基于ADAMS的遞紙機構(gòu)動態(tài)性能分析研究*

楊 晨，張曉瑩

(鄭州科技學(xué)院機械工程學(xué)院，河南鄭州 450064)

1 前言

遞紙機構(gòu)是印刷過程中紙張重要的傳遞機構(gòu)，是印刷機上非常重要的定位部件，維持定位精度，保證紙張正確傳遞。國產(chǎn)印刷機同國外產(chǎn)品還有很大差距，設(shè)計合理的遞紙機構(gòu)，對提高國產(chǎn)印刷機的工作穩(wěn)定性和運轉(zhuǎn)速度起著關(guān)鍵作用。因此，對其進行的分析研究越來越引起人們的重視［1］。

2 遞紙機構(gòu)的運動學(xué)分析

通過Pro/E建立了遞紙機構(gòu)的三維實體模型，遞紙機構(gòu)模型主要包括凸輪、主擺臂、拉簧桿、副擺臂、遞紙擺臂等。主凸輪驅(qū)動滾子、四連桿機構(gòu)ABCD作為輸出系統(tǒng)，以完成遞紙牙的運動，并用副凸輪驅(qū)動滾子、擺桿，與輸出系統(tǒng)用拉簧連接起來，作為力封閉系統(tǒng)。輸出系統(tǒng)的作用是保證咬紙牙擺臂桿的運動規(guī)律，而力封閉系統(tǒng)的作用是使輸出系統(tǒng)凸輪從動件不能有跳躍，要始終緊貼凸輪，如圖1所示。

通過Pro/E建立三維實體模型，并運用 ADAMS進行仿真計算［2］，圖2為1142型大全張印刷機遞紙機構(gòu)是三維模型，質(zhì)量特性及外形尺寸完全按照設(shè)計人員提供的圖紙完成。

將遞紙機構(gòu)的三維實體模型導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中，在凸輪與銷軸之間建立轉(zhuǎn)動副、主副擺臂與銷軸之間建立轉(zhuǎn)動副、連桿與主擺臂之間建立轉(zhuǎn)動副、軋輥和銷軸之間建立轉(zhuǎn)動副、銷軸與大地之間建立固定副［3］。凸輪和滾子之間建立接觸連接關(guān)系，并在凸輪與銷軸之間施加角速度ω=9 000 r/h=900°/s旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。圖3為建立的遞紙機構(gòu)的多體模型，并對其進行運動仿真分析，獲得了遞紙擺臂的角位移、角速度和角加速度的數(shù)據(jù)曲線圖如圖4～6所示。

圖1 定心下擺式遞紙機構(gòu)

由圖4可知，遞紙擺臂的運動過程符合遞紙牙的設(shè)計工作要求，整個過程可分為6段，即帶紙加速、等速交接、遞紙牙擺到最遠處、遠停、遞紙牙擺回到輸紙板臺、停臺咬紙(以遞紙牙開始帶紙運動為起點)。

由圖5可知，在遞紙擺臂與印版滾筒等速交接處有局部跳動，但整體來看是符合遞紙牙的運動特征的。這主要是與機構(gòu)的尺寸、凸輪的廓線形狀等因素有關(guān)。

圖2 1142型遞紙機構(gòu)三維實體模型

圖3 遞紙機構(gòu)的虛擬樣機模型

圖4 遞紙擺臂角位移曲線圖

圖5 遞紙擺臂角速度曲線圖

從圖6可知，回程段角加速度波動很大，最大值達到εmax=42 242°/s2。因遞紙牙的工作行程發(fā)生在推程階段，對于遞紙牙的空回行程，不要求嚴格的運動規(guī)律，只要接近輸紙板時沖擊較小，以便在停頓片刻后能消除振動。而遞紙牙空回到輸紙板時角加速度為0，無振動滿足條件。在交接過程若角加速度出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，應(yīng)減小主副擺臂產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩，減小機構(gòu)的沖擊及振動。

