（材料加工工程专业论文）立式轧环机传动系统动力学仿真与振动监测研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环件轧制是机械零件制造技术与轧制技术交叉复合而成的环形零件连续局 部塑性成形新技术，是无缝环件生产的一种高效的先进i j n t _ 方法。立式轧环机 是中小型环件轧制成形的常用设备，其传动系统运行的平稳性对环件的成型质 量有很大的影响。本文分析了立式轧环机的结构，介绍了国内外研究现状，并 以d 5 1 1 6 0 型立式轧环机为对象，研究了其驱动辊旋转轧制运动的特点，从动 力学的角度分析了传动系统的运动规律。主要研究内容如下： 立式轧环机传动系统为典型的双十字环槽万向传动机构，通过模型简化， 利用p r o e 软件建立起三维刚性模型，利用动力学分析软件a d a m s 建立起该 传动系统的虚拟样机，并从运动学，动力学和振动力学的角度对该虚拟样机进 行了仿真分析，绘制出了各构件的位移、速度和加速度曲线。 通过分析立式轧环机传动系统的结构，建立了扭转振动理论计算模型，研 究了传动系统在电机传递扭矩作用下的动力学特性，得到了传动轴的固有频率 和振型。利用现代控制理论中的状态空间方法并结合m a t l a b 软件编程，对传 动系统进行动力学仿真分析，得到了振动仿真曲线。 为了监测立式轧环机传动系统在轧制过程中的振动状况，利用虚拟仪器开发 软件l a b v i e w 中的信号采集、分析模块，结合压电式加速度传感器、信号适调 仪、数据采集卡和工控机等硬件，开发出轧环机振动监测与分析系统。该系统具 有对设备的振动信号进行滤波、时域和频域分析，读取和保存文件数据等功能， 另一方面，利用该系统对立式轧环机的运行过程进行振动监测，将仿真结果与试 验结果对比，论证等速驱动轴虚拟样机仿真的可行性。为立式轧环机传动系统进 一步研发开拓新的思路和方法。 关键词：立式轧环机，十字环槽万向联轴器，动力学，运动学，振动监测，a d a m s 武汉理工大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t r i n gr o l l i n gi sap r o g r e s s i v ep a r t i a lp l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi s a c r o s s r e c o m b i n a t i o nb e t w e e nm e c h a n i c a lp a r t sm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dr o l l i n g t e c h n o l o g y i ti s a l s oah i g he f f i c i e n tr o l l i n gm e t h o df o rm a n u f a c t u r i n gs e a m l e s s r i n g s v e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l li sc o m m o ne q u i p m e n tf o rm i d d l ea n ds m a l lr i n g s f o r m i n g ；t h es t a t i o n a r yo fi t st r a n s m i s s i o nh a sag r e a te f f e c to nr i n g s f o r m i n gq u a l i t y t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo fv e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l l ，i n t r o d u c e st h e a c t u a l i t yo ft h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a l c h ，t a k e st h ed 5 1 - 1 6 0r i n gr o l l i n g m i l l a st h es t u d yo b j e c t ，t h ef e a t u r e so fp i n c hr o l l sr o t a r yr o l l i n gm o t i o nw a ss t u d i e d a n dm o v e m e n tl a wo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mw a sa n a l y z e db a s e do nd y n a m i c s t h em a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w s t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ev e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l li sat y p i c a ld o u