（机械制造及其自动化专业论文）冷却运输机滚子输送链的有限元分析.pdf

硕士学位论文 摘要 铝锭连续浇注生产线是生产重熔用铝锭的自动化生产线，该生产线的主要机 械部件有铸造机、冷却运输机、堆垛机、成品运输机，而冷却运输机是其中一个 很重要的组成部分，但是目前冷却运输机仍是制约整机性能的一个薄弱环节，因 此完善冷却运输机的性能对整条生产线性能的提升具有重要意义。 随着计算机的飞速发展和有限元理论的日益完善，将弹性力学与有限单元法 相结合，采用a n s y s 软件工具，对冷运机传动系统进行计算机辅助分析。这种方 法可以缩短开发周期，节省大量的人力、财力、物力，为冷运机传动系统的改进 提供必要的理论依据和性能预测。 本文主要内容包括：1 、分析冷却运输机滚子链传动的基本原理、结构特点、 主要失效形式及载荷特性。2 、运用应力、应变理论公式计算外链板、销轴和内链 板、套筒在载荷情况下的应力值；应用弹性力学中接触单元理论计算销轴、套筒 元件接触应力数值；计算链条和链轮啮合时，链轮和滚予的接触应力数值。3 、针 对铝锭冷却运输机的滚子链，应用a n s y s 软件、依据有限元理论进行三维实体建 模。分析外链板、销轴和内链板、套筒元件应力应变情况；分析销轴、套筒元件 接触强度；分析链条和链轮啮合时，链轮和滚子的接触强度。 通过分析研究可知对链条进行喷丸处理、预拉处理、板孔挤压等措施可改善 应力集中与塑性变形；选用优质材料可提高抗剪、抗弯强度、表面耐磨性及硬度， 合理地选择链板形状、采用减少载荷集中的结构可提高传动链的稳定性与可靠性。 关键词：滚子链；有限单元法；a n s y s ；接触分析 a b s t r a c t t h ea l u m i i l i u d lc o n t i n u o u sc a s t i n gi sa na u t o m a t i cp r o d u c tl i n et om a n u f a c t u r et h e r 咖e l t e da l u m i n i 啪1 1 1 em a i ne q u i p m e n t sf o rt h ep r o d u c tl i n ei sm a d eu po ft h ec a s t i n g m a c h i n e ，c o o l i n gt r a n s p o n e r ，s t a c km a c h i n ea i l d 矗n i s h e dp r o d u c t 仃a j l s p o r t e ta n dt h e c o o l i n gt r a n s p o n e ri saq u i t ei m p o r t a n tu 曲：i nt h i s1 i n e m o r e o v e r ，i ti sac r i t i c a lf a c t o r t h a ti sr e s t r i c t i n gm e c a p a b i i i t yo f t h i sl m eu pt on o w ts o ，i t 、v i l lb em u c hs i 印m c a t i v et o i 瑚p m v et t l ec a p a b i l i t yo fc o o l i n gt r a i l s p o r t e ri no r d e rt om a k em ep m d u c tl i n em o r e e m c i e n t w i mt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya tav e r yf a s ts p e e da 1 1 dt h e i n c r e a s i n g l yp e r f e c to ft h em e o r yo ff e a ，i tb e c o m e sm o r ec o n v e n i e n tt oa n a l y z et h e d r i v es y s t e mo fc o o l i n gt r a i l s p o r t e ru s i n gm ea n s y ss o f t w a r ea j l dt h ec o m p u t e r - a i d e d a n a l y s i s ，锄dc o m b i n i n gw i mt h ee l a s t i cm e c h a i l i c sa n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h i sm e m o dc a l ls h o r t e nm ep e r i o do fd e v e l o p m e n t ，a n ds a v