基于ADAMS的圆环链传动系统仿真分析

于之龙

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

圆环链传动是一种啮合传动方式。圆环链传动有很多优点，很强的适应能力、承受外力冲击的能力和抗震能力、较高传动效率，同时安装水平的要求比较低[1]。由于其非常多的优点，因此被广泛地应用在很多行业，如冶金、航天、食品加工等[2]。圆环链传动也有一定缺点，圆环链传动的多边形效应致使其运动的稳定性能比较差，平稳性不够使得传动过程中动载荷增大，动载荷会进一步损坏传动链条[3]。学者们通过广泛的研究来寻求解决圆环链传动过程中存在问题的办法。

1 三维实体建模

三维建模的软件和方法有很多，通过比较各个建模软件的效率，本文选择Pro/E建模软件进行圆环链传动装置模型的建立。

1.1 零部件建模

圆环链传动系统由很多部件组成，其中圆环链和链轮是圆环链传动系统的重要组件。平链环和立链环连接起来构成了圆环链。通过焊接得到平链环，通过锻造得到立链环。立链环和平链环的规格为48 mm×152 mm，根据国标《矿用圆环链驱动链轮》，建立与立链环和平链环规格匹配的链轮。

1.2 系统装配

为了节约仿真模拟耗用时间，在保证仿真结果准确性的基础上，只分别布置10个链环在上、下边链上。

2 ADAMS中的仿真模型

将装配好的圆环链传动装置模型接入ADAMS中，同时为了简便处理，把模型里的零件当做不会变形的刚体来处理，所有零件属性均定义为钢。

2.1 定义接触

2.1.1 链环与链轮之间的接触

链环和链轮之间通过啮合实现相互接触，从而带动整个传动系统进行运转，因此在建模过程中需要对链环与链轮之间的接触进行定义。在ADAMS中存在两种不同的计算接触模型，分别为IMPACT函数模型和恢复系数模型，这两种模型有各自不同的特点。前者虽然模拟仿真效果更接近实际，但是存在参数定义困难、建模时间较长的问题，后一种模型参数设置简单，并且因其所需要的计算量比较小，仿真速度会比前一种模型快，并且效率比较高。通过对比上述两个模型的优缺点，选择恢复系数模型来定义链环与链轮间的接触。

恢复系数模型参数比较少，其中关键的参数有恢复系数k，恢复系数表示在接触点处碰撞后与碰撞前法向的相对速度的比值。恢复系数的大小与碰撞物体特性密切相关，碰撞物体材料和接触面的几何形状影响其恢复系数的大小，恢复系数可以通过实验获得。恢复系数k≥0且≤1，当与碰撞物体发生的是完全非弹性碰撞时，k取0；当与碰撞物体发生的是完全弹性碰撞时，k取1。恢复系数的取值直接影响仿真的效果，当恢复系数为0时，能保证仿真高效稳定的进行，因此在接触模型中定义恢复系数为0。

2.1.2 链环之间的接触

在圆环链传动系统建模仿真过程中，链环之间的接触方式一般采用轴套力模型或者接触模型来定义。但是这两种定义接触的方式存在很多缺点，比如：耗时过长、仿真结果精度差等。而弹簧阻尼模型能够有效地规避接触模型和轴套力模型的缺点，具有仿真结果精确、耗时短、稳定性好的优点，因此链环之间的接触采用弹簧阻尼模型来定义。下页图1为弹簧阻尼模型定义的接触。

2.2 定义约束

链轮的运动副为转动副，故需要在中心处添加使其只能做旋转运动。为了在仿真中实现对各个部件的约束，需要对定义的运动副设定一定数目的自由度，可以被定义的运动副有很多，包括齿轮副、滑移铰链、耦合副等。因为链轮的运动副是为了让链轮做旋转运动，因此需在链轮上配置旋转铰链。

图1 弹簧阻尼模型定义的接触

平链环与链轮之间是线面高副啮合，这种啮合方式很复杂，并且平链环还和立链环一起平动，导致平链环运动副很难被精准定义，因此在满足必要的仿真效果下，可不比定义平链环的约束，只要定义其与链轮之间的接触即可，同时在链环上增加平动副来保证沿链轮中心距方向上的平动。