b l e r i n g a n d t r u n n i o nu n i v e r s a lj o i n t p r o e n g i n e e rw a s u s e dt of o u n dt h e3 dr i g i d m o d e lt h r o u g hm o d e ls i m p l i f i c a t i o n e s p e c i a l l yt h es o f t w a r ea d a m sw h i c hi s b a s e do nd y n a m i c sw a sa l s ou s e dt of o u n dav i r t u a lp r o t o t y p e m a k i n gd y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i so nv i r t u a lp r o t o t y p ef r o mk i n e t i c s ，d y n a m i c sa n dv i b r a t i o n m e c h a n i c s ，t h ec u r v e so fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fe v e r yp a r ti s o b t a i n e d t h r o u g ha n a l y z i n g t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fr i n gr o l l i n gm i l l ，w e e s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h et o r s i o n a lv i b r a t i o n ，s t u d i e dt h e d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fd r i v i n gs y s t e mi nt h em o t o rt o r q u e ，a n do b t a i n e dt h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dm a i nv i b r a t i o nm o d eo ft r a n s m i s s i o ns h a f t u s i n gt h e s t a t e s p a c ea p p r o a c h i nm o d e mc o n t r o l t h e o r y c o m b i n e dw i t hm a t l a b p r o g r a m m i n g , w em a d ed y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i sf o rt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m g e tt h ev i b r a t i o ns i m u l a t i o nc u r v e t om o n i t o rt h ev i b r a t i o no fr i n gr o l l i n gm i l li nt h er i n dr o l l i n gp r o c e s s ，t h e v i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rt h er i n gr o l l i n gm i l lb a s e do n t h es i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l y s i sm o d u l e so fl a b v i e w , av i r t u a li n s t r u m e n t d e v e l o p i n gs o f t w a r e ，w a sd e v e l o p e d u n d e rt h eh a r d w a r es u c ha sa c c e l e r a t i o n 武汉理工大学硕十学位论文 s e n s o r s ，s i g n a lc o n d i t i o n e r , d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n di n d u s t r i a lc o m p u t e r t h e s y s t e mc a l lf i l t e rt h es i g n a l ，d oa n a l y s i si nt i m ed o m a i na n df r e q u e n td o m a i n ，r e a d a n ds a v et h ed a t af i l e s o nt h eo t h e rh a n d ，u s et h i ss y s t e mt os u p e r v i s et h ev i b r