em u c h m a n p o w e r ，m o n e ya n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，a l s o ，c a no f f e rt h en e c e s s a r yb a s i so ft h e o r y a n dp e r f o m a n c ep r e d i c t i o nt oi m p r o v et h ed r i v es y s t e mo f c o o l i n gt r a n s p o n e r t 1 1 i sp 印e rc o m p r i s e so ft h ef o l l o w i n gp a n s ：1 、t oa n a l y z et h eb a s i cp r i n c i p l e ， s 协l c t u r a lf e a m r e s ，m a i nf a i l u r et y p e sa i l d1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o l l e rc h a i no f c 0 0 1 i n gt r a i l s p o r t e r 2 、t oc a l c u l a t et h es t r e s so ft h ec h a i np l a t e ，s h a f tp l u ga n ds l e e v e r h i l eb e i n gl o a d e dv i at h e 觚c t i o n so fs t r e s sa i l dd i s p l a c e m e n tt h e o r y ，g e tt h ec o n t a c t s t r e s sv a l u eb e 栅e e nm es h a rp l u ga i l ds l e e v ep a r t s 丘o mt h ec o n t a c te l e m e n tt h e o r ) ro f e l a s t i cm e c h a n i c s ，a n dc “c u l a t et h ec 彻t a c ts 廿e s sv a l u eb e t w e e nt h e 印r o c k e tw h e e la n d r o l l e rw 1 1 i l ei nm e s h i i l gp r o c e s s 3 、a c c o r d i n gt of e a t h e o r y ，u s ea n s y st ob u i l da 3 - dm o d e lo ft h er o l l e rc h a i no fa l 啪i n i 啪 c 0 0 1 i n gt r a i l s p o r t e r a n a l y z et h e d i s p l a c e m e n to f 也ec h a i np l a t e s ( i n c l u d i n go u t e ra n di i m e r ) ，s h 破p l u g ，蜘ds l e e v ep a r t s 血a l y z et l l ec o n t a c ts t r e n g t ho ft h es h mp l u ga n ds i e e v ep a n s a n da j l a l y z em ec o m a c t s 订e n 昏ho f t l l er o l l e ra i l ds p r o c k 融w h e e lw h i l ei nm e s h i n gp r o c e s s t h ef 0 1 l o 、v i n gc o n c l u s i o nc 锄b ed r a w nb ym ea n a l y s i sa n ds t u d yf o rt h er o l l e r i l 硕士学位论文 c h a i n0 fc o o l i n g 订a 1 1 s p o r t e r ：t h ec l o u d b u r s t 骶a t n l e t ，p r e s t r e t c l l l n gt r e a t m e n ta 1 1 d p r e s s i n gt r e a t m e n to ft h el i n kj o i n t sh o l e ， a n ds o o n ， c a i l i m p r o v et h e s t r e s s c 彻c c n 柏t i o na 1 1 d1 1 1 ep 】a s t j cd e f o 肿a