0引言
間歇傳動鏈廣泛應用于包裝、印刷等行業, 自為動化機械提供間歇運動、輸送物料和半成品到預期工位等功能, 以便其他裝置完成所需的加工工藝。但在實際生產情況下, 傳動過程中鏈與鏈輪的嚙合沖擊、間歇運動的規律、鏈系統的運動參數和鏈的結構等都影響振動沖擊和定位精度, 進而影響加工精度。
目前國內外許多學者對傳動鏈展開了理論和實驗方面的研究。文獻[ 1] 在中高速工況下, 根據幾何學和力平衡條件來計算研究鏈節間的張力、振動狀況和鏈輪上載荷的分配等。文獻[ 2 ] 290給出的模型考慮了多邊形效應、鏈板的彈性、橫向振動和導軌的外激勵, 對嚙合時鏈和鏈輪間的沖擊、鏈和導軌間的沖擊進行了深入分析。文獻[ 3, 4] 用有限元分析方法來模擬滾子鏈傳動的動態過程, 得到了更接近實際工況的動態響應, 尤其是嚙合時的瞬態振動響應。文獻[ 5] 提出計算機輔助的滾子鏈選型方法。文獻[ 6] 提出導軌布局設計的優劣對鏈條系統的振動影響非常大。文獻[ 7] 利用多自由度系統振動理論對傳動鏈進行建模分析。文獻[ 8] 以間歇傳動鏈為研究對象, 應用有限單元法將其離散化, 建立該系統的動力學方程并進行了求解計算。文獻[ 9 ] 15構建了步進鏈傳動的虛擬樣機模型, 分析了該類系統采用不同步進運動規律及不同預緊力狀況下動力學特性的變化規律。文獻[ 2 ] 295提供的建模方法要求研究者有較高的數學建模和分析能力, 且沒有對間歇傳動鏈的研究。文獻[ 9] 17提供的實驗模型未考慮其他關鍵因素對動態性能的綜合影響。因此, 考慮對傳動鏈中各影響因素進行動力學分析, 研究其輸出端的動態響應, 為優化機構的性能提供理論依據具有重要的意義。
文章運用正交試驗法進行實驗編排, 用ADAMS解算器對UG NX 中建立的傳動鏈虛擬樣機進行動力學解算, 得到鏈條附件的加速度響應。在此基礎上, 用極差分析法分析了5個因素的水平變動對輸出端加速度響應的影響程度。
1 間歇傳動鏈系統建模
1. 1 間歇傳動鏈的簡化模型
本文以研究傳動鏈的間歇運動為主要目的, 將傳動鏈系統簡化如圖1。圖1中選用齒數相同的鏈輪分別作為主動輪1和從動輪3。主動輪一般由做間歇轉動的分度凸輪機構驅動, 帶動鏈條實現間歇運動, 其間歇運動規律由分度凸輪的輪廓設計決定。從動輪上附有撐緊彈簧裝置, 代表實際物理樣機中的預緊裝置。鏈條附件由4個集中質量塊圖中零件2來表示。緊密貼在鏈條下側較簡易的構件5 是導軌, 指引鏈條運行方向, 還起到阻尼防振作用。故不用考慮鏈條的橫向振動, 而考慮導軌與鏈條間的摩擦和其材料阻尼。
1. 2 三維實體模型
主要結構件有: 銷軸、套筒、滾子、內鏈板、外鏈板、鏈輪、導軌等零部件。傳動鏈主要參數: 鏈條選用短節距滾子輸送鏈10A, 鏈輪齒形按短節距滾子輸送鏈鏈輪齒形造型, 中心距、集中質量塊數目和質量。
本文選取適合中高速且動力性能良好的修正正弦加速度運動規律作為分度凸輪輸出。根據該類系統的實際工況, 松邊在下, 緊邊在上, 實體模型如圖2。須添加的運動副和約束: 鏈輪的轉動副, 鏈節間的鉸鏈副, 鏈條和鏈輪間的接觸副, 鏈條和導軌間的接觸副等。從動輪處添加與機架固聯的撐緊彈簧, 接觸力都采用基于impact函數的實體碰撞接觸模型(如圖3)。根據創建的動力學仿真模型進行動力學仿真得到某一工況下間歇傳動鏈的加速度曲線如圖4所示。
2 正交試驗法設計及分析
