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        煤礦傳送裝置鏈傳動系統(tǒng)動力學分析

        2020-03-26 07:57:28王文龍
        煤礦機電 2020年1期
        關鍵詞:鏈節(jié)動輪輪齒

        王文龍

        (同煤集團 大唐塔山煤礦有限公司, 山西 大同 037001)

        0 引言

        鏈傳動可實現(xiàn)遠距離的力與運動的傳輸,已廣泛應用于各種工程機械。然而鏈節(jié)之間為柔性連接,傳動過程當中鏈條的抖動會帶來不必要的振動和噪聲,而且鏈傳動固有的多邊形效應會引起鏈輪速度的變化以及動載荷。 文獻[1]針對鏈輪輪齒與滾子間的嚙合沖擊力和鏈條張力進行了一些實驗,取得了一些成果;文獻[2]對齒形鏈的多邊形效應進行了研究,并分析了誤差;文獻[3]分析了雙節(jié)距齒形輸送鏈的嚙合機理及其橫向振動的原因;文獻[4]利用ADAMS對輸送機構的鏈傳動裝置進行了多體動力學分析,對鏈傳動的研究具有參考意義。

        1 鏈傳動的運動特性

        1.1 鏈傳動的多邊形效應

        傳送裝置如圖1所示,其傳動部分采用鏈傳動。主動鏈輪轉動通過鏈條帶動右側導輪和頂部兩個從動輪轉動。頂部兩個鏈輪與工作輥連接在一起,因而輥子角速度與相連接的鏈輪角速度相等。

        圖1 傳送裝置實樣

        對于滾子鏈而言,鏈條是由鏈節(jié)等通過銷軸鉸接而成,當鏈條繞在鏈輪上時,鏈節(jié)與相應的輪齒嚙合的一段鏈條將曲折成多邊形的一部分。如圖2所示,在主動輪上鉸鏈A牽引鏈條作直線運動,此時主動鏈輪上面的其他鉸鏈不直接牽引鏈條,故此時的鏈速完全由鉸鏈A決定。由圖2可知,鉸鏈A的線速度為v1=r1ω1,方向與AO1垂直,與鏈條直線運動方向夾角為β,其鉸鏈A此時牽引鏈條運動的實際速度為:

        vx=v1cosβ=r1ω1cosβ

        (1)

        式中:r1為主動鏈輪分度圓半徑,單位為m。但β角并不是恒定不變的,其變化范圍為:

        (2)

        式中:φ1為主動鏈輪一個鏈節(jié)對應的中心角。

        圖2 鏈傳動速度分布

        由此可見,主動鏈輪上的鏈速是周期性變化的,而從動鏈輪上面的鏈條也相應地發(fā)生著同樣的過程。由圖2可以看出,從動輪上面的鉸鏈B被鏈條拉動,帶動從動鏈輪以角速度ω2轉動,此時從動鏈輪的轉速為:

        (3)

        由于β與γ都在一定的范圍內(nèi)不斷地變化,故ω2是周期性變化的,這將導致鏈傳動的瞬時傳動比并不是一個常數(shù),這種特性即為鏈傳動的多邊形效應[5]。

        1.2 鏈節(jié)的沖擊力

        文獻[6]認為鏈傳動的沖擊可等效為以下過程,即等效質(zhì)量為m的滾子,以相對速度v在嚙合處以一定的沖擊角度沖擊鏈輪輪齒,其等效沖擊質(zhì)量為一個節(jié)距內(nèi)鏈條的質(zhì)量。在沖擊作用下滾子與鏈輪輪齒的相互接觸,可看做圓柱體和圓柱面在沖擊載荷作用下的接觸。根據(jù)Hertz應力公式得出:接觸寬度的一半b及變形深度h1、h2為:

        CT輻射劑量和對比劑用量 記錄患者CT容積劑量指數(shù)、掃描長度、劑量長度乘積。有效射線劑量等于劑量長度乘積乘以轉換系數(shù),胸部的轉換系數(shù)k=0.014 mSv×mGy-1×cm-1[5]。碘的總量等于對比劑濃度乘以對比劑用量。