t i o n ；a tt l 】es 踟et i m e ，p r e f b 玎i n g 1 eh 塘h q u a i i t y m a t e r i a l sc a i li n c r e a s et h es h e a rs t r e n g m ，t l eb e n d i n gs t r e n g m ，t h ea b r a d a b i l 时a n d h a r d n e s so ft h es u r f a c e ；s e l e c t i n gt l l es h 叩eo f1 i n kj o i n tr e a s o n a b l y ，a n du s 访gt h e s t r u c t u r ew 上l i c hc a nd e c r e a s et h el o a d i n gc o n c e n t r a t i o n ，c a nr a i s et h es t a _ b i l i t ya n d r e l i a b i i i t yo f t h ed r i “n gc h a i l l k e yw o r d s ： r o l l e rc h a i n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； a n s y s ；a n a l y s i so f c o n t a c t 1 i i 冷却运输机滚子输送链的有限元分析 插图索引 图1 1 全自动铝锭铸造机组生产流程图l 图1 2 喷淋式冷却运输机的喷头2 图1 3 喷淋式冷却运输机外观图2 图2 1 滚子链9 图2 2 链轮1 1 图2 3 链传动原理示意图1 3 图2 _ 4 冷却运输机传动部分1 6 图2 5 紧边结构简图1 6 图2 6 速度一时间关系图1 6 图2 7 链传动啮合时受力分析1 8 图3 1 链条几何模型2 8 图3 2 链轮与滚子几何模型2 8 图33 外链板和销轴几何模型2 9 图3 4 外链板和销轴网格划分3 0 图3 5 外链板与销轴载荷及约束处理3 1 图3 6 外链板与销轴等效应力图3 l 图3 7 外链板与销轴等效应变图3 2 图3 8内链板和套筒几何模型3 3 图3 9 内链板和套筒网格划分3 3 图3 1 0 内链板和套筒载荷及约束处理图3 4 图3 1 l内链板和套筒等效应力图3 4 图3 1 2内链扳和套筒等效应变图3 5 图4 1 两个球体的接触3 6 图4 2 接触面3 8 图4 3 ( a ) 球体与平面的接触图4 0 图4 3 ( b ) 球体与球座的接触图4 0 图4 - 4 新坐标系4 2 图4 5 三圆弧一直线齿型4 8 图5 1 链轮与滚子网格划分及接触对5 7 图5 2 链轮与滚子接触对5 7 图53 链轮与滚子载荷及约束处理5 8 图5 4 滚子接触应力图5 8 图5 5 滚子接触应力图5 9 图5 6 套筒与销轴简化几何模型6 0 、 图5 7 套简与销轴网格划分及接触对6 0 图5 8 套筒与销轴载荷及约束处理6 1 图5 9 销轴接触应力云图6 1 图5 1 0 套筒接触应力云图6 2 v 附表索弓 表2 1 系数巧的值1 3 表3 1 滚子链尺寸参数2 7 表4 1 材料参数4 7 v i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：蟊f 逸甏日期：2 年石月，移日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：每l 海莴 新签名：融 日期：2 ，年占月f 护日 日期：谚易年月，。日 硕士学位论文 第1 章绪论 上个世纪末开始，我国铝工业得到了快速发展，但是由于国内的机械装备水 平基础薄弱，大部分铝生产企业的装备水平都不高。若要全部通过引进国外没备 来提高装备水平，则需要大量资金和外汇，也不切合实际。为了争取在尽可能短 的时间内，使我国铝工业的装备化水平在现有的基础上有一个较大规模的提高， 这就要求我们的企业和科研单位联合起来，以较低的成本，发挥我们科研的比较 优势来实现全行业的技术进步，这对于提升我国的科研实践能力也是大有裨益的。 对目前使用中的设备进行结构分析，以便进行技术改造并提高生产效率利j 一： 品质量，是一项潜力巨大的工作。本论文主要利用有限元的方法，对国内铝行业 目前通用的冷却运输机的传动机构进行分析，为冷却运输机传动结构的技术改造 提供了理论依据。 1 1 课题的研究背景 1 1 1 国内外冷却运输机的现状 铝锭铸造机组是生产重熔用铝锭的自动化生产线，冷却运输机是其中一个重 要的机械部件。目前国内外冷却运输机的种类有：水槽式冷却运输机、喷淋式冷 却运输机、空气式冷却运输机。 