2.3 运行阻力

在刮板输送机的圆环链传动系统中，由于上下边链的负载状况不同，导致上下边链的运行阻力不同。上边链的运行阻力圆环链传动系统存在上下两个边链，因两个边链负载不同，运行阻力的计算公式也不尽相同，上、下边链的运行阻力[1]为：

式中：μcl为中部槽与圆环链条之间的摩擦系数；μcw为中部槽与物料之间的摩擦系数；q0为单位长度圆环链条的质量；q上为单位长度上边链上物料的质量；q下为单位长度下边链上物料的质量；g为重力加速度；L为输送机链条需要敷设的距离；β为输送机的倾斜角度。

由公式（1）、公式（2）可知，链环上边链和下边链的阻力不同，圆环链所受阻力与环链空间位置有关，因此圆环链所受的阻力在建模过程中以场力来代替。

在模拟过程中用场力来代替链环受到的阻力，但是为了让模拟仿真结果更加精准，还要把以下两点考虑在内：

1）圆环链传动系统在启动的一瞬间，链轮只受到扭矩，又因其受到静摩擦力的作用，链轮和链条都有运动的趋势，但链轮的转速为零。

2）为保证圆环链传动系统稳定有效运行，应该避免力的陡变对传动系统的稳定性产生冲击，因此在链环与链轮啮合运行的一个周期的始末，应该让链轮与链环之间的阻力逐渐增大或者逐渐减小。

SGZ1000/2000型刮板输送机的参数为：输送机链条应敷设300 m，并且其倾斜角度在为-5°～5°之间变化；输送机单位长度圆环链的质量为172.9 kg/m，输送机上链上单位长度的物料质量为441.5 kg/m，输送机下边链上的物料质量忽略不计;圆环链与中部槽间的动摩擦系数和静摩擦系数在0.3～0.4之间；输送链上的物料与中部槽间的动摩擦系数和静摩擦系数在0.6～0.8之间[2]。

根据上述公式，并把圆环链相应的参数带入公式，可以求得输送机上边链的运行阻力为500 N，上边链的静运行阻力为600 N；下边链的运行阻力为80 N，下边链静运行阻力为100 N。

3 建立电机模型

传动系统需要电机来提供运行动力，因此需要在仿真模拟过程中添加电机模型，但是真实的电机模型比较复杂，难以在ADAMS中实现。因此在确保仿真结果真实可信的基础上建立电机简化模型，设定此简化模型的启动力矩值固定不变，当电机转速到达临界值时，采用阶跃式函数来表征特性函数。如图2所示。

图2 电机的简化机械特性曲线

4 仿真结果

圆环链传动系统运行一个周期得到的结果如下页图3和下页图4所示。图3为链轮的转速曲线，图4为链环间作用力的变化曲线。由下页图3可知，0.025 s前，链轮转速呈现整体减小的趋势，在0.025 s后，因链环与链轮的周期性啮合，链轮转速曲线出现振荡特性。由下页图4可知，在0.1 s前，链环之间的作用力整体呈现增大趋势，在0.1 s处达到峰值，在0.1～0.2 s之间链环之间作用力不断下降，在0.2 s处出现陡增，随即在0.2～0.5 s内作用力产生振荡，0.5 s作用力完成一个周期的变化，接下来作用力将呈现周期性变化[3]。

根据上述仿真结果可知，链轮转速以及链轮与链环之间作用力在一定时间段内都呈现振荡现象，这是由于链轮与链环在即将啮合或者脱离啮合时，链式传动系统出现多边形效应。模拟的结果和圆环链系统实际运行结果相符，有效地验证了这种建模方式的合理性。

图3 链轮转速

图4 链环间作用力

5 结论

结合三维实体造型软件和动力学分析软件，构建以圆环链传动系统为原型的虚拟样机模型。在仿真模拟过程中，用弹簧阻尼模型来定义链环之间的接触，确保最终模拟结果的准确性，并且用弹簧阻尼模型来定义接触会缩短模型计算所耗用的时间。链环受到的阻力在模拟过程中用场力来代替，既能保证模拟仿真结果的真实性，又能保证其准确性。最终模拟仿真得到的结果与圆环链传动系统真实的模拟结果一致，有效验证了基于动力学分析软件ADAMS得到的圆环链传动系统模型的有效性。