        (4)

        (5)

        (6)

        那么接觸剛度為:

        (7)

        式中:E1、E2分別為鏈條與滾子的彈性模量;μ1、μ2分別為鏈條與滾子的泊松比;ρ1、ρ2分別為沖擊處滾子和滾子與鏈輪的曲率半徑;l為齒寬;P為單位壓力,其大小為1 N。

        若滾子與輪齒之間阻尼系數(shù)取0.1,則滾子與輪齒沖擊的動力學方程為:

        (8)

        式中:m為等效沖擊質(zhì)量;c為阻尼;k為剛度;x為鏈輪位移,其位移一次微分為速度,二次微分為加速度。

        該式應滿足初始條件:

        (9)

        式中:vrel為相對沖擊速度。

        文獻[7]認為鏈輪鏈條沖擊時的初始速度可表達為:

        (10)

        式中:r1為鏈輪的半徑;ω1為鏈輪角速度;z1為輪齒齒數(shù)。

        求解微分方程(8)得:

        (11)

        (12)

        2 軋制裝置鏈傳動系統(tǒng)的建模

        RecurDyn是由FunctionBay公司利用遞歸算法開發(fā)出的多體動力學軟件,它采用了完全遞歸法和相對坐標系運動方程,在求解大規(guī)模動力學問題及存在復雜接觸的多體動力學問題時表現(xiàn)突出,其分析功能十分強大[8]。RecurDyn軟件中有許多專用工具包,可以實現(xiàn)齒輪、輪胎、履帶、鏈條等復雜部件的直接建模,而且接觸已經(jīng)自動設置好,只需對參數(shù)進行修改就可進行仿真并得到精準的結果[9]。

        鏈輪、鏈條的規(guī)格見表1、表2。

        表1 鏈條規(guī)格

        表2 鏈輪規(guī)格

        打開RecurDyn軟件后,在下拉菜單當中選擇Chain模塊,然后在Chain模塊下選擇Ro1ler Link,正確設置參數(shù)后將生成鏈節(jié);選擇Roller Sprocket,然后選擇Link鏈節(jié),就可生成與剛才的鏈節(jié)標準相同的鏈輪,依次生成4個鏈輪;選擇Chain Assemby,只需要依次選擇一下所要連接的Sporocket,并設置好纏繞順序,就可建立完整的模型,手動調(diào)整鏈輪使得鏈輪輪齒與鏈節(jié)處于初始位置,完成后的鏈傳動系統(tǒng)模型見圖3。盡管鏈節(jié)輪齒之間的約束和接觸將自動生成,然而接觸參數(shù)還需要修改,即為4個鏈輪添加旋轉副,為主動鏈輪施加120 r/min的轉速。最后是設置鏈條與鏈輪之間以及鏈條鉸鏈之間的接觸參數(shù),設置剛度即Stiffness為1.0E+005 N/mm,阻尼即Damping取最大剛度的0.1%~1%[4],本文取500,動、靜摩擦因數(shù)均取0.15。

        3 仿真結果分析

        3.1 仿真

        設置仿真時間為0.25 s,仿真步數(shù)為250步,完成仿真后,得到主動鏈輪的角速度如圖4所示,這與實際情況相符,證明仿真成功。從動鏈輪1與從動鏈輪2的角速度見圖5和圖6,從動輪1與從動輪2的角加速度見圖7和圖8。

        圖3 鏈傳動系統(tǒng)模型

        圖4 主動鏈輪角速度

        圖5 從動鏈輪1角速度

        圖6 從動鏈輪2角速度

        3.2 仿真結果分析

        1) 由圖5和圖6看出,從動鏈輪在開始一小段時間內(nèi)速度波動幅度較大,0.1 s之后從動輪角速度開始呈周期性變化,從而產(chǎn)生了附加的沖擊力和加速度。從動鏈輪的角速度隨時間上下波動,從動輪的瞬時直線速度以及系統(tǒng)的瞬時傳動比都是在不斷變化的,且呈周期性。同時還可以得到下面結論:從動鏈輪1與從動鏈輪2的速度幅值絕對值相等,但是二者在同一時刻的角速度存在差值,而且差值并不是固定不變的,這會使石墨紙的質(zhì)量下降甚至造成斷裂。

