基于ADAMS的递纸机构动态性能分析研究*

杨 晨，张晓莹

(郑州科技学院机械工程学院，河南郑州 450064)

1 前言

递纸机构是印刷过程中纸张重要的传递机构，是印刷机上非常重要的定位部件，维持定位精度，保证纸张正确传递。国产印刷机同国外产品还有很大差距，设计合理的递纸机构，对提高国产印刷机的工作稳定性和运转速度起着关键作用。因此，对其进行的分析研究越来越引起人们的重视［1］。

2 递纸机构的运动学分析

通过Pro/E建立了递纸机构的三维实体模型，递纸机构模型主要包括凸轮、主摆臂、拉簧杆、副摆臂、递纸摆臂等。主凸轮驱动滚子、四连杆机构ABCD作为输出系统，以完成递纸牙的运动，并用副凸轮驱动滚子、摆杆，与输出系统用拉簧连接起来，作为力封闭系统。输出系统的作用是保证咬纸牙摆臂杆的运动规律，而力封闭系统的作用是使输出系统凸轮从动件不能有跳跃，要始终紧贴凸轮，如图1所示。

通过Pro/E建立三维实体模型，并运用 ADAMS进行仿真计算［2］，图2为1142型大全张印刷机递纸机构是三维模型，质量特性及外形尺寸完全按照设计人员提供的图纸完成。

将递纸机构的三维实体模型导入ADAMS环境中，在凸轮与销轴之间建立转动副、主副摆臂与销轴之间建立转动副、连杆与主摆臂之间建立转动副、轧辊和销轴之间建立转动副、销轴与大地之间建立固定副［3］。凸轮和滚子之间建立接触连接关系，并在凸轮与销轴之间施加角速度ω=9 000 r/h=900°/s旋转驱动。图3为建立的递纸机构的多体模型，并对其进行运动仿真分析，获得了递纸摆臂的角位移、角速度和角加速度的数据曲线图如图4～6所示。

图1 定心下摆式递纸机构

由图4可知，递纸摆臂的运动过程符合递纸牙的设计工作要求，整个过程可分为6段，即带纸加速、等速交接、递纸牙摆到最远处、远停、递纸牙摆回到输纸板台、停台咬纸(以递纸牙开始带纸运动为起点)。

由图5可知，在递纸摆臂与印版滚筒等速交接处有局部跳动，但整体来看是符合递纸牙的运动特征的。这主要是与机构的尺寸、凸轮的廓线形状等因素有关。

图2 1142型递纸机构三维实体模型

图3 递纸机构的虚拟样机模型

图4 递纸摆臂角位移曲线图

图5 递纸摆臂角速度曲线图

从图6可知，回程段角加速度波动很大，最大值达到εmax=42 242°/s2。因递纸牙的工作行程发生在推程阶段，对于递纸牙的空回行程，不要求严格的运动规律，只要接近输纸板时冲击较小，以便在停顿片刻后能消除振动。而递纸牙空回到输纸板时角加速度为0，无振动满足条件。在交接过程若角加速度出现抖动现象，应减小主副摆臂产生的惯性力和惯性力矩，减小机构的冲击及振动。

3 递纸机构的刚性动力学分析

除惯性力和惯性力矩外，运动副之间的作用力也可影响递纸牙运动的稳定性。若运动副之间作用力过大，会造成运动副之间的严重磨损。因此，对递纸摆臂铰点处的受力进行分析研究也十分很重要［4］。

对递纸摆臂进行动力学仿真分析，从分析结果(如图7、8所示)中可以看出，工作行程D点承受载荷最大值为1 721 N，将递纸摆臂的材料从钢更换成硬质合金时，D处受力最大值为7 489 N，所受载荷为原来材质的4.35倍。

图6 递纸摆臂角加速度曲线图

图7 递纸摆臂为钢材料D处的受力曲线图

图8 递纸摆臂为硬质合金D处的受力曲线图

可见，递纸摆臂材料选用密度较小的钢材料，可大幅减小递纸摆臂铰点处的受力，对减轻凸轮所受的载荷具有明显效果。

4 递纸机构的柔性动力学分析

递纸摆臂在实际运动过程中存在弹性变形，将递纸摆臂作为刚性体考虑，摆臂实际运动会产生一定偏差，为更加准确的得到递纸摆臂的动态响应，将其作为柔性体进行仿真分析，校核摆臂运动过程中的动态误差是否满足印刷设计时速下传纸的运动精度。

由于递纸摆臂形状的不规则性和结构的复杂性，采用有限元法在ANSYS中对递纸摆臂进行网格划分并将生成的相关MNF模态中性文件导入ADAMS，进行仿真分析［5］，递纸摆臂的网格模型如图9所示，动态仿真分析过程递纸摆臂的变形如图10所示。

图9 递纸摆臂网格模型

图10 1142型递纸机构仿真图

图11 递纸摆臂动态角位移误差曲线图

从图11递纸摆臂动态角位移误差曲线图中可知，静止取纸区的位移偏差及等速交接区二者数值偏差都很小，远远小于保证纸张定位和交接精度的0.08 mm，能够满足定位和交接的要求，通过分析其动态偏差，该印刷机能在9 000 r/h的速度下正常工作。

5 结论

通过在Pro/E中建立递纸机构三维模型，以及在ADAMS中进行运动学和动力学仿真，分析结果表明所设计的递纸机构满足运动要求;递纸摆臂在不同材质下，对摆臂铰点受力影响很大，尽量选用轻质材料，以减少惯性力的影响。

建立了递纸摆臂的柔性模型，分析了递纸摆臂的动态响应误差，分析结果表明在预定的工作时速下，能保证套印精度。对递纸摆臂的变形情况，可进一步改进零件的结构形状，得到刚性更好的零件结构，以减小递纸过程中的振动。

［1］ 张晓玲，黄 岩，陈 虹.高速胶印机递纸机构的设计与研究［J］.机械设计，2005，22(7):38-40.

［2］ 蔡吉飞，张仲勇，宋 刚.八开胶印机定心摆动式递纸机构的动力分析［J］.北京印刷学院学报，2003，11(2):3-11.

［3］ 郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［4］ 张晓玲.基于ADAMS的下摆式递纸机构动力学仿真［J］.机械设计，2006，23(11):25-27.

［5］ 邓劲莲，屠 立.摆动式柔性递纸机构的动力学分析与研究［J］.机械设计，2008，25(11):38-41.