l d j 一2 0 新型铸锭机组是目前我国自行研制开发并大规模使用的铝锭铸造自动 化生产线，其操作工艺流程如下： 图1 1l d j 2 0 全自动铝锭铸造机组生产流程图 金属铝液从混合炉出来一流槽一铸造机模腔间接冷却成型一冷运输机二次直 冷却运输机滚了输送链的有限元分析 接水冷却一自动堆垛一气动打捆机打捆包装。生产流程如图1 1 所示。 其中冷却运输机采用的是水槽冷却的方式，从铸造机接收装置转载下来的铝 锭被放在冷却运输机的链条附件上，冷却运输机将铝锭带进设在冷却中部的水槽 内对铝锭进行直接水冷却，然后再将铝锭送到自动堆垛机中。传动链长达2 2 4 8 肌， 一并且整个过程中，铝锭首先要沿倾角为1 0 5 。的斜坡下降2 8 5 m 进入水槽，然后再 沿倾角为1 5 4 。的斜坡上升8 8 5 m m 离开水槽，高低起伏，结构复杂，所以传动链磨 损严重、寿命短。 瑞士g a u t s c h i 公司的喷淋式冷却运输机如图1 2 、1 3 所示： 图1 2 喷淋式冷却运输机的喷头 图1 3 喷淋式冷却运输机外观图 喷淋式冷却运输机的冷却喷头位于传动链的上下两侧，这样传动链的紧边水 平放置，结构较水槽式冷却运输机的传动链简单，使用寿命也长。 近年来国外还出现了一些其它的冷却方式，例如设在奥地利的布劳瑙兰 斯霍芬( b r a u n a u r a n s h o f e n ) 的奥地利a m a g 公司所拥有的重熔厂a s a 于2 0 0 0 年1 0 月安装台新型铝锭铸造机，在整个铸锭过程中完全不用水。新型铸锭机是 由奥地利布劳瑙h e r t 谢c h 工程公司提供的。在铝锭离开铸造运输机后，温度仍在 4 0 0 一5 0 0 ，在进一步运输时，需要冷却到接近铸室温度，这对于喷墨打标号、 打包和贴标牌是特别重要的。因为空气冷却所用的时间要比水冷所用的时间长得 多，为此开发出了一种特殊的冷却塔，该塔也用作铝锭的储存，从铸造运输机来 的铝锭按层堆放依次进人冷却塔，几个轻型的轴流通风机引入水平方向的冷却空 气流在铝锭各层中间通过来冷却铝锭。 新的铝锭铸造机组的铝锭铸模不受温度影响，因为没有冷却水和热的铸模相 接触而产生的温度冲击，因此这种铸模的使用寿命可以达到几年，而水冷铸模的 使用寿命也就是一年。同时，它避免了过去水冷铸造运输机由于裂纹或水冷凝造 成爆炸的危险。因为不需要冷却水，也就不需要冷却水槽和冷却水塔等一系列设 施，也避免了水处理设备等的安装和维护。铸模不暴露在水和蒸气中，铸模维护 的工作量也大大减少，铸造运输机链条可以装备有永久密封的辊柱轴承，能保证 顺利无故障运行。热空气可以用来在冬天取暖，在夏季通过屋顶管道排放到大气 中去。空气冷却铝锭铸造机不需要水槽冷却铸模，铸造区域上面的空间很大，车 间基础成本大大降低【l l 。 1 1 2 国内外链条行业现状 虽然国内外铝锭冷却运输机的冷却方式不同，但制约冷运机可靠性与稳定性 的传动部分都是典型的链传动，因此链传动的分析研究就显得尤为重要。 近几十年来，国外链传动技术发展非常迅速。除了大蝠度提高链传动的工作 能力、扩大链传动的使用范围外，一些以链条为主要工作部件的产品以及各种有 实用价值的链条机构也都有了很大的发展。为了克服链传动的多边形效应，国外 进行了大量的研究，首先是探讨链传动的啮合机理，在此基础上合理地设计链传 冷却运输机滚子输送链的有限元分析 动的齿形与结构。为了提高链条的承载能力，国外还着重研究各种强化措施，以 及相伴而进行的关于失效机理、设计方法、可靠性和标准化的研究。在输送链方 面，为适应各种工况要求，对链条结构进行较集中的研究，发现了诸如双铰节链、 空间输送链、复合节距链、差动链等结构形式【2 1 。 近年来我国链条行业科技创新有了许多新的突破。一批接近国际先进水平的 数控链条成套装配机、数控高速精密自动压力机等新一代链条专用没备先后研制 成功；引进先进技术制造的级进式全自动生产线和采用新工艺等得到普遍推广。 但是我国链传动产品与国外先进水平相比有很大的差距。以目前工业链条生产总 量看，我国已跨入世界链条生产大国的行列，但从总体实力与发展水平看，我国 链条人均年产。量仅为国际发达国家的1 5 左右，大部分摩托车链条在国际上还没有 超越c 级水平，我国链条的国际市场占有率也只有4 5 左右，所以我国还远未跨 迸世界链条强国的行列。因此，由链条生产大国向世界链条强国进军，走具有本 行业特色的新型工业化道路，这是今后一段时期中国链条行业发展的主攻方向。 而在向这方向奋进时，与之相关的基本要素，如：市场、品种、品质、品牌、技 术、管理等方面的发展将发生新的变化，相应的对策也须创新。 国内工程技术界，对链传动基础研究不够重视，使我国链传动产品与国外先 进水平相比有很大的差距。如我国生产的链条仅有静强度指标，尚无功率曲线， 不能为设计者提供正确选用的依据；国产滚子链高速性能低下，使用寿命短：产 品均匀性差，直接影响热处理：滚子链的机械制造水平低下；新工艺应用不广泛。 我国目前存在的差距主要是：基础研究跟不上链传动产品开发的需要，不少 有广阔应用前景的科研成果停留在理论阶段或实验阶段，不能形成产品等。