正交試驗法能合理地安排試驗以及分析試驗所得的數據, 用較少的試驗數量獲得基本上能全面反映情況的試驗數據[ 10] 。
2. 1 實驗參數的選取
選取輸入軸轉速ω / ( r· m in- 1 )、導軌材料阻尼因數c、鏈條和導軌之間的庫侖動摩擦因數μ、預緊彈簧剛度K / ( N · mm- 1 )和集中質量m /kg, 5種對加速度響應表現出強烈的非線性影響關系的因素。
2. 2評價指標的確定
在工作過程中, 鏈條特別是鏈條附件等附加裝置的加速度響應是其動力學性能的一項重要指標。而且在不同工況下存在不同程度的振動, 為了研究傳動鏈在不同工況下的動態性能, 利用可求得的輸出端加速度響應, 構建可評價系統振動的指標函數
式中, n 為一個工作周期內的采樣點數, ai為集中質量在對應采樣點i的加速度響應, aio為相應的間歇運動規律加速度理論值。e值越大, 工作端的加速度變化幅值越大, 表示系統動態性能越差。
2. 3 因素水平的確定
以工程實際的經驗取值作為因素的水平, 安排各因素及水平見表1。為了得到能全面反映情況的實驗數據, 使用L25 ( 56 )正交表來設計樣本, 對試驗數據采用正交設計法進行采樣。
根據正交表進行25種工況下的動力學仿真, 得到25個試驗評價指標值e如表2所示。
2. 4 實驗結果分析
為了分析每個影響因素對于振動的影響趨勢, 利用統計工具SPSS進行分析, 得到各個因素的散點圖,并用響應的曲線進行擬合得到振動誤差的相對值, 見圖5~ 圖9。
分析以上圖形可知: 轉速和集中質量m 增大時,振動加劇, 而且轉速對其影響較大。適當的材料阻尼和摩擦可以減小振動, 但摩擦力同時附加了摩擦力矩,使傳動效率降低, 造成能量損耗。過大或過小的支撐彈簧剛度都會加大傳動鏈振動。
對此試驗進行極差分析, 5 因素分別標記為ABCDE, 設A 因素水平“ i” ( i= 1, 2, 3, 4, 5)對應的試驗指標和為eA i, 以此類推, 得到其他因素各水平對應的試驗指標和。由此可以計算出各因素對應極差如下表3所示。
為了直觀起見, 我們把各影響振動的影響參數在不同水平下模擬試驗得到的振動評價值(即表3中的e1, e2, e3, e4, e5 )畫成“因素水平- 指標均值”圖, 如圖10所示。
由圖中可以清晰的看到, 在選定的設計變量范圍內, 各因素對試驗指標的影響程度大小為RA > RE > RD> RB > RC。即各因素對試驗指標e的影響程度大小依次為轉速、集中質量、彈簧剛度、材料阻尼系數、摩擦系數。轉速對指標影響程度在所有因子中是最大的,表示轉速的大小值在試驗范圍內變化時, 影響工作端振動的程度最大。由此也驗證了齒數少時, 鏈輪轉速對多邊形效應影響較大, 是產生噪聲和振動的主要原因。在持續時間較短的沖擊過程中, 材料的阻尼和摩擦對系統的振動影響較小。
3 結語
在UG Mot ion環境下, 通過創建連桿、添加運動約束、定義驅動載荷等操作, 建立了此系統的虛擬樣機。在此基礎上, 運用正交試驗法來設計動力學仿真實驗,選取多個影響因素, 建立動態性能評價指標。分析了各重要因素對動態性能的影響程度及主次關系。結果表明正交設計方法應用到多因素影響動力學性能的研究上是行之有效的。
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