史萬青，李建平，張紅兵，牛廣毅

（潞安集團 王莊煤礦，山西 長治 046031）

0 引言

刮板輸送機是煤礦常使用的運輸機械，鏈輪的設(shè)計制造水平直接影響鏈輪與鏈環(huán)的正確嚙合以及鏈傳動的運行狀態(tài)。鏈輪的規(guī)格眾多，三維參數(shù)化可以減少重新建模的次數(shù)，節(jié)省時間，避免出錯，因此，參數(shù)化對鏈輪實際的制造具有指導(dǎo)意義。本文通過ADAMS對鏈嚙合傳動系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真，從而為刮板輸送機的參數(shù)化設(shè)計提供準確的運動參數(shù)。

1 刮板輸送機的參數(shù)化設(shè)計

1.1 鏈輪的三維建模

根據(jù)中華人民共和國煤炭行業(yè)標準礦用刮板輸送機鏈輪MT231—1991，以規(guī)格18×64、7齒的鏈輪形式和尺寸進行鏈輪的建模。基于Pro/E生成的鏈輪三維模型如圖1所示。

1.2 鏈輪參數(shù)化

參數(shù)化設(shè)計是基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，以VC＋＋6.0為開發(fā)平臺，利用Pro/TOOLKIT開發(fā)工具，結(jié)合數(shù)據(jù)庫進行二次開發(fā)。Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序具有同步和異步兩種工作模式，本文采用同步模式中的動態(tài)鏈接庫，即DLL模式。

運用VC＋＋6.0中的應(yīng)用程序向?qū)ВˋppWizard）和類向?qū)В–lassWizard）來創(chuàng)建和調(diào)試Pro/TOOKIT應(yīng)用程序。通過VC＋＋6.0編寫源文件，包括菜單資源文件、對話框資源文件等，可以在Pro/E的主界面添加菜單條以及菜單按鈕，也可以通過函數(shù)顯示設(shè)置參數(shù)化界面的對話框。

三維模型參數(shù)化需要對建立的鏈輪模型進行參數(shù)定義，如圖2所示，各個參數(shù)均以礦用刮板輸送機鏈輪MT231－1991標準中的公式進行計算，并且對各個參數(shù)加以說明。

在鏈輪的參數(shù)化過程中，還需對建模的相關(guān)曲線尺寸與圖2所示的參數(shù)建立關(guān)系，如圖3所示。

1.3 裝配模型的建立

由于刮板輸送機的零部件數(shù)量多，因此先進行分段裝配，然后再進行總裝配。在Pro/E中進行子裝配與總裝配，不需要定義實際的約束副，只需要確定各個零部件的相對位置，并且嚴格保證沒有干涉即可。直線段的鏈條與鏈條的裝配，采用點對點對齊、輔助平面對齊方式裝配。彎曲段的鏈條與鏈輪的裝配采用平環(huán)與鏈窩底平面高副接觸、其余自由度與立環(huán)均為輔助平面定位。將直線段與彎曲段的子裝配進行裝配，得到鏈條傳動系統(tǒng)的總裝配，如圖4所示。

圖1 鏈輪的三維建模

圖2 參數(shù)表

圖3 關(guān)系式

圖4 鏈傳動系統(tǒng)的總裝配

2 鏈條傳動系統(tǒng)的仿真

2.1 仿真模型的建立

將虛擬裝配的裝配體保存為x＿t格式的文件，然后導(dǎo)入ADAMS/View中。在ADAMS中導(dǎo)入仿真模型后，需要為各個運動部件添加所需的約束，使它們之間具有符合實際運動的相對運動關(guān)系，對每個零部件添加各種約束后，就形成了一個機械系統(tǒng)。

2.2 仿真模型的設(shè)置

仿真模型生成后，要進行一系列的設(shè)置，才能進行仿真。主要步驟如下：

（1）設(shè)置工作柵格平面與鏈輪中心軸垂直，并將工作平面設(shè)置在廣義坐標系X－Y平面內(nèi)，定義單位制MMKS。定義各個零部件的質(zhì)量屬性為steel。在每個零件的質(zhì)心處添加maker點，如圖5所示。

（2）通過菜單中的Contact接觸功能添加約束，接觸類型選擇solid to solid，剛度系數(shù)不得低于109，否則，在仿真時會發(fā)生鏈環(huán)與鏈環(huán)之間的穿透。具體接觸參數(shù)如圖6所示。

圖5 仿真模型

圖6 接觸參數(shù)