因此， 加快采用高新技术改造提升链条行业，发展“高效、精密、自动化、专业化”的 制链技术，是使我国由链条生产大国向链条生产强国进军的重要保证。 1 1 3 制链技术的发展 一、滚子链材质的改进有了新的发展，各种低碳合金钢、优质合金钢等材料 已得到广泛应用，采用这些材料生产的链条强度均达到了欧美和日本标准的平均 硕士学位论文 破断负荷。预计未来几年内纳米材料也将应用于链条行业。 二、提高原材料改制水平，淘汰落后的煤炉退火方式，采用氮气( 或氮氢混合 气1 保护的罩式炉退火；采用先进、快速的连轧和连拉技术。 三、提高零件及整链制造水平，在现有基础上，加快新一代高速、精密制链 ? 专机的研制与开发；广泛推广和应用国内外的先进工艺技术及高效精密的工装专 机；加快链板高速冲孔及销轴高速切断模具硬质合金化、销轴超级抛光、套筒采 用比勒机和m r p 预弯法最优加工、高速链条滚子的先进卷制法生产、大规格链条 机械装配等新工艺、新技术的研究与开发。其中链板进级式高速冲载和多颗落料 工艺在行业中已取得主导地位。中大规格链板或修孔，或钢球挤孔，或二次冲孔， 且后两种都是世界先进水平。套筒的加工：中大规格用无缝管，中小规格采用卷 制，最优法为比勒机和m r p 预弯法，重要链条套筒也可用冷挤压方法制造。 四、提高热处理技术水平，广泛采用可控气氛淬火和碳氮共渗、丙烷气渗碳 新技术：减少对转炉的依赖，厚渗层产品经箱式多用炉或气体井式炉替代；以硬 度梯度取代碳浓度梯度测定，以得到缓和的碳浓度梯度，改善脆性；水剂取代油 淬火，以减少污染。 五、提高链条检测手段，齐全链条测试设备，注重链条的疲劳试验和汽车、 摩托车链的高速磨损试验。 l - 1 4 新产品的应用 随着市场需求的不断变化，滚子链系列产品也呈现出多元化趋势。产品设计 合理、制造技术先进的汽车精密滚子链、汽车发动机平衡链的研制成功，填补了 国内空白；采用特殊铆接方法使外链板与销轴连接牢固的挖掘机链条，提高了挖 掘机的使用寿命，适用牵矿山机械、冶金行业等输送量大且平稳要求较高的行业： 设计出了良好的耐磨性能、噪声低的高速变速链条系列产品；出现了应用于矿山、 采石场、岩石钻探等领域的抗冲击和疲劳的重载链系列产品；链条节距除向大、 小节距两端延伸外，还在小节距范围内插入了新的节距，使小节距分布紧密，更 适用于不同工矿的传动；在尺寸相同的条件下，派生出一系列不同疲劳强度、不 冷却运输机滚子输送链的有限元分析 同拉伸强度甚至不同磨损性能的变异产品；在服务工况方面，出现了耐高温、耐 腐蚀、耐强力磨损的产品系列。 目前，链传动技术正朝着工作寿命更长、可靠性更高和维修时间少的方向发 展，并在某些新的领域中开拓前进，取得了令人瞩目的进展。 一、开发革新滚子链 就是在链条两侧加装密封圈，并将润滑剂密封在最需要润滑之处。这样既减 少了润滑剂的消耗，又防止了尘埃、杂物对润滑剂的污染。装有这种链条的多叶 片割草机非常适合在潮湿的环境中使用。加装密封圈的链条通常适合在中等速度 和中等负荷下工作。在无冲击振动负荷和难以润滑的场合使用时，其寿命可提高 到标准滚子链的1 0 倍以上。 在链条彼此有相对运动的零件上使用涂层和烧结衬套，工作时不必另外添加 润滑剂。既减少了维修时间，又有利于保持工作环境的清洁。采用自润滑结构， 在涂固体润滑剂之前，先将链条销子电镀，然后装入烧结衬套，再在外面装上坚 固的滚子。在速度低于1 5 2 4 州m i n 时，这种链条可以代替标准滚子链工作而不必 另外施加润滑剂，其寿命能延长7 3 0 倍，与其它不润滑链条相比，寿命至少高出 2 0 倍。在正常条件下，这种链条传动的功率和速度能大大超过不润滑时传动的功 率和速度，但要尽量避免在潮湿环境中使用。 二、采用高速链产品 普通链传动的速度一般不能超过1 0 6 6 8 m 枷n ，而高速链的速度可达 1 8 2 8 8 m m i n 。如果采用加强轴承和机座，并采用压力润滑的话，高速链的工作速 度可以达到2 1 3 3 6 m m i n 。这种链的传动效率为9 9 7 ，高于皮带传动，与大多数 齿轮传动差不多。若用无声链、调速皮带和单排滚子链来传递这么大的功率，则 机构要庞大得多。因此，高速链占据空间小，在其传动范围内，单位功率的成本 也最低。 三、改进牵引链 牵引链用于从散落区域送走木材和树皮之类的片状材料。链传动设计很简单， 可是链轮往往先于链条磨损。这是在工作过程中，链节圆滚子接触链轮齿以后产 生相对运动而引起的。可以设法使滚子接触链轮齿以后保持相对静止，让滚子里 面的衬套转动。这样的改进设计可使链轮寿命延长5 0 ，而不会使工作效率受到 影响。但不适合于在湿度大和腐蚀性强的环境中使用。 四、开发塑料链 因为塑料链的链节是注塑而成的，几乎可以根据任何工作需要而将它们制成 特定的形状。虽然这类链条传递的功率通常比金属链低，但是它有许多难能可贵 的优点。