裝填設(shè)備鏈傳動力學(xué)分析及動力學(xué)仿真

徐如強(qiáng)

（北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京100854；貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限公司，貴州 遵義563003）

1 前言

鏈傳動是一種通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力的機(jī)械傳動形式，在遠(yuǎn)距離傳動、環(huán)境惡劣的工作場合得到廣泛應(yīng)用[1]。但由于鏈傳動的多邊形效應(yīng)、鏈輪鏈條的嚙合沖擊、鏈條的磨損變形或負(fù)載變化等因素的存在，引起各種較為復(fù)雜的附加動載荷。某型裝填設(shè)備采用鏈傳動的形式進(jìn)行動力傳遞，推動貨箱滑上貨架，傳動過程的動載荷有可能造成裝填過程的不穩(wěn)定。

因此，有必要將動載荷引入到裝填設(shè)備鏈傳動的受力分析過程中。裝填設(shè)備的鏈傳動與一般形式的鏈傳動過程存在一定的差異性，其計算分析也有一定的差異，因此本文對某型裝填的鏈傳動過程進(jìn)行了分析，同時利用MSC/ADAMS軟件對其進(jìn)行了動力學(xué)仿真。

2 力學(xué)分析

2.1 裝填設(shè)備基本組成與工作原理

相對于一般負(fù)載作用在從動輪上的鏈傳動，裝填設(shè)備的負(fù)載通過推貨架施加在鏈條的鏈節(jié)上。當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)動時，將帶動鏈條或經(jīng)從動輪帶動鏈條運(yùn)動，進(jìn)而推動負(fù)載運(yùn)動。

某裝填設(shè)備簡圖如圖1所示，推貨架與傳動鏈上的2節(jié)鏈節(jié)固定連接，另有導(dǎo)軌限位使其只能沿直線運(yùn)動，貨箱一端與貨架固定，另一端搭接到固定的貨架上（本次分析從貨箱頭部已搭載到貨架上開始）。在主動鏈輪作用下，將帶動鏈條或經(jīng)從動輪帶動鏈條運(yùn)動，進(jìn)而驅(qū)動推貨架推動貨箱在貨架上滑動，完成貨箱上下貨架的功能。某裝填設(shè)備相關(guān)參數(shù)如下：鏈輪間距為8 800 mm，貨箱質(zhì)量為10 000 kg，長度為7 000 mm，質(zhì)心位于中間，所用鏈條節(jié)距為15.875 mm，鏈輪齒數(shù)為23，貨箱與貨架摩擦系數(shù)按0.12計算，貨箱運(yùn)動速度最大值為2 m/min。

圖1 裝填設(shè)備簡圖

2.2 不計動載荷的鏈傳動計算方法

依據(jù)機(jī)械設(shè)計教材[1]，鏈傳動在工作時，存在緊邊拉力和松邊拉力。不計動載荷時緊邊拉力和松邊拉力分別為：

式（1）（2）中：Fe為有效圓周力，N；Fc為離心力引起的拉力，N；Ff為懸垂拉力，N。

對于裝填設(shè)備，其圓周力應(yīng)為對負(fù)載的工作拉力，因此圓周力的值為：Fe=Fμ=0.12×10 000×10＝12 000 N。

離心力引起的拉力為：

式（3）中：q為鏈條單位長度質(zhì)量，1 kg/m；v為鏈速，m/s；裝填設(shè)備鏈條的運(yùn)動速度較小，離心力引起的拉力在此可忽略不計。

懸垂拉力為：

式（4）中：a為鏈傳動的中心距，mm；Kf為垂度系數(shù)；α為中心線與水平面夾角。

對裝填設(shè)備而言，將從動鏈輪視作定滑輪，不計從動鏈輪的摩擦阻力，則鏈條的懸垂拉力可認(rèn)為等于主從動鏈輪間鏈條的懸垂拉力。裝填設(shè)備鏈傳動為水平布置形式，為保證一定張緊力，垂度較小，垂度系數(shù)按文獻(xiàn)[1]中圖9-9取值25，則Ff=25×1×8 800/100=2 200 N。

綜上所述，則鏈條緊邊拉力F1=14 400 N，松邊拉力F2＝2 200 N。

2.3 裝填設(shè)備動載荷分析

在裝填設(shè)備鏈傳動過程中，因多邊形效應(yīng)的存在，鏈速是變化的，則由鏈條牽引運(yùn)動的貨物速度也是變化的。依據(jù)文獻(xiàn)[1]，鏈條實際用于牽引貨物運(yùn)動的速度及相應(yīng)的加速度為：

式（5）中：β為某鏈節(jié)與鏈輪進(jìn)入嚙合至下一鏈節(jié)嚙合過程，鏈節(jié)與鏈輪中心連線與豎直方向夾角，為鏈輪齒數(shù)。

式（6）中：R為主動鏈輪的分度圓半徑；ω為主動鏈輪轉(zhuǎn)動速度；p為鏈條的節(jié)矩。

因裝填設(shè)備的運(yùn)行速度及鏈條節(jié)矩較小，按上述參數(shù)及公式計算最大慣性力僅為2.1 N，因此，在該裝填裝置的計算過程中，多邊形效應(yīng)引起的最大慣性力較小，可忽略不計。

3 裝填過程動力學(xué)仿真

目前常用的動力學(xué)仿軟件是MSC/Adams，其以計算多體動學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系，結(jié)合高性能計算機(jī)來對產(chǎn)品進(jìn)行仿真計算，進(jìn)而得到各種性能數(shù)據(jù)[2]。關(guān)于鏈傳動仿真模型的建立主要有兩種方式，一種是按文獻(xiàn)[3-5]等所述采用三維軟件建立結(jié)構(gòu)模型再導(dǎo)入Adams軟件采用宏命令添加接觸與約束的形式建立仿真模型；另一種是采Adams/machinery中鏈傳動模塊進(jìn)行建模仿真。本文采用第二種方式進(jìn)行建模及仿真分析，仿真簡化模型如圖2所示。

圖2 Adams仿真簡化模型

裝填設(shè)備傳動鏈緊邊某鏈節(jié)的張力曲線如圖3所示，圖中鏈條張力曲線平均值14 674 N，其結(jié)果與理論計算值14 400基本一致，說明理論分析與仿真的正確性，可以作為裝填設(shè)備設(shè)計、選型的依據(jù)。

圖3 鏈節(jié)張力曲線

4 結(jié)論

本文對某裝填設(shè)備的鏈傳動進(jìn)行了力學(xué)分析，結(jié)果表明在低速、小節(jié)距的鏈傳動中，多邊形效應(yīng)對鏈傳動慣性力的影響及離心力引起的鏈條拉力均可忽略不計。通過Adams軟件對某裝填設(shè)備的鏈傳動進(jìn)行了動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果與理論分析較為一致，可為裝填設(shè)備的設(shè)計、選型提供依據(jù)。