2.3 添加運動副與驅(qū)動力矩

定義鏈輪與大地之間的旋轉(zhuǎn)副，并定義左側(cè)鏈輪為驅(qū)動鏈輪1，右側(cè)鏈輪為驅(qū)動鏈輪2，方向為順時針方向，分別添加負載扭矩。

在定義了運動副、約束、接觸、質(zhì)心，設(shè)置好單位、重力后，對模型進行檢查，通過檢查后進行動力學(xué)仿真。設(shè)置仿真時間為4s，仿真步長為50，積分器采用變步長GSTIFF，求解器I3，其他的參數(shù)采用系統(tǒng)默認值。

3 動力學(xué)仿真結(jié)果

點擊運行，經(jīng)過一段時間后仿真運行結(jié)束，得到仿真結(jié)果。本文以驅(qū)動鏈鏈輪2緊邊鏈的鏈環(huán)Part21來對鏈傳動系統(tǒng)的受力狀態(tài)和運動狀態(tài)進行分析。

（1）鏈環(huán)Part21質(zhì)心在X軸方向上的位移變化如圖7所示。驅(qū)動鏈輪2的中心為零點位置，在處于靜止狀態(tài)時，Part21的質(zhì)心位于距離驅(qū)動鏈輪2中心位置大約750mm處；在大約0.4s時，鏈環(huán)Part21的質(zhì)心到達距離驅(qū)動鏈輪2最遠的位置；大約2.3s時，到達距離驅(qū)動鏈輪1最遠的位置。

圖7 鏈環(huán)Part21質(zhì)心的位移曲線

（2）鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的加速度曲線如圖8所示。由圖8可知：在0s～0.6s內(nèi)，在啟動時緊鏈邊受到非常大的動載荷，加速度的變化劇烈，該動載荷包括啟動時的動載荷與鏈傳動的多邊形效應(yīng)帶來的規(guī)律性動載荷；在0.6s～3.7s內(nèi)，鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的加速度波動明顯減小，這段時間包括回程段部分、鏈環(huán)與驅(qū)動鏈輪1的嚙合部分，還包括承載段部分以及與驅(qū)動鏈輪2的初始嚙合部分；在3.7s～4.0s內(nèi)，鏈環(huán)Part21質(zhì)心的加速度出現(xiàn)兩個尖峰，第一個尖峰處鏈環(huán)Part21承受了負載與驅(qū)動力，第二個尖峰處是圓環(huán)鏈傳動多邊形效應(yīng)引起的動載荷導(dǎo)致的。

圖8 鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的加速度曲線

（3）鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的速度曲線如圖9所示。通過對曲線分析可知：在啟動時，鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的速度在很短時間內(nèi)升高；在0s～0.6s內(nèi)速度逐漸衰減，說明在啟動時，鏈環(huán)Part21受到很大的沖擊；在0.6s～2.1s內(nèi)，速度在小范圍內(nèi)波動，這是由于多邊形效應(yīng)引起的波動，此時的鏈環(huán)處于回程段；在2.6s～4s內(nèi)，鏈環(huán)處于承載段。

（4）經(jīng)過查詢，可知接觸 CONTACT＿40為Part21與驅(qū)動輪2的接觸定義，因此得到接觸力的大小與時間的變化關(guān)系，如圖10所示。分析圖10可知，鏈環(huán)Part21進入嚙合時，接觸力迅速增大，當(dāng)其后的平環(huán)進入嚙合后，其接觸力迅速減小。

（5）經(jīng)過查詢，可知 CONTACT＿14為鏈環(huán)Part21與相鄰鏈環(huán)的接觸定義，因此得到接觸力的變化曲線，如圖11所示。

圖9 鏈環(huán)Part21質(zhì)心處的速度曲線

圖10 鏈環(huán)Part21與驅(qū)動輪2接觸力曲線

圖11 鏈環(huán)Part21與相鄰鏈環(huán)的接觸力曲線

從圖11可以得知，圓環(huán)鏈在啟動時，受到波動比較大的動載荷，進入正常的嚙合后，鏈環(huán)受到的拉力減小至零，回程段的動載荷由多邊形效應(yīng)產(chǎn)生。當(dāng)鏈環(huán)Part21再次與驅(qū)動鏈輪2嚙合時，啟動時的沖擊振動已經(jīng)消失。

4 結(jié)語

通過分析可知，在啟動的瞬間，承載段的鏈環(huán)受到非常大的沖擊振動載荷。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法比，通過仿真可以定量地判斷啟動時與運行時刮板鏈條所受的動載荷，為設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

［1］李世國.Pro/TOOLKIT程序設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］張繼春.Pro/ENGINEER二次開發(fā)實用教程［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2003.

［3］鄭建榮.ADAMS——虛擬樣機技術(shù)入門與提高［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.