例如不需要润滑、不会磁化、工作时无噪声、抗蚀性能优良等 3 】o 1 2 课题研究的目的和意义 本课题的目的在于，结合实际工作环境，对l d j 2 0 新型铸锭机组中冷却运输 机的滚子输送链进行研究，分析其结构特点、失效与破坏的形式以及载荷特性； 并且将弹性力学理论与有限元分析方法相结合，对冷运机的滚子链进行静力学分 析和接触分析，从而对现有的结构进行改进和优化，提高冷运机的稳定性与可靠 性，降低制造成本，缩短设计周期。 将计算机辅助分析和有限单元法应用到铝行业的机械设计中，为今后对我国 现有的铝行业设备进行大规模地技术改造和更新做了一定的尝试性工作，也相应 的为滚子输送链进行更新改造、技术升级准备了一定的理论依据和性能评价依据， 进而为铝行业先进成套设备的开发、改造和研制奠定了基础。 1 3 课题研究的内容 本文具体内容包括： 介绍铝锭冷却运输机在国内外的发展概况、趋势。包括国内外链传动产品 现状和链传动产品技术现状及发展趋势。分析了冷却运输机滚子链传动的基本原 理、啮合特点、主要失效形式。 目前关于链传动受力计算中所使用的方法都没有考虑因链和链轮的加速 度变化所引起的附加动载荷效应，本文介绍一组计入链和链轮的加速度变化所引 起的附加动载荷效应的计算公式，并运用该计算方法分析冷却运输机传动链的载 荷特性。 冷却运输帆滚子输送链的有限，分析 运用应力、应变理论公式计算外链板、销轴和内链板、套筒在有外载荷情 况下应力及应变值：应用弹性力学中接触单元理论计算销轴、套筒元件接触应力 数值；计算链条和链轮啮合时，链轮和滚子的接触应力数值。 应用有限元分析软件a n s y s ，对冷却运输机的传动滚子链进行三维实体 建模。分析外链板、销轴和内链板、套筒元件应力应变情况；分析销轴、套筒元 件接触强度；分析链条和链轮啮合时，链轮和滚子的接触强度。 第2 章冷却运输机滚子链理论基础 链条按用途可分为四大类，即传动链、输送链、起重链和特种链。在链条的 生产与应用中，传动用的滚子链占有最主要的地位。它由内外链板、销轴、套筒 和滚子组成。目前已应用于国民经济的各个领域，特别是在汽车、矿山、冶金、 输送、提升、自动化设备等行业中应用日益广泛。 滚子链的使用，在机械中可以说是一个十分普遍的现象，大多数情况下使用 滚子链来传递动力，也可以作为变速的媒介。随着链传动技术的发展和工业自动 化程度的提高，对滚子链的可靠性提出了更高的要求【4 。 2 1 冷却运输机滚子链链条和链轮结构特点 2 1 1 链条的结构 链条是各种机械上使用十分广泛的基本组件础件之一。冷却运输机滚子链主 要由内外链板、销轴、套筒、滚子五部分组成，如图2 1 。在连接中，外链板与销 轴、内链板与套筒均为过盈配合，组成牢固的矩形框架构件。靠外链节的销轴插 入内链节的套筒内，把一定数量的内外链节组成的链条，通过接头链节组成封闭 状。工作时内外链板间可以相对挠曲，套筒则绕销轴自由转动。为了减少销轴套 筒的磨损，在它们之间应进行润滑。滚予活套在套筒外面，啮合时滚子沿链轮齿 廓滚动，以减少链条与链轮轮齿间的磨损。销轴直径和套筒内径基本尺寸相同， 通过控制公差带保证实现间隙配合，以组成内外链节能相对回转的铰链副。 图21 滚子链 冷却运输机滚子输送链的有限元分析 滚子链链条可根据链条的工作条件设计成不同的形状。链条的结构差别主要 表现在三个基本方面： 张力元件 将载荷从前一个铰链副传到下一个铰链副的元件。这种元件一般为链板或链 片。张力元件可根据链条的工作条件设计成不同的形状。为了减轻冷运机输送链 链板同导轨或托板间的磨损，链板取直边形。 铰链副 链条啮入和啮出链轮时，使链节间能实现相对自由回转的运动副。为了提高 链条强度和延长使用寿命，铰链副应耐磨损、耐冲击、抗剪切与抗弯曲。对于低 速、润滑条件较差情况下工作的冷运机链条，可将铰链副尺寸加大，即增加接触 压面以降低比压来保证链条必要的磨损寿命。 啮合部位 在链条与链轮问实现载荷传递的部分。啮合部位通常只有铰链与链轮处。是 铰链的外层的滚子同链轮接触，滚子的作用不仅使链条与链轮齿每次啮合时的直 接撞击部位不在同一处，而且滚子与套筒之问贮存的润滑油还起着缓和链条同链 轮接触瞬间冲击的作用。此外，它使链条和链轮间的摩擦性质，从套筒链的滑动 摩擦变为滚子链的连滚带滑性质的摩擦，从而减轻链轮的磨损”。 2 1 2 链轮的结构 链轮由齿圈、轮毂和轮辐三部分组成，如图2 2 。冷却运输机的链条与链轮的 啮合均属非共轭啮合，其链条中心线( 中心线指链条拉直时铰链中心的连线) 位置 存在着周期性的变化，而且每个链节与链轮的接触与脱离是在一瞬间完成的。链 轮损坏主要是由于轮齿的磨损，所以像冷运机这样尺寸较大的链轮最好采用齿圈 可以更换的结构。 由于世界各国的工业标准并不统一，滚子链链轮的基准齿形归纳起来可分为 两类：一类是以美国为代表，链轮齿形是由不同半径的三段圆弧组成，通常称三 圆弧一直线齿形。另一类是以德国为代表，其滚刀基准齿形圆弧与齿侧直线齿形 硕士学位论文 组成，用这种滚刀加工的链轮齿形，通常称作渐开线齿形。