剛性鏈?zhǔn)街本€推動裝置的設(shè)計與動力學(xué)仿真分析

張英子，秦凱

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

剛性鏈條是一種“剛?cè)岵钡奶厥怄湕l，它既可以像普通鏈條一樣彎曲折疊，承載直線拉力；又可以像剛性桿一樣，在推送方向受力[1]。普通剛性鏈多采用滾子鏈加推力板的形式或者鉸鏈銷軸加頂肩的形式，但這兩種形式的剛性鏈只能完成單一的水平推拉或者垂直升降功能，且需要借助引導(dǎo)機構(gòu)。本文設(shè)計的新型剛性鏈條嚙合前像普通鏈條一樣具有折疊性，嚙合后保持“桿”的形態(tài)，能夠同時具有水平推拉和垂直升降的功能。目前擬用于彈藥自動裝填系統(tǒng)中，或者用來解決工業(yè)領(lǐng)域的某些載荷直線運動問題。

1 剛性鏈結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計目標(biāo)

本文設(shè)計剛性鏈的要求為：承載最大載荷為100N，最高轉(zhuǎn)速120r/min。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)滾子鏈的設(shè)計方法，確定鏈節(jié)距P=15.875mm。但剛性鏈的鏈板相對滾子鏈鏈板受力更大，因此剛性鏈的鏈板厚度要比標(biāo)準(zhǔn)滾子鏈的厚。

為了避免出現(xiàn)驅(qū)動力不均勻和卡頓現(xiàn)象，要求新型剛性鏈有對稱分布的主動輪和從動輪；有形狀特殊的鏈板，使鏈條嚙合平穩(wěn)以及引導(dǎo)鏈條的引導(dǎo)架和驅(qū)動電機。

1.2 鏈板設(shè)計

剛性鏈基本鏈節(jié)包括內(nèi)鏈板、外鏈板、銷軸、滾子和套筒[2]。其中銷軸、滾子和套筒的尺寸可參照標(biāo)準(zhǔn)滾子鏈的尺寸來設(shè)計，鏈板的尺寸則用幾何法設(shè)計。

鏈板之間可相互限位、導(dǎo)向和傳遞力，因此鏈板的構(gòu)型特點為：內(nèi)、外鏈板為平面嚙合，在嚙合過程中不能有干涉現(xiàn)象；內(nèi)、外鏈板嚙合后，嚙合部分應(yīng)完全重合，以減少因間隙帶來的擾動，實現(xiàn)鏈板之間力的傳遞[3]。根據(jù)這些要求，設(shè)計出的新型剛性鏈內(nèi)鏈板如圖1所示。其中：P為鏈板孔距(鏈板節(jié)距)，L為鏈板的總寬度，R1為鏈板的外圓半徑，l為正弦線的水平長度，α為鏈板底部的傾斜角。內(nèi)、外鏈板除孔徑r1不同外，其余參數(shù)均相同。

1.3 原理樣機結(jié)構(gòu)

根據(jù)鏈板形狀可以設(shè)計成剛性鏈的引導(dǎo)架。引導(dǎo)架的設(shè)計要求包括：對稱分布的輪槽用來安裝主動輪和從動輪；鏈槽用來放置剛性鏈，便于剛性鏈的封裝，且槽寬需小于滾子的長度，方便滾子在槽間滑動。新型剛性鏈的原理樣機最終設(shè)計如圖2所示。

1—剛性鏈條；2—導(dǎo)引架；3—鏈輪(主動)；4—底板；5—轉(zhuǎn)軸。 圖2 原理樣機結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出，當(dāng)主動鏈輪帶動滾子往上轉(zhuǎn)動時，鏈板從接觸到嚙合，凹進(jìn)來部分的與凸出去的部分曲線完全重合；下部分的鏈板在鏈輪的帶動下，斜切面頂住上面的鏈板使其往上運動。

2 剛性鏈動力學(xué)建模與分析

2.1 動力學(xué)建模

剛性鏈?zhǔn)街本€推動裝置的零件比較多，在SolidWorks中建模時會進(jìn)行適量簡化。在不影響分析精度的前提下，將模型去除銷軸、外殼、連接件、螺母、套筒等零件，保留滾子、引導(dǎo)架、主動鏈輪、從動鏈輪、內(nèi)鏈板、外鏈板等零件。

將三維模型導(dǎo)入到ADAMS仿真軟件中，引入重力場，在不考慮被動副摩擦的情況下[4]，設(shè)置初始約束：成對的內(nèi)鏈板與滾子固定；外鏈板成對固定；外鏈板與內(nèi)鏈板之間添加旋轉(zhuǎn)副；滾子與鏈輪、滾子與殼體、內(nèi)鏈板與殼體、內(nèi)鏈板之間、外鏈板之間添加接觸。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

約束與接觸添加完成后，設(shè)置各項初始參數(shù)，接觸參數(shù)如圖3所示。

圖3 接觸參數(shù)設(shè)置

因鏈板與殼體、滾子與鏈輪之間的接觸在一段時間內(nèi)是一直存在的，所以接觸力的計算選用沖擊函數(shù)法(IMPact)，滑動摩擦力選用庫倫法(Coulomb)來計算，接觸剛度(Stiffness)等參數(shù)可以由材料本身的特性得知。

2.3 仿真結(jié)果分析

在鏈條主動輪處添加驅(qū)動，驅(qū)動方式為時間-速度驅(qū)動，設(shè)置主動鏈輪角速度為2rad/s，鏈頭處添加垂直向下的負(fù)載100N，運行時間為1s，采樣點數(shù)為1 000。

