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       0引言

      間歇傳動(dòng)鏈廣泛應(yīng)用于包裝、印刷等行業(yè), 自為動(dòng)化機(jī)械提供間歇運(yùn)動(dòng)、輸送物料和半成品到預(yù)期工位等功能, 以便其他裝置完成所需的加工工藝。但在實(shí)際生產(chǎn)情況下, 傳動(dòng)過程中鏈與鏈輪的嚙合沖擊、間歇運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、鏈系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和鏈的結(jié)構(gòu)等都影響振動(dòng)沖擊和定位精度, 進(jìn)而影響加工精度。

      目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)傳動(dòng)鏈展開了理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究。文獻(xiàn)[ 1] 在中高速工況下, 根據(jù)幾何學(xué)和力平衡條件來計(jì)算研究鏈節(jié)間的張力、振動(dòng)狀況和鏈輪上載荷的分配等。文獻(xiàn)[ 2 ] 290給出的模型考慮了多邊形效應(yīng)、鏈板的彈性、橫向振動(dòng)和導(dǎo)軌的外激勵(lì), 對(duì)嚙合時(shí)鏈和鏈輪間的沖擊、鏈和導(dǎo)軌間的沖擊進(jìn)行了深入分析。文獻(xiàn)[ 3, 4] 用有限元分析方法來模擬滾子鏈傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程, 得到了更接近實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)響應(yīng), 尤其是嚙合時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)。文獻(xiàn)[ 5] 提出計(jì)算機(jī)輔助的滾子鏈選型方法。文獻(xiàn)[ 6] 提出導(dǎo)軌布局設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)鏈條系統(tǒng)的振動(dòng)影響非常大。文獻(xiàn)[ 7] 利用多自由度系統(tǒng)振動(dòng)理論對(duì)傳動(dòng)鏈進(jìn)行建模分析。文獻(xiàn)[ 8] 以間歇傳動(dòng)鏈為研究對(duì)象, 應(yīng)用有限單元法將其離散化, 建立該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行了求解計(jì)算。文獻(xiàn)[ 9 ] 15構(gòu)建了步進(jìn)鏈傳動(dòng)的虛擬樣機(jī)模型, 分析了該類系統(tǒng)采用不同步進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及不同預(yù)緊力狀況下動(dòng)力學(xué)特性的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[ 2 ] 295提供的建模方法要求研究者有較高的數(shù)學(xué)建模和分析能力, 且沒有對(duì)間歇傳動(dòng)鏈的研究。文獻(xiàn)[ 9] 17提供的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀纯紤]其他關(guān)鍵因素對(duì)動(dòng)態(tài)性能的綜合影響。因此, 考慮對(duì)傳動(dòng)鏈中各影響因素進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析, 研究其輸出端的動(dòng)態(tài)響應(yīng), 為優(yōu)化機(jī)構(gòu)的性能提供理論依據(jù)具有重要的意義。

      文章運(yùn)用正交試驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)編排, 用ADAMS解算器對(duì)UG NX 中建立的傳動(dòng)鏈虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解算, 得到鏈條附件的加速度響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上, 用極差分析法分析了5個(gè)因素的水平變動(dòng)對(duì)輸出端加速度響應(yīng)的影響程度。

      1 間歇傳動(dòng)鏈系統(tǒng)建模

      1. 1 間歇傳動(dòng)鏈的簡(jiǎn)化模型

      本文以研究傳動(dòng)鏈的間歇運(yùn)動(dòng)為主要目的, 將傳動(dòng)鏈系統(tǒng)簡(jiǎn)化如圖1。圖1中選用齒數(shù)相同的鏈輪分別作為主動(dòng)輪1和從動(dòng)輪3。主動(dòng)輪一般由做間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的分度凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng), 帶動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng), 其間歇運(yùn)動(dòng)規(guī)律由分度凸輪的輪廓設(shè)計(jì)決定。從動(dòng)輪上附有撐緊彈簧裝置, 代表實(shí)際物理樣機(jī)中的預(yù)緊裝置。鏈條附件由4個(gè)集中質(zhì)量塊圖中零件2來表示。緊密貼在鏈條下側(cè)較簡(jiǎn)易的構(gòu)件5 是導(dǎo)軌, 指引鏈條運(yùn)行方向, 還起到阻尼防振作用。故不用考慮鏈條的橫向振動(dòng), 而考慮導(dǎo)軌與鏈條間的摩擦和其材料阻尼。

      1. 2 三維實(shí)體模型

      主要結(jié)構(gòu)件有: 銷軸、套筒、滾子、內(nèi)鏈板、外鏈板、鏈輪、導(dǎo)軌等零部件。傳動(dòng)鏈主要參數(shù): 鏈條選用短節(jié)距滾子輸送鏈10A, 鏈輪齒形按短節(jié)距滾子輸送鏈鏈輪齒形造型, 中心距、集中質(zhì)量塊數(shù)目和質(zhì)量。

