基于RecurDyn的鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)動(dòng)力學(xué)分析

摘 要：本文采用了多體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的工作過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究，利用RecurDyn的鏈傳動(dòng)模塊和ProE建立了提升機(jī)的虛擬樣機(jī)，采用相對(duì)坐標(biāo)法和遞歸算法對(duì)提升機(jī)的工作過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，獲得鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。本文的方法和結(jié)論可以指導(dǎo)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和分析。

關(guān)鍵詞：鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)；RecurDyn；動(dòng)力學(xué)分析；虛擬樣機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.052

0 引言

鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)廣泛應(yīng)用于船艦、礦業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中，隨著科技的發(fā)展，鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的速度更快、工作模式更多、接口更加復(fù)雜，因此其動(dòng)態(tài)性能的研究更加重要、難度更大，采用多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行分析，通過計(jì)算機(jī)模擬分析，研究鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的工作規(guī)律，可以有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和分析。具有鏈傳動(dòng)子模塊、采用相對(duì)坐標(biāo)系和遞歸算法的RecurDyn軟件可以提供一個(gè)高效的分析平臺(tái)。

1 鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的動(dòng)力學(xué)研究

鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為由主動(dòng)輪、導(dǎo)軌、鏈條、負(fù)載以及被動(dòng)鏈輪組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)負(fù)載和被動(dòng)鏈輪運(yùn)動(dòng)。負(fù)載與鏈條固定在一起；導(dǎo)軌限制了鏈條的橫向振動(dòng)，使負(fù)載做近乎垂直的運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)單自由度等效法對(duì)鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)進(jìn)動(dòng)力學(xué)分析，將鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)機(jī)械部分所有元件的慣性特性和所受負(fù)載等效到主動(dòng)鏈輪軸上形成一等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和一等效負(fù)載力矩，可以推算出等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式：

式中：表示動(dòng)力軸轉(zhuǎn)角，等效力矩為驅(qū)動(dòng)力矩和軸上阻力矩之差。根據(jù)公式2，利用數(shù)值方法可以求出鏈輪速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。但是，鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)中每個(gè)構(gòu)件在不同時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)都是不斷變化的，而且機(jī)構(gòu)中存在復(fù)雜的接觸碰撞過程，如果單獨(dú)考慮每個(gè)構(gòu)件的狀態(tài)需要耗費(fèi)大量的精力，而簡(jiǎn)化則會(huì)影響計(jì)算的精度。所以用虛擬樣機(jī)來進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真可以在保證精度的前提下減少計(jì)算的工作量。

2 虛擬樣機(jī)建模

Recur Dyn是韓國(guó)Function Bay公司開發(fā)的一款多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，它運(yùn)用其特有的多柔體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)，可以大規(guī)模的求解大變形、柔性體與剛性體接觸、柔性體接觸等復(fù)雜接觸類問題。Recur Dyn 中有參數(shù)化的專業(yè)工具包，RecurDyn/Chain（鏈傳動(dòng)模塊）可以實(shí)現(xiàn)不同類型鏈條的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型的快速化建模和智能化驅(qū)動(dòng)以及動(dòng)力學(xué)特性分析，該軟件在對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)具有求解速度快、裝配方便的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模，首先分別用RecurDyn和ProE建立鏈條鏈輪和附件的模型，然后在RecurDyn中裝配、添加約束，建立幾何模型；在模型中添加力學(xué)元素，生成力學(xué)模型；最后，將力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，求解。

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置主動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)速度、仿真步數(shù)等參數(shù)，運(yùn)行仿真，獲得仿真結(jié)果如圖2、3、4。

主動(dòng)鏈輪先迅速加速到恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，在大約0.1s以后從動(dòng)鏈輪和張緊鏈輪才開始加速。這個(gè)時(shí)間差就是鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)鏈條張緊的時(shí)間。從圖上看，由于鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的加速時(shí)間很短，所以其加速度看起來近似一條直線。從動(dòng)輪以及從動(dòng)鏈輪相對(duì)于主動(dòng)鏈輪速度是波動(dòng)的，并且呈現(xiàn)一定的周期性。鏈條預(yù)拉伸階段的時(shí)間幾乎為0，這是由于鏈條垂直放置，本身就產(chǎn)生一定的拉伸，而且鏈條的剛度很大，拉伸過程很短。

從以上分析中可以看出，鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)在進(jìn)過較短的的加速階段以后進(jìn)入穩(wěn)定階段，速度在平均值附件上下變化，在運(yùn)動(dòng)過程中速度始終是波動(dòng)的。其平均速度約為900mm/s，在t=2.80s時(shí)，最大速度為943mm/s；在=1.04s時(shí)，最小速度為865mm/s。速度不均勻系數(shù)為：

如果只考慮鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)，則只考慮鏈輪數(shù)量對(duì)速度不均勻性的影響，當(dāng)齒數(shù)為25時(shí)，?？梢娪捎阪湕l較長(zhǎng)，使速度不均勻性增大。

鏈節(jié)之間的受力一直是波動(dòng)的，這是由于鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)帶的負(fù)載隨著鏈條始終是做周期性的運(yùn)動(dòng)造成的。鏈節(jié)與鏈輪的受力是先增大后減下。在分析中可以獲得不同階段的力大小，可以作為強(qiáng)度分析的輸入值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了大鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的工作原理和動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法?？紤]到鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的實(shí)際工作情況，采用數(shù)值計(jì)算的方法難以計(jì)算，研究了使用RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)軟件建模的方法，通過虛擬樣機(jī)獲得了鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)工作過程中的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)參數(shù)。本文的研究可以為鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的研究和優(yōu)化改進(jìn)提供支持。

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作者簡(jiǎn)介：黎良發(fā)（1990-），男，助理工程師，主要從事艦船裝備研究。