a t i o n o ft h ev e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l l ，a n dc o m p a r et h er e s u l to fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t i n d i c a t et h ef e a s i b i l i t yo fv i r t u a lp r o t o t y p ea b o u tc o n s t a n tv e l o c i t y u n i v e r s a lj o i n t t h a te x p l o i t san e wi d e aa n dm e t h o df o rt h ef u t u r er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to nt h ev e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l l st r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d s ：v e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l l ；d o u b l er i n g - a n d - t r u n n i o nu n i v e r s a lj o i n t ； d y n a m i c ；k i n e t i c ；v i b r a t i o nm o n i t o r i n g ；a d a m s 1 1 i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文卞特别加以标注和致谢的地方外，。论文中不包含其他冬已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生( 签名) 日期一一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 武汉理j = 人学硕十学位论文 1 1 热轧环机研究现状 第1 章绪论 环件轧制是轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环等各 种无缝环件的先进制造技术l 。在机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航空 航天、原子能等许多工业领域中日益得到广泛的应用。轧环机又称扩孔机，是 加工环形锻件的先进设备，广泛应用于轴承、工程机械、石油化工、航空航天、 发电等工业领域的环形件生产1 2 1 。 按照环件轧制设备结构特点分类，环件轧制设备可分为立式轧坏机和卧式 轧环机两类。按照轧制变形特点分类，环件轧制设备可分为径向轧环机、径一 轴向联合轧环机和多工位轧环机【】。立式轧环机通常采用径向轧制变形，属 于径向轧环机，适用于中小型环件轧制成形。卧式轧环机既有采用径向轧制变 形的，也有采用径一轴向联合轧制变形的，适用于大型和特大型环件轧制成形。 多工位轧环机通常也采用径向轧制变形，它同时轧制多个环件，适用于小型环 件轧制成形1 5 枷。本课题研究对象为d 5 1 1 6 0 型立式热轧环机传动系统。 环件轧制技术是伴随着铁路运输业的发展而产生的。自1 9 世纪中叶以来， 铁路系统的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅度提高。火车的铸铁车 轮无法满足高速重载的使用要求，于是人们在火车铸铁车轮上装备性能更好 的、可更换的钢质轮箍。为了生产火车轮箍，1 8 4 2 年英国建造了轮箍轧机，1 8 8 6 年俄国奥斯特洛维茨炼铁铸造厂设立了火车轮箍生产车间。随后，环件轧制技 术不仅在火车轮箍、火车车轮生产中得到了广泛应用，在其他环形机械零件生 产中也逐步得到了推广应用【7 】。我国于2 0 世纪5 0 年代开始应用环件轧制技术 生产轴承环，1 9 6 7 年在上海建立了轧环机的轴承环轧制生产线。目前国内生产 轧环机的厂家主要集中在山东一带，比较著名的有青岛减速机厂、山东省章丘 市中兴机械厂。 随着社会的进步和工业化的迅速发展，热轧环机也朝着多品种的方向发 展，现在常见的热轧环机主要有三大类，d 5 1 、d 5 2 和d 5 3 k 系列。根据驱动 方式的不同，又对扩孔机的命名做如下规定，q 代表常规气动、y 代表液压驱 动。如：d 5 1 y - 1 6 0 d 即为立式液压型普通中窄宽度轧环机。 d 5 1 型立式轧环机性能特点： i ) 整机造型新颖，机身底座为钢板焊接结构，轻巧美观，刚性好。 2 ) 机床设计科学合理，特别是主轴轴承结构分布的创新与改进，使机床的辗 武汉理1 人学砸+ 学位论文 压精度高。 3 ) 上支承滑块断面呈矩形，刚性好。滑块导向导轨k 度增大到滑块行程的5 - 6 倍，导向精度高。 4 ) 机床主要零部件均采用铸钢或优质合金钢制造村质优良。 5 ) f 支承轴承密封，能在较为恶劣的环境下_ ：常j = 作。 6 ) 用国际标准的密封圈密封，气缸阻力小，密封性能可靠，耐磨性好。 7 ) 辗压轮采月j 内锥形涨圈固定，定位精度高，辗压轮拆卸更换方便。 