基于RecurDyn船用低速柴油机正时链传动的仿真与分析

王 欢， 周瑞平

(1.南通航运职业技术学院 轮机工程系， 江苏 南通 226010；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430070)



基于RecurDyn船用低速柴油机正时链传动的仿真与分析

王 欢1，2， 周瑞平2

(1.南通航运职业技术学院 轮机工程系， 江苏 南通 226010；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430070)

通过RecurDyn软件，基于广义递归理论，建立船用低速柴油机正时链传动系统运动学和动力学模型，通过实体模型的运动，得出链和链轮的位移、速度、角加速度等参数，验证了滚子链传动系统的运动学和动力学特性，为减少柴油机工作时链条的振动和噪声提供理论参考。

链传动;RecurDyn;广义递归理论;运动学和动力学特性

0 引言

链传动作为一种可靠的传动装置和传输装置具有寿命长、强度高、免维修等优点，已在工程机械上应用了较长时间。柴油机正时链传动系统是链传动在高端传动领域的应用。链传动系统具有齿轮和皮带传动的优点，在发动机正时系统中有逐步取代齿轮和轴承的趋势[1]。

滚子链传动的主要问题是振动和噪声，链在传动的过程中，从松边到紧边的不断运动，引起张紧力的变化，这将影响链的频率和振幅[2]。因此，许多学者对滚子链传动系统的动态特性展开了研究。链传动系统的动态分析和仿真一直是一个复杂的问题，仅在过去的几十年间才开始展开对链传动动力学模型的研究[3]。

RecurDyn软件通过开发广义递归法算法库，采用向后差分法(Backward Differentiation Formula, BDF)和相对坐标进行动力学的分析[4]，该方法是链传动系统仿真的新方法。

1 广义递归算法

如图1所示，有一对相邻构件，设构件(i-1)是连接构件(i)的前一个构件，点Oi的位置表示[5]为

(1)

(2)

其中H′由旋转轴来确定。

图1 两相邻构件的运动学关系

对式(1)求导，可得

(3)

(4)

联立式(2)和式(4)得到相邻构件运动副间的速度递归方程[6]：

其中：

(5)

需要注意的是，矩阵B(i-1)i1和B(i-1)i2是仅关于构件(i-1)和(i)的相对坐标函数。因此，对式(5)中矩阵B(i-1)i1和B(i-1)i2求导，除q(i-1)i以外的项，进一步求导均为零，简化递归法将利用这个重要特性。

同样地，虚位移的递归关系如下：

(6)

2 运动学仿真

2.1 算例基本参数

在RecurDyn软件中，链模块包含链轮、链条和约束条件，资料库汇集了链条的所有标准规范，链轮和链条可以自动啮合装配。

基于采用RecurDyn软件对低速船用柴油发动机滚子链传动仿真，该滚子链传动被放置在发动机前端，由4个链轮和122个链节组成，具体位置参数及简化图如图2所示。

图2 柴油机链传动位置

链传动系统上部的链轮[3]是预紧装置的一部分，根据制造商处获得的试验数据，它在正常工作条件下，距离曲轴右侧0.336 6 m，距上方3.094 4 m。链的每一个链节齿间距为0.088 9 m，质量为3.01 kg，刚度系数为815 N/m，可作为一个具有刚度的柔性元件进行建模，链和链轮的具体参数如表1和表2所示。

表1 链轮参数

表2 链规格

2.2 建模

该链传动系统由4个链轮组成，见图3a)，4个链轮作用分别为：链轮[1]=曲轴链轮(驱动)；链轮[2]=平衡链轮；链轮[3]=张紧链轮；链轮[4]=平衡链轮。

在RecurDyn软件中，自动生成的齿面几何形状由混合了直线和圆弧的5段曲线组成。与链轮接触的滚子能够沿齿面移动，并预先设置预紧力、齿面几何形状和链条节距。曲轴上的驱动链轮[1]以120 r/s的恒定角速度旋转，驱动频率为2 Hz，链齿的频率为120 Hz。建模时应注意检查链条和链轮不发生干涉，否则仿真过程易出错，如图4所示。施加约束和驱动力后的模型，如图3b)所示。

图3 柴油机正时链传动系统模型

图4 链条齿形轮廓和链轮不干涉

3 仿真结果分析

给主动链轮添加一个1 r /s 的恒定转速，设置仿真时间为5 s，仿真步长为500 步，对链传动系统进行运动学和动力学仿真。

3.1 运动学分析

利用后处理器对仿真结果进行处理，得到反映系统运动学特性，如图5～图8所示。根据图5和图6得知，主动链轮[1]的转速由0逐渐增大最后趋近于6.28 r/s，加速度为0，这是由于设定的主动链轮的初始速度为0，然后对其设置一个1 r/s的恒定转速，验证了仿真的正确性。从动链轮[2]的角速度也由0逐渐增加后,平缓趋近为12.56 r/s，且链轮[1]和链轮[2]速度的增加和衰减是同步的，这是由于链轮[1]转动后带动链轮[2]，两轮半径比为2∶1，故传动比为1∶2。主动链轮[1]驱动恒定，故角加速度为0，由于摩擦力的作用从动链轮[2]在启动后的角加速度有波动，并逐渐衰减趋于稳定。链在启动时，速度和加速度冲击较大，随后影响逐渐衰减，故应控制链轮的启动速度，减小脉冲速度的影响。

