陽(yáng)（1990—），男，在讀研究生，主要從事鑄造工藝及設(shè)計(jì)的研究.

收稿日期:2015- 07- 27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（基金號(hào)：51465035）

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .01 9

中圖分類(lèi)號(hào)：TG233+.6；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1 006- 9658（201 6）01 - 0054- 04

稿件編號(hào):1507- 1005