8 ) 精研机采用同步传动乎稳轻便可调范围犬。 9 ) 气路排气系统装有消声器，降低噪音，保护工作环境。 青岛减速机厂生产的d 5 3 k 系列数控径轴向热轧环机( 如图1 1 ) 是机、 电、液、仪体化的数控设备，用该设备加t 高质量的无缝环件效率根高，具 订许多优良的工艺特性；主要用于轧制轴承环、曲圈、法置、轮毂、薄蹙桶形、 风电法兰、高径法兰等锻什，可轧制碳钢、不锈钢、钛台金、铜合金、锅台金 以及高温台金等材赝环形件，在机械t 业、石油化i 业、纺织业、工程机械以 及航守航天业等领域叶1 得到了广泛的应用。浚系列轧环机可轧环件外径7 0 0 6 3 0 0 r a m ，轧环高度8 0 1 0 0 0 m m 。山东省章丘市中兴机械厂生产的d 5 1 系列 立式热辗环机( 如图1 - 2 ) 是用于_ 唰= 形毛坯热辗扩工序的专用设备。该设备具 有自动化程度高、体秘小、重量轻、刚性号、操纵灵敏可靠等优点。是轴承行 业必各的设备。该立式轧环机日日0 可轧环件外径4 0 0 8 5 0 r a m ，轧环最大高度 1 6 0 r a m 。 图1 - 1d 5 3 k 系列数控热轧环机图1 - 21 ) 5 1 系列立式轧环机 近儿年中国锻造法兰行业和轴承生产企业数量逐渐增大，2 0 0 8 年轴承生产 企业相比去年增加了1 0 0 0 多家，困此在扩孔机需求量上不断加大，针对立式 轧坏机的设备改造也育大量的研究，并取得了1 分丰富的成果。青岛平安锻， 机械制造有限公司于1 9 9 8 年丌发研制的d 5 2 系列卧式辗环机( 图l - 3 ) 结合 p l c 程序控制，设计合理、结构先进、造型美观，生产率高、精度好，是加工 无缝环件的先进设备，以广泛应片j 十航天、航空、船舶、石油化l 和电力能源 等： 业部门。l n 东粱山轴承厂于1 9 9 1 年埘立式轧环机供气系统进行了改进， 浚j 采用丁串联式双缸结构形式，性能显著提尚。1 9 9 2 年，机电批济南铸锻机 械研究所朱成康等将轧环机的压下系统用液压传动臀换了传统的t 动( 如图 1 - 4 ) ，从根奉上消除了气肛传动的低效卒特点。 削 ，3d 5 2 系列卧式轧环机图1 4y - 6 0 0 型卧式轧耳机 12 万向传动系统 万向节传动加于在不同轴心的两轴问甚下在 作过程中帽埘位置不断变 化的两轴间传递动力 i 。根据总枷蔑的要求需将离台器- b 变述器、变逑器j j 分 动器之间拉丌一定距离州，考虑到神它仃j 之川根难保证轴与轴能司心以及安装 蟮体一车架虹可能发生变形，园此在这些总成之蚓就应采j 目儿j 节传动_ “j 。 万向节按照运动学。j 分为币等速 向节( 十字轴式) 、准等逑 向节( = 销式、积联式) 、等速月向竹( 球义式、球笼式) 。 ( 1 ) 字轴式刚性打向节 普通 字轴万“节如斟t - 5 所示，山两个万“节又及联接它们的i 字轴、 滚剖轴承及油封等纰成。其结构简译，传动效率高。j 损坏形式_ t 要是十字轴 轴刭 和滚针轴承的磨损，十字轴轴颤和滚针轴承碗t 作表面的压痕和剥落。 础算 武汉理：f 人学硕士学位论文 1 轴承盖；2 ，6 万向节叉；3 油嘴；4 十字轴： 5 安全阀；7 油封；8 滚针；9 轴承碗 图1 5 十字轴式刚性万向节结构图 采用十字轴式万向节一般要满足两个条件： 1 ) 第一个万向节两轴问夹角与第二个万向节两轴间夹角相等 2 ) 第一个万向节的从动叉与第二个万向节的主动叉处于同一个平面内 ( 2 ) 挠性万向节 利用橡胶盘、块、环及橡胶一金属套筒等橡胶弹性元件在夹角不大于5 。 的两轴间传递转矩。其结构简单、不需润滑，能减小传动系的扭振、动载荷及 噪声。有的结构还允许一定的轴向变形，当这种轴向变形量能满足使用要求时， 可省去伸缩花键。常用作轿车三万向节传动中的靠近变速器的第一万向节或用 在重型车的离合器与变速器、变速器与分动器之间。考虑到用到这些地方的挠 性万向节常要在挂直接档时的高转速下工作，为保证传动轴总成的平衡精度， 则必须使万向节两侧的轴线对中。 ( 3 ) 等速万向节 主、从动轴的角速度在两轴之间的夹角变动时仍然相等的万向节，称为等 角速万向节或等速万向节。图1 - 6 为球笼式等速万向节结构图，其基本原理是 从结构上保证万向节在工作过程中，其传力点永远位于两轴交点的平分面上， 就可以使两万向节叉保持等角速度的关系。 图1 - 6 球笼式万向节 球笼式一般分为r f 式和v l 式两种，r f 式传递角度大，一般用在半轴靠 车轮一侧，v l 式可以适当补偿轴向窜动量，一般用在半轴靠变速器一侧。 立式轧环机传动系统为双十字坏槽万向传动机构。十字环槽式双万向联轴 器工作原理与十字轴式双万向联轴器基本相同，不同之处在于用两个具有两条 互相垂直环槽的球体和一个中间轴充当中间联接件，该结构具有结构紧凑、主 4 武汉理工大学硕士学位论文 从动问许用偏转角大、装拆维护方便、传扭能力强等特点。更适用于石油钻机 中柴油机与变矩器之间、传动箱之间、传动钻井泵和转盘等处重载荷、中低速 度工况下使用。 1 3 课题来源及研究意义 轧环机是环件轧制的主要设备，它是一种中型低速旋转机械。在环件轧制 中，驱动辊旋转轧制运动，压力辊直线进给运动、环件直径扩大运动以及环件 旋转运动都不是匀速的。在非平稳环件轧制过程中，环件轧制的运动学参数变 化较大，有时还很剧烈，以致环件和轧辊产生强烈振动，使轧制过程失稳，并 产生轧制废品，严重的情况还会损坏轧制孔型和轧环机。因此研