图5 链轮[1]的速度和加速度

图6 链轮[2]的速度和加速度

图7 49号链节的速度和位移量

图8 49号链节的加速度

任意选择一链节分析链节的速度、加速度和位移量，以49号链节为例。由图7可知链节的质心位移量以1.6 s的周期2 000 mm的振幅波动，这是由动载荷引起的。链节的瞬时速度由0加速，然后周期性地由小变大，又由大变小，最后趋于平稳，仍有小的波动。由图8可以看出，链节的加速度以一定的周期波动，由于链速的变化，传动时不可避免地会产生振动和动载荷。可见，链速和从动轮角速度具有周期性波动，链传动的瞬时传动比是变化的，由此可验证链的多边形效应。

3.2 动力学分析

任意选择一链轮分析链轮的张力和接触力，以49号链轮为例(见图9)，可看出链节与链轮的接触力呈周期性变化，并且接触力的变化发生在链条与链轮啮合时，即为链传动啮合时的冲击力作用的结果。链啮合冲击力作用会产生振动和噪声，影响链的传递效率，缩短使用寿命，故必须对链条和链轮的齿形进行优化设计，减小冲击载荷。

图9 49号链节张力曲线和49号链节与链轮之间接触力曲线 [][]

该链传动系统预先设置的预紧力为21 kN，由图10可知，链的张紧力曲线在21 kN附近波动，这主要是由于啮合时的冲击力和多边形效应综合作用的结果。张紧力的作用是防止链条垂度过大造成啮合不良和松边的颤抖，甚至是脱离啮合，可以通过调节张紧装置来调节链的张紧程度，过松和过紧均不可取，合适的张紧力会降低链的振动和噪声。

图10 链预紧力变化曲线

4 结论

基于广义递归理论，通过RecurDyn软件建立船用低速柴油机正时链传动系统运动学和动力学模型，通过实体模型的运动，得出链和链轮的位移、速度、角加速度等参数，验证了滚子链传动系统的运动学和动力学特性：

(1) 链在启动时，速度和加速度冲击比较大，随后影响逐渐衰减，故应控制链轮的启动速度，减小脉冲速度的影响。

(2) 低速链传动过程中，瞬时速度和瞬时传动比都随时间呈周期性变化，验证了多边形效应的存在。

(3) 链在啮合时存在冲击载荷，影响链的传递效率，产生振动和噪声，因此需要减小链啮合时的冲击。

(4) 链传动时需要适当调节链的张紧程度，过松和过紧均不可取，合适的张紧力会降低链的振动和噪声。

[1] 胡胜海,郭彬，马宋明辉，等.考虑完整齿廓的滚子链系统SimMechanics建模与仿真[J].吉林大学学报(工学版)，2013,4：958-963.

[2] 丁海峰,任革学. 链轮驱动系统的多刚体建模及分析[J]. 力学与实践，2005,4:14-17.

[3] 李淑民. 链传动的等效机构模型及速比计算 [J].机械设计, 1998，9：17-18.

[4] 焦晓娟,张渭，彭斌彬. RecurDyn多体系统优化仿真技术[M].北京：清华大学出版社,2010.

[5] 覃维献. 滚子链传动横向振动稳定性分析[J].机械传动,2010，8:79-82.

[6] 程明. 基于Recurdyn链传动的仿真与分析[J].机械设计,2013，9:42-46.

Simulation and Analysis of Timing Chain Drive System of Low Speed Marine Diesel Engine Based on RecurDyn

WANG Huan1,2， ZHOU Ruiping2

(1.Dept. of Marine Engineering, Nantong Shipping College, Nantong 226010， Jiangsu， China；2.College of Energy & Power Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070, Hubei, China)

Based on generalized recursion theory, the kinematic and dynamic models of the timing chain drive system of marine low speed diesel engine are set up with RecurDyn software. By physical model of motion, the displacement, velocity, angular acceleration and other parameters of chain and chain wheel are obtained. The kinematic and dynamic characteristics of the roller chain drive system are verified. Theoretical reference for reducing the vibration and noise of the diesel engine during operation is provided.

chain drive system; RecurDyn; generalized recursive theory; kinematic and dynamic characteristics

南通航运职业技术学院科技研究课题：大型船用柴油机关键技术研究，编号：HYKJ/2016QN07

王 欢(1984-)，女，讲师，博士生在读，主要研究方向为船舶链传动系统振动噪声控制

1000-3878(2017)02-0023-05

U664

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