基于RecurDyn的鏈式提升機動力學分析

摘 要：本文采用了多體動力學的方法對鏈式提升機的工作過程進行了動力學研究，利用RecurDyn的鏈傳動模塊和ProE建立了提升機的虛擬樣機，采用相對坐標法和遞歸算法對提升機的工作過程進行了仿真計算，獲得鏈式提升機的動力學參數(shù)。本文的方法和結論可以指導同類產品的設計和分析。

關鍵詞：鏈式提升機；RecurDyn；動力學分析；虛擬樣機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.052

0 引言

鏈式提升機廣泛應用于船艦、礦業(yè)和工業(yè)自動化生產系統(tǒng)中，隨著科技的發(fā)展，鏈式提升機的速度更快、工作模式更多、接口更加復雜，因此其動態(tài)性能的研究更加重要、難度更大，采用多體動力學方法對鏈式提升機運動和受力進行分析，通過計算機模擬分析，研究鏈式提升機的工作規(guī)律，可以有效地指導設計和分析。具有鏈傳動子模塊、采用相對坐標系和遞歸算法的RecurDyn軟件可以提供一個高效的分析平臺。

1 鏈式提升機的動力學研究

鏈式提升機運動可以簡化為由主動輪、導軌、鏈條、負載以及被動鏈輪組成。電機驅動主動鏈輪轉動，帶動負載和被動鏈輪運動。負載與鏈條固定在一起；導軌限制了鏈條的橫向振動，使負載做近乎垂直的運動。

應用剛體動力學單自由度等效法對鏈式提升機進動力學分析，將鏈式提升機機械部分所有元件的慣性特性和所受負載等效到主動鏈輪軸上形成一等效轉動慣量和一等效負載力矩，可以推算出等效轉動慣量的表達式：

式中：表示動力軸轉角，等效力矩為驅動力矩和軸上阻力矩之差。根據(jù)公式2，利用數(shù)值方法可以求出鏈輪速度隨時間變化的規(guī)律。但是，鏈式提升機中每個構件在不同時間的運行狀態(tài)都是不斷變化的，而且機構中存在復雜的接觸碰撞過程，如果單獨考慮每個構件的狀態(tài)需要耗費大量的精力，而簡化則會影響計算的精度。所以用虛擬樣機來進行動力學仿真可以在保證精度的前提下減少計算的工作量。

2 虛擬樣機建模

Recur Dyn是韓國Function Bay公司開發(fā)的一款多體系統(tǒng)動力學軟件，它運用其特有的多柔體動力學分析技術，可以大規(guī)模的求解大變形、柔性體與剛性體接觸、柔性體接觸等復雜接觸類問題。Recur Dyn 中有參數(shù)化的專業(yè)工具包，RecurDyn/Chain（鏈傳動模塊）可以實現(xiàn)不同類型鏈條的多體系統(tǒng)動力學仿真模型的快速化建模和智能化驅動以及動力學特性分析，該軟件在對鏈傳動系統(tǒng)具有求解速度快、裝配方便的優(yōu)點。

對鏈式提升機進行虛擬樣機建模，首先分別用RecurDyn和ProE建立鏈條鏈輪和附件的模型，然后在RecurDyn中裝配、添加約束，建立幾何模型；在模型中添加力學元素，生成力學模型；最后，將力學模型轉化為數(shù)學模型，求解。

3 仿真結果分析

設置主動鏈輪驅動速度、仿真步數(shù)等參數(shù)，運行仿真，獲得仿真結果如圖2、3、4。

主動鏈輪先迅速加速到恒速轉動，在大約0.1s以后從動鏈輪和張緊鏈輪才開始加速。這個時間差就是鏈式提升機鏈條張緊的時間。從圖上看，由于鏈式提升機的加速時間很短，所以其加速度看起來近似一條直線。從動輪以及從動鏈輪相對于主動鏈輪速度是波動的，并且呈現(xiàn)一定的周期性。鏈條預拉伸階段的時間幾乎為0，這是由于鏈條垂直放置，本身就產生一定的拉伸，而且鏈條的剛度很大，拉伸過程很短。

從以上分析中可以看出，鏈式提升機在進過較短的的加速階段以后進入穩(wěn)定階段，速度在平均值附件上下變化，在運動過程中速度始終是波動的。其平均速度約為900mm/s，在t=2.80s時，最大速度為943mm/s；在=1.04s時，最小速度為865mm/s。速度不均勻系數(shù)為：

如果只考慮鏈傳動的多邊形效應，則只考慮鏈輪數(shù)量對速度不均勻性的影響，當齒數(shù)為25時，。可見由于鏈條較長，使速度不均勻性增大。

鏈節(jié)之間的受力一直是波動的，這是由于鏈式提升機帶的負載隨著鏈條始終是做周期性的運動造成的。鏈節(jié)與鏈輪的受力是先增大后減下。在分析中可以獲得不同階段的力大小，可以作為強度分析的輸入值。

4 結束語

本文研究了大鏈式提升機的工作原理和動力學計算方法。考慮到鏈式提升機的實際工作情況，采用數(shù)值計算的方法難以計算，研究了使用RecurDyn多體動力學軟件建模的方法，通過虛擬樣機獲得了鏈式提升機工作過程中的運動和力學參數(shù)。本文的研究可以為鏈式提升機的研究和優(yōu)化改進提供支持。

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作者簡介：黎良發(fā)（1990-），男，助理工程師，主要從事艦船裝備研究。