冷运机采用的就是三 圆弧一直线齿形。 链轮的齿形与齿轮齿形相比，齿廓曲线的几何形状有很大的灵活性。一个设 圈22 链轮 计完善的链轮齿形必须满足三个方面的要求，即啮合要求、使用要求、工艺性和 精度。为了满足这些要求，链轮齿形的设计必须遵循如下原则： 保证链条顺利地啮入和啮出 按照相对运动原理，链节与链轮地啮入过程可看成啮八链节的前一段铰链己 正确就位，啮入链节将以前者为中心、链节距为半径做转动而啮入链轮。链条铰 链在啮入与啮出时不能与轮齿发生干涉。 具有足够地容纳链条节距伸长的能力 由于链条在工作过程中不可避免地会磨损伸长，因此将使它与轮齿的接触点 外移。链轮齿形的工作区应能保证链节伸长后仍能使链条与轮齿保持正常接触。 轮齿齿廓工作段越长，则能容纳的链条节距伸长量就越多，从而推迟链条工作时 掉链的发生，延长由于磨损而限制的链条工作寿命。 具有合理的作用角 链轮作用角是决定链轮齿形的重要力学和几何参数。作用角越大，围齿区段 内有比较多的轮齿传递链条有效张力，但啮合冲击随之增大，并且容易发生跳齿。 齿廓曲线与链传动的工况相适应 链传动的工况相差很大，齿廓曲线应与它们的工况相适应。对于冷运机，由 于速度低，链轮的制造精度允许降低；由于链轮大，可以取跨节距大的齿槽，以 便于制造。 有利于啮入和防止因链条跳动而掉链 由于链传动多边形效应的存在，链条在紧边并不是做直线运动，而是在纵向 或横向都存在周期性的振动，为了能充分利用轮齿工作段，防止链条因波动而掉 链，在轮齿工作段外再延伸一段齿顶曲线，齿廓的齿顶曲线形状应有利于链条铰 链的啮入和啮出。 2 2 冷却运输机滚子链的运动特性及受力分析 2 2 1 计入动载荷的新型计算方法探讨 若不计各种附加动载荷，传动链条的紧边张力f ，由有效圆周力f 、离心力 引起的张力c 及松边垂度引起的张力f ，所组成。传动链松边的张力则由e 及垂 度引起的张力n 两部分组成。 有效圆周力( )f = l o o o 叫v 离心张力( )e = 9 v 2 垂度张力( )= k ，g ，g 紧边张力 松边张力 f l = f 七f ! 七f f f 1 = f ：+ f f ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中：p 为链传动传递功率跏；v 为紧边链速州j ：g 为每一米链长的质量 培m ；g 为重力加速度，s 2 ；z 为链轮中心距；巧为垂度系数。 硕士学位论文 表2 1 系数足，的值 占o o ( 水平)0 。4 0 。 4 0 。9 0 。 9 0 0 ( 垂直) 巧 6 7 d 2 1 如图2 3 所示，当小链轮以恒定角速度吼转动时，在b 点所产生的运动可分解 为水平及垂直两个方向，即 v = r l 国lc o s v = 尺l 珊ls i n 由此将引起从动轮上角速度：的变化，即 2 = v ( r 2c o s y ) 图23 链传动原理示意图【l l 】 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 可以看出，矿与，均是在不断变化的，也正是这种速度的变化给链传动带来 了动载荷。由于速度不均现象的存在，必然存在加速度，且大小也是变化的，具体 分析如下： 对式( 2 6 ) 求导可得链在水平方向上的加速度为： 口= 矾衍= r l qs m 届彬廊= r l ? s i n ( 2 9 ) 当= 妒2 = 1 8 0 0 z 。时将产生最大的加速度 日。：r ，砰s i n 如2 ) = r 珊；s i n ( 1 8 0 0 ：) ( 2 1 0 ) 冷却运输机滚予输送链的有限元分析 由式( 2 1 0 ) 可以推出从动轮上角加速度为： s ：= 0 ：c o s ，) = r 珊? s i n 似：c o s y ) s ：。= r ，? s i n 0 2 ) r ：c o s 2 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 考虑当链的水平加速度达到最大，同时从动轮的角加速度也达到最大，这时 紧边链所受的力将达最大。之所以这样考虑，是因为要对链进行强度较核，就必 须计算其最大的拉应力，因此就必须对链传动产生最大动载荷进行分析，对于链 传动来说，当主动轮和从动轮的链轮作用角都达到最大的时候，动载荷达到最大。 实际传动中，因为主动、从动轮的齿数不相等，两轮链轮作用角同时达到最大的 现象是存在的，以这种情形作为分析问题的基点更为合理。链传动中紧边所受动 载荷影响主要受两部分因素影响，一是使链产生水平加速度所受的附加力e ，二 是从动轮产生角加速度所需的附加力e 。 = g 肠。= g 肷珊；s i n 如2 ) ( 2 13 ) 峨= 鲁= 鬻 足月jc o s i 砂2 ) 式中：r ：为从动轮半径m ；q 为主动轮角速度阳酬s ；妒= 1 8 0 。