      本文選取適合中高速且動(dòng)力性能良好的修正正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為分度凸輪輸出。根據(jù)該類系統(tǒng)的實(shí)際工況, 松邊在下, 緊邊在上, 實(shí)體模型如圖2。須添加的運(yùn)動(dòng)副和約束: 鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)副, 鏈節(jié)間的鉸鏈副, 鏈條和鏈輪間的接觸副, 鏈條和導(dǎo)軌間的接觸副等。從動(dòng)輪處添加與機(jī)架固聯(lián)的撐緊彈簧, 接觸力都采用基于impact函數(shù)的實(shí)體碰撞接觸模型(如圖3)。根據(jù)創(chuàng)建的動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真得到某一工況下間歇傳動(dòng)鏈的加速度曲線如圖4所示。

      2 正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)及分析

      正交試驗(yàn)法能合理地安排試驗(yàn)以及分析試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù), 用較少的試驗(yàn)數(shù)量獲得基本上能全面反映情況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[ 10] 。

      2. 1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取

      選取輸入軸轉(zhuǎn)速ω / ( r· m in- 1 )、導(dǎo)軌材料阻尼因數(shù)c、鏈條和導(dǎo)軌之間的庫(kù)侖動(dòng)摩擦因數(shù)μ、預(yù)緊彈簧剛度K / ( N · mm- 1 )和集中質(zhì)量m /kg, 5種對(duì)加速度響應(yīng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性影響關(guān)系的因素。

      2. 2評(píng)價(jià)指標(biāo)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(yīng)是其動(dòng)力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。而且在不同工況下存在不同程度的振動(dòng), 為了研究傳動(dòng)鏈在不同工況下的動(dòng)態(tài)性能, 利用可求得的輸出端加速度響應(yīng), 構(gòu)建可評(píng)價(jià)系統(tǒng)振動(dòng)的指標(biāo)函數(shù)

      式中, n 為一個(gè)工作周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù), ai為集中質(zhì)量在對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)i的加速度響應(yīng), aio為相應(yīng)的間歇運(yùn)動(dòng)規(guī)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(tǒng)動(dòng)態(tài)性能越差。

      2. 3 因素水平的確定

      以工程實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 使用L25 ( 56 )正交表來設(shè)計(jì)樣本, 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行采樣。

      根據(jù)正交表進(jìn)行25種工況下的動(dòng)力學(xué)仿真, 得到25個(gè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值e如表2所示。

      2. 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

      為了分析每個(gè)影響因素對(duì)于振動(dòng)的影響趨勢(shì), 利用統(tǒng)計(jì)工具SPSS進(jìn)行分析, 得到各個(gè)因素的散點(diǎn)圖,并用響應(yīng)的曲線進(jìn)行擬合得到振動(dòng)誤差的相對(duì)值, 見圖5~ 圖9。

      分析以上圖形可知: 轉(zhuǎn)速和集中質(zhì)量m 增大時(shí),振動(dòng)加劇, 而且轉(zhuǎn)速對(duì)其影響較大。適當(dāng)?shù)牟牧献枘岷湍Σ量梢詼p小振動(dòng), 但摩擦力同時(shí)附加了摩擦力矩,使傳動(dòng)效率降低, 造成能量損耗。過大或過小的支撐彈簧剛度都會(huì)加大傳動(dòng)鏈振動(dòng)。

對(duì)此試驗(yàn)進(jìn)行極差分析, 5 因素分別標(biāo)記為ABCDE, 設(shè)A 因素水平“ i” ( i= 1, 2, 3, 4, 5)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和為eA i, 以此類推, 得到其他因素各水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和。由此可以計(jì)算出各因素對(duì)應(yīng)極差如下表3所示。

      為了直觀起見, 我們把各影響振動(dòng)的影響參數(shù)在不同水平下模擬試驗(yàn)得到的振動(dòng)評(píng)價(jià)值(即表3中的e1, e2, e3, e4, e5 )畫成“因素水平- 指標(biāo)均值”圖, 如圖10所示。

      由圖中可以清晰的看到, 在選定的設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi), 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度大小為RA > RE > RD> RB > RC。即各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)e的影響程度大小依次為轉(zhuǎn)速、集中質(zhì)量、彈簧剛度、材料阻尼系數(shù)、摩擦系數(shù)。轉(zhuǎn)速對(duì)指標(biāo)影響程度在所有因子中是最大的,表示轉(zhuǎn)速的大小值在試驗(yàn)范圍內(nèi)變化時(shí), 影響工作端振動(dòng)的程度最大。由此也驗(yàn)證了齒數(shù)少時(shí), 鏈輪轉(zhuǎn)速對(duì)多邊形效應(yīng)影響較大, 是產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的主要原因。在持續(xù)時(shí)間較短的沖擊過程中, 材料的阻尼和摩擦對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)影響較小。

      3 結(jié)語

      在UG Mot ion環(huán)境下, 通過創(chuàng)建連桿、添加運(yùn)動(dòng)約束、定義驅(qū)動(dòng)載荷等操作, 建立了此系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。在此基礎(chǔ)上, 運(yùn)用正交試驗(yàn)法來設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn),選取多個(gè)影響因素, 建立動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析了各重要因素對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響程度及主次關(guān)系。結(jié)果表明正交設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到多因素影響動(dòng)力學(xué)性能的研究上是行之有效的。