3 遞紙機構(gòu)的剛性動力學(xué)分析

除慣性力和慣性力矩外，運動副之間的作用力也可影響遞紙牙運動的穩(wěn)定性。若運動副之間作用力過大，會造成運動副之間的嚴重磨損。因此，對遞紙擺臂鉸點處的受力進行分析研究也十分很重要［4］。

對遞紙擺臂進行動力學(xué)仿真分析，從分析結(jié)果(如圖7、8所示)中可以看出，工作行程D點承受載荷最大值為1 721 N，將遞紙擺臂的材料從鋼更換成硬質(zhì)合金時，D處受力最大值為7 489 N，所受載荷為原來材質(zhì)的4.35倍。

圖6 遞紙擺臂角加速度曲線圖

圖7 遞紙擺臂為鋼材料D處的受力曲線圖

圖8 遞紙擺臂為硬質(zhì)合金D處的受力曲線圖

可見，遞紙擺臂材料選用密度較小的鋼材料，可大幅減小遞紙擺臂鉸點處的受力，對減輕凸輪所受的載荷具有明顯效果。

4 遞紙機構(gòu)的柔性動力學(xué)分析

遞紙擺臂在實際運動過程中存在彈性變形，將遞紙擺臂作為剛性體考慮，擺臂實際運動會產(chǎn)生一定偏差，為更加準確的得到遞紙擺臂的動態(tài)響應(yīng)，將其作為柔性體進行仿真分析，校核擺臂運動過程中的動態(tài)誤差是否滿足印刷設(shè)計時速下傳紙的運動精度。

由于遞紙擺臂形狀的不規(guī)則性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用有限元法在ANSYS中對遞紙擺臂進行網(wǎng)格劃分并將生成的相關(guān)MNF模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS，進行仿真分析［5］，遞紙擺臂的網(wǎng)格模型如圖9所示，動態(tài)仿真分析過程遞紙擺臂的變形如圖10所示。

圖9 遞紙擺臂網(wǎng)格模型

圖10 1142型遞紙機構(gòu)仿真圖

圖11 遞紙擺臂動態(tài)角位移誤差曲線圖

從圖11遞紙擺臂動態(tài)角位移誤差曲線圖中可知，靜止取紙區(qū)的位移偏差及等速交接區(qū)二者數(shù)值偏差都很小，遠遠小于保證紙張定位和交接精度的0.08 mm，能夠滿足定位和交接的要求，通過分析其動態(tài)偏差，該印刷機能在9 000 r/h的速度下正常工作。

5 結(jié)論

通過在Pro/E中建立遞紙機構(gòu)三維模型，以及在ADAMS中進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真，分析結(jié)果表明所設(shè)計的遞紙機構(gòu)滿足運動要求;遞紙擺臂在不同材質(zhì)下，對擺臂鉸點受力影響很大，盡量選用輕質(zhì)材料，以減少慣性力的影響。

建立了遞紙擺臂的柔性模型，分析了遞紙擺臂的動態(tài)響應(yīng)誤差，分析結(jié)果表明在預(yù)定的工作時速下，能保證套印精度。對遞紙擺臂的變形情況，可進一步改進零件的結(jié)構(gòu)形狀，得到剛性更好的零件結(jié)構(gòu)，以減小遞紙過程中的振動。

［1］ 張曉玲，黃 巖，陳 虹.高速膠印機遞紙機構(gòu)的設(shè)計與研究［J］.機械設(shè)計，2005，22(7):38-40.

［2］ 蔡吉飛，張仲勇，宋 剛.八開膠印機定心擺動式遞紙機構(gòu)的動力分析［J］.北京印刷學(xué)院學(xué)報，2003，11(2):3-11.

［3］ 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［4］ 張曉玲.基于ADAMS的下擺式遞紙機構(gòu)動力學(xué)仿真［J］.機械設(shè)計，2006，23(11):25-27.

［5］ 鄧勁蓮，屠 立.擺動式柔性遞紙機構(gòu)的動力學(xué)分析與研究［J］.機械設(shè)計，2008，25(11):38-41.