刁； 妒= 1 8 0 0 如；：为从动轮的角加速度m 酬s 2 ；日为链的水平加速度叫j 2 ；，为从 动轮的转动惯量培卅2 。 从实际观察中可看出，松边链在传动过程中处于一张一弛的小幅抖动状态， 在该部分所产生的附加力很小，且由于轮齿的隔离作用难以传递到紧边，故在计 算中可忽略不计。由于在紧边链的水平加速度达到最大时，水平链速处于最小， 但这种链速的降低对离心力影响不大，所以可不计离心力变化影响。另外由于链 的垂度在转动过程中变化很小，可不计垂度力的变化的影响。因此可以看出，链 传动中在考虑动载荷的情况下链受的最大有效圆周力应在紧边的口点，其大小为： = f + g 肠+ 如2 r 2 ( 2 1 5 ) 。，。，。，。，。，：l i ：i ! i i ：! ：，。，。，。，。，! ， 由此可得紧边的最大拉力应力为： 巧。= f + q 缸。+ 。后2 r 2 + c + f ， ( 2 1 6 ) 松边的总拉力仍为：五= e + 一 ( 2 1 7 ) 链在工作过程中，链和从动轮是以不断变化的加速度在运动，由于加速度的 存在，势必会产生冲击载荷，其大小十分可观，不容忽视。对于冷却运输机的传 动链其中心距更大、链轮尺寸更大、节距更大、链的线密度更大的情况下，这种 由于动载荷所产生的附加动载荷将表现的更为明显。因此，将动载荷效应引入冷 运机链传动受力计算过程是十分必要的【6 叫”。 2 2 2 冷却运输机传动链载荷特性分析 从铸造机头部落下来的铝锭，通过接收装置放在冷却运输机的链条附件上。 然后，在冷运机动力的作用下，做有序前移运动，直到拖进水槽进行直接水冷却 后，再送到堆垛机上进行堆垛。冷运机包括：接收装置、脱模装置、传动部分、 冷却部分。 接收装置和脱模装置： 接收装置安装在冷运机头部，靠呈弧形装置的一排平衡式压辊将铸造机头部 的铝锭一个个压住，以便防止其从模内脱落出来，并将铝锭一直引导到接收支架 被其接住，然后再靠接收臂将其放到冷运机的运输链条上。接收支架和接收臂的 协调动作，是靠气缸来完成的，而气缸的伸缩动作是由铸造机上的开关控制的。 脱模装置是将铸模内的铝锭通过敲击使之松动，从而使铝锭从铸模内顺利脱模。 敲击动作是靠气缸来完成的，而气缸的伸缩动作也是由铸造机上的开关控制的。 传动部分和冷却部分： 从接收装置接下来的铝锭被放在冷却运输机的链条附件上，在油缸带动下做 问歇运动的链条又将铝锭带进设在运输机中部的水槽内，对铝锭进行直接水冷却， 然后再将铝锭由堆垛机的牵引装置牵引到翻转装置中。通过连杆，单向离合器和 齿轮传动将油缸的往复动作传到运输机的链条上。 冷却运输机滚子输送链的有限元分析 图2 4 冷却运输机传动部分 链轮齿数：z ，= 1 2 ，z 2 = l o 其中紧边结构简图如图2 5 所示： e 图2 5 紧边结构简图 由图2 5 和式( 2 1 5 ) 可知，传动链在e 点的受力最大。 根据整机性能的要求，冷却运输机采用间歇式运动，速度一时问的关系如图 2 6 所示： p j 7 。 r o f 2 f o f 图2 6 速度一时问关系图 其中o = 2 6 j ，v = o 1 5 州j ( 匀速时) 。 由式( 2 16 ) 可求出传动链在e 点的受力毋= 5 0 6 0 2 - 3 冷却运输机滚子链传动啮合特性 硕士学位论文 冷却运输机滚子链的链条和链轮的啮合属于非共扼啮合，其链条中心线：( 中 心线指链条拉直时铰链中心的连线) 位置存在着周期性的变化，而且每个链节与 链轮的接触与脱落是在一瞬间完成的。只有经过特殊设计地链传动其中心线才有 固定位置，能接近实现共扼啮合。在正常传动条件下工作时，由于多边形效应， 使每个链节的铰链均是以斜冲击方式同轮齿齿廓在瞬间实现接触。随后在链轮回 转2 丌尼角内，该铰链与齿廓无明显相对移动，直到下一铰链啮入瞬间，该铰链与 齿轮表面才有一次可察觉到的移动。由于滚子能在套筒上自由回转，所以滚子沿 齿廓基本上是滚动的，这种微量滚动随着链轮回转而连续发生。 当主动轮开始回转时，滚子与轮齿的接触点首先是在齿廓底部。由于紧边张 力f 与法向作用力m 作用的结果，必然要推滚子沿齿廓上移。当滚子上移时，前 已啮入的相邻链节的张力s 也逐渐增加。直到作用在在这一链节上的三个作用力 f 、m 、s ，取得平衡为止。铰链的滚子上移而最终达到平衡的过程，不是孤立地 进行。因为围在链轮上的每个铰链均存在类似地受力状态，只有逐个达到平衡后， 滚子上移才真正停止。若忽略摩擦力及离心力，则链轮上围齿区问各齿受载情况 如图2 7 所示。从啮入点起第i 个链节的张力s ，和第i 个滚子和轮齿接触时所受 的法向作用力m 为 耻e i 葙 m = f 南 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 图2 7 链传动啮合时受力分析 由式( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 可知，在围齿区问内，沿紧边向送边方向各链节的张力