        圖7 從動輪1角加速度

        圖8 從動輪2角加速度

        2) 通過圖7和圖8可以看出,從動鏈輪1和從動鏈輪2的角加速度在不斷地變化,且伴隨著沖擊,使得鏈傳動產(chǎn)生振動,這種振動將加快了鏈輪和鏈節(jié)間的磨損。該鏈接的沖擊力也會對軋制過程造成十分不利的影響。

        根據(jù)式(4)~式(12)以及鏈輪鏈條的規(guī)格,可計算出一個周期內(nèi)單個輪齒受到的沖擊力,即:

        F(t)=697.386×e-0.078t×sin(14 895.538t)

        計算得,沖擊力的最大值約為697 N左右。

        3) 圖9~圖11為鏈傳動系統(tǒng)中3個鏈節(jié)分別對單個鏈輪的沖擊力的變化情況。表3給出了3個沖擊力的幅值及幅值的平均值。

        圖9 鏈節(jié)1的沖擊力分布

        由圖9~圖11可以得到,當鏈節(jié)與鏈輪嚙合時,作直線運動的鏈節(jié)鉸鏈鏈輪相互接觸,將使鏈節(jié)和鏈輪受到?jīng)_擊從而產(chǎn)生較大的沖擊接觸力。隨著鏈輪的繼續(xù)轉動,沖擊力減小,且越靠近松邊接觸力越小。當鏈節(jié)與鏈輪結束嚙合時,由于鏈節(jié)由圓周運動變?yōu)橹本€運動,此時松邊和緊邊的鏈節(jié)數(shù)也將變化,鏈條的動力學特性發(fā)生了改變,也將造成較大的接觸力。

        圖10 鏈節(jié)2的沖擊力分布

        圖11 鏈節(jié)1的沖擊力分布

        表3 沖擊力的幅值及幅值平均值

        4) 由表3可知,由于鏈條之間是柔性連接,故其在運動過程當中伴隨著抖動等現(xiàn)象,因而實際的沖擊力不可能與理論值完全相等。通過仿真可知,不同的鏈節(jié)造成的沖擊力是不相等的,且實際的沖擊力與理論計算得出有10%左右的差值。

        4 結論

        通過對鏈傳動的多邊形效應進行了分析,并利用Hertz應力公式對鏈節(jié)的沖擊力進行理論計算,然后利用多體動力學軟件RecurDyn對煤礦傳送裝置的鏈傳動系統(tǒng)進行了建模仿真,結果表明:

        1) 從動鏈輪1與從動鏈輪2的速度幅值絕對值相等,但二者卻存在0.1 s左右的時間差,且二者在同一時刻的角速度存在隨時間變化的差值,這會使傳送裝置的壽命降低甚至造成斷裂。

        2) 從動鏈輪1和從動鏈輪2的角加速度以及瞬時傳動比隨時間不斷變化,且伴隨著沖擊,使鏈傳動產(chǎn)生噪聲以及振動。這種沖擊越大,對鏈傳動的破壞也就會越大,同時也會對生產(chǎn)過程造成不利影響。

        3) 利用Hertz應力公式計算出的鏈節(jié)沖擊力為697 N左右,通過仿真得到三個鏈節(jié)對鏈輪輪齒的沖擊力分別為788.64 N、747.3 N、685.53 N,三者平均值為739.89 N??梢缘弥捎阪湕l在運動過程當中存在抖動現(xiàn)象,不同的鏈節(jié)造成的沖擊力是不相等的,且實際的沖擊力與理論計算有10%左右的差值。

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