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挖掘机回转减速机运动学及动力学仿真

2021-03-10 18:20

  挖掘机回转减速机运动学及动力学仿真_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。挖掘机回转减速机运动学及动力学仿真 摘要: 以某挖掘机回转减速机为研究对象, 通过 UG 建立减速机的三维模型, 将模型导入到 ADAMS 中建立减速机的虚拟样机,再对虚拟样机进行运动学与 动力学仿真

  挖掘机回转减速机运动学及动力学仿真 摘要: 以某挖掘机回转减速机为研究对象, 通过 UG 建立减速机的三维模型, 将模型导入到 ADAMS 中建立减速机的虚拟样机,再对虚拟样机进行运动学与 动力学仿真,得到各级转速、齿轮啮合力等曲线。将仿真结果与理论计算进行对 比,证明虚拟样机建立正确,也为减速机动态特性优化提供一定的指导。 关键词:UG;行星减速;ADAMS;动力学仿真 引言 行星减速机具有结构紧凑、传递速度范围大、运行平稳等优点,被广泛地应 用于建筑、冶金等领域。由于其结构相对复杂,使用传统方法不易对其动力学特 性进行精确计算,也无法准确预测其工作性能。本文在 ADAMS 中建立虚拟样 机,可得到所需的各种数据曲线。为零件的强度校核、寿命预测和工程设计等提 供支持。 1.行星减速机的工作原理 本文研究的行星减速机采用 2 级行星轮系组成, 每一级结构都采用 NGW 型 传动。如图 1 是此行星减速机的传动结构简图。 此减速机属于周转轮系[1],由于内齿圈 固定不动,所以=0(m,n,H 分别代表太阳轮、内齿圈、行星架) ,所以减 速比: 即: 得出 n 级 NGW 型的减速比 各级太阳轮齿数各级内齿圈齿数 图 1.二级行星减速机结构简图 1.一级太阳轮 2.一级行星轮 3.一级行星架 4.二级太阳轮 5.二级行星轮 6.二级行星架 7.内齿圈 本文的减速机一级太阳轮、一级行星轮、内齿圈、二级太阳轮、二级行星轮 的齿数分别为:21、33、87、21、23。所以总减速比为(1+87/21)2=26.45。 2.减速机三维模型的建立 由于 ADAMS 不善用于复杂 3D 曲面的三维建模,所以采用 UG 来建立三维 模型。 2.1 齿轮和花键的参数化建模[2] 变位齿轮用传统的建模方法可能建模失败,因此采用参数化建模齿轮和花 键。在 UG 工具菜单的表达式命令中输入齿轮的渐开线方程,然后在“插入”下拉 菜单中的“规律曲线”下“通过方程”生成具体的渐开线,再镜像此渐开线,随后作 出该齿轮的齿顶圆和齿根圆, 最后进修修剪、拉伸圆形阵列等操作即可完成齿轮 三位建模。 图 2.产生的渐开线 其它零部件的三维建模 其它零件采用传统的建模方法。即在 UG 中“插入”→“草图”→“拉伸/旋转/扫 掠/布尔运算”等步骤来完成零部件的建摸。 2.3 行星减速机的虚拟装配 模型装配可以按照实际的物理装配顺序进行装配, 运用适当的约束关系使最 后的总装配体符合实际的物理样机。 图 3.减速机的总装配体 3.行星减速机虚拟样机的建立 3.1 模型导入到 ADAMS 中 将 UG 中的模型导出为 Parasolid 中的.xt 格式, 然后才能导入到 ADAMS 中。 3.2 在 ADAMS 中材料属性的定义 导入 ADAMS 后首先定义零件的材料属性。太阳轮和行星轮为 20GrMnMo, 内齿圈和行星架为 40Gr。20GrMnMo/40Gr 对应的泊松比、杨氏模量、密度属性 分别为 0.3/0.28、207GPa、7800/7100kg/m3。 3.3 在 ADAMS 中添加约束 在 ADAMS 中给各个零件添加相应的旋转副、固定副等约束。 3.4 在 ADAMS 中的啮合齿轮之间定义接触 本文将要定义 13 个接触,只要是相互啮合的齿轮对之间,不论是内啮合或 外啮合,都定义一个接触。 3.5 在 ADAMS 中接触力的选择和定义 ADAMS 中选用冲击函数法计算接触力, 接触力由相互切入产生的弹性力和 相对速度产生的阻尼力组成[3]。冲击函数等于 (1) 其中—两个物体的实际距离 ;—两个物体的参考距离 ;—接触刚度 ;— 指数 — 阻尼。所以用冲击函数法,需要确定指数、切入深度、接触刚度和阻尼。 3.6 在 ADAMS 中接触力的相关参数确定[4] 指数:对于金属材料,e 的取值为 1.3 到 1.5,故 e=1.5。 切入深度:通常情况下,在没有指定穿透深度时,应尽量取较小值,本文取 穿透深度 x=0.01mm。 接触刚度(Stiffness) :取决撞击物体的材料和结构形状。根据 Hertz 静力弹 性接触理论: ,由此式得到碰撞时法相接触力和变形的关系为: 。刚度系数=,其 中=,=,而为材料的弹性模量,和为材料的泊松比,和为物体在接触点的接触 半径,由于齿轮的齿高和分度圆半径变动范围不大,可用分度圆半径来替代[3]。 由参考文献 5,刚度系数,由参考文献 6 知: 图表 4.啮合刚度系数值 阻尼:阻尼系数的值正常取刚度系数的 1/1000-1/100 倍之间,因此取=1000。 滑动摩擦力计算方法选库伦法,设置静态系数=0.08、动态系数=0.05。 4.行星减速机的运动学与动力学仿真 进行仿真运行前,还需添加运动激励和负载转矩,及设置仿线 在 ADAMS 中添加运动激励及负载转矩 为了运动时,速度不产生较大突变,采用 Step 函数。Step(time,0,0,0.2, 9828d)使角速度在 0.2 秒内从 0 增加到 9828 度/秒。 在输出轴上施加-4000Nm 的力矩, 同样定义 step (time, 0, 0, 0.2, -4000000) 。 4.2 设置仿真时间、步长及积分格式 设置仿线。采用 GSTIFF 积分器下 SI2 积分格式替代 默认的 I3 积分格式。图 5.ADAMS 中搭建的虚拟样机 4.3 减速比验证 图 6.一级太阳轮、行星架和二级行星架的角速度 如图 6,一级太阳轮的角速度是在 0 到 0.2 秒内逐渐增加到 9828 度/秒,然 后保持匀速。一级行星架的角速度在 1910 度/秒上下波动。二级行星架 370 度/ 秒上下波动。与理论值比较验证了虚拟样机的正确性。 4.4 同级行星轮的接触力的对比 图 7.三个二级行星轮与内齿圈的接触合力放大图 如图 7,三个二级行星轮与内齿圈的三个接触力都在 150