仿真結(jié)束后分別對內(nèi)鏈板(包括滾子)和外鏈板的受力進(jìn)行分析，并選擇受力最大的鏈節(jié)進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 內(nèi)、外鏈板的仿真結(jié)果

圖4(a)中顯示受力最大的內(nèi)鏈板是剛性鏈條尾部剛好進(jìn)入鏈槽平動部分時嚙合的右側(cè)內(nèi)鏈板，此時兩側(cè)圓弧內(nèi)已無鏈條，所以它產(chǎn)生的力矩也隨之消失，造成受力變大。

圖4(b)和圖4(c)顯示了內(nèi)、外鏈板相互嚙合時作用力最大的一對，這兩對鏈板是剛性鏈尾部剛好進(jìn)入左右兩側(cè)圓弧部分時嚙合的內(nèi)、外鏈板。

圖4(d)是內(nèi)鏈板與殼體的接觸力，這個內(nèi)鏈板是圖4(b)和圖4(c)中的左側(cè)內(nèi)鏈板。

對比圖4(b)和圖4(c)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)鏈板的受力要大于外鏈板。主要原因在于內(nèi)鏈板是由滾子和內(nèi)鏈板組合成的，內(nèi)鏈板受力主要是與殼體的接觸力和內(nèi)鏈板之間的接觸力；滾子主要受力除了與殼體的接觸力外，更多的是與鏈輪的碰撞力。由此可知，在今后設(shè)計剛性鏈時，可適量加厚內(nèi)鏈板或使用強度更大的材料。

3 實驗驗證

從動力學(xué)仿真的計算結(jié)果可知，新型剛性鏈滿足設(shè)計要求。為了驗證此裝置的實際可用性，本小節(jié)以原理樣機為對象，搭建新型剛性鏈?zhǔn)街本€推動裝置實驗平臺，并分別進(jìn)行空載和負(fù)載實驗，將實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果、動力學(xué)仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比。

3.1 實驗平臺搭建

根據(jù)實驗要求，選擇57-H250E508的步進(jìn)電機，相應(yīng)的減速器型號為57.GB3.6B12，其減速比為4.25。選擇低速情況下運行較為平穩(wěn)的2MD530驅(qū)動器和相配套的KH-01控制器，并使用開關(guān)型霍爾傳感器來測量剛性鏈的位移。實驗平臺的搭建如圖5所示。

圖5 實驗裝置

3.2 實驗一：空載

空載時，設(shè)定控制器在750Hz的頻率下運行2 500步，此時鏈輪的角速度為2.77rad/s。

通過理論計算可得：剛性鏈的推出和回拉時的速度為98.68mm/s，位移為328.94mm。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出：推出時的平均速度為97.32mm/s，位移為324.4mm；回拉時的平均速度為99.75mm/s,位移為332.5mm。但是實驗過程中，剛性鏈的速度在推出和回拉過程中都不是嚴(yán)格勻速的，在剛性鏈開始運動時都有一個速度增大的過程。

動力學(xué)仿真速度和位移結(jié)果如圖6所示，推出和回拉的速度圍繞98mm/s上下波動，位移為327.025 2mm。

圖6 剛性鏈空載仿真位移和速度

3.3 實驗二：負(fù)載1kg

負(fù)載1 kg時，設(shè)定控制器在500 Hz的頻率下運行2 500步，此時鏈輪的角速度為1.84 rad/s。

通過理論計算可得：剛性鏈的推出和回拉時的速度為65.5mm/s，位移為327.52mm。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出：推出時的平均速度為61.42mm/s,位移為307.1mm；回拉時的平均速度為62.5mm/s,位移為312.5mm。

動力學(xué)仿真速度和位移結(jié)果如圖7所示，推出和回拉的速度圍繞65mm/s上下波動，位移為325.621 5mm。

圖7 剛性鏈負(fù)載仿真位移和速度

3.4 實驗結(jié)果分析

將理論計算結(jié)果、實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，表1為鏈輪角速度為1.84rad/s時剛性鏈的速度、位移比較。

表1 剛性鏈速度、位移比較(1.84rad/s)

當(dāng)鏈輪角速度為1.84rad/s，實驗結(jié)果和理論計算的速度誤差為6.23%和4.58%；位移誤差為6.29%和4.64%。

表2是鏈輪角速度為2.77rad/s時剛性鏈的速度、位移比較。

表2 剛性鏈速度、位移比較(2.77rad/s)

當(dāng)鏈輪角速度為2.77rad/s，實驗結(jié)果和理論計算的速度誤差為1.38%和1.08%；位移誤差為1.38%和1.08%。

實驗結(jié)果與理論、仿真結(jié)果基本一致，與理論速度和理論位移的誤差均在10%以內(nèi)。由此可得出結(jié)論，本文設(shè)計的剛性鏈?zhǔn)街本€推動裝置設(shè)計合理，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

在對現(xiàn)有剛性鏈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，本文設(shè)計出了新型剛性鏈。從結(jié)構(gòu)上看，新型剛性鏈的鏈板嚙合更加緊密，脫離過程更加平穩(wěn)；從動力學(xué)仿真分析來看，新型剛性鏈在空載和負(fù)載1kg的情況下能夠順利地完成上升和下降動作，說明此裝置能夠應(yīng)用于實際；從受力分析來看，新型剛性鏈的主要受力部件是內(nèi)鏈板，在進(jìn)行剛性鏈的優(yōu)化時可適當(dāng)加厚內(nèi)鏈板。最后的實驗過程說明了本文設(shè)計的新型剛性鏈?zhǔn)街本€推動裝置是能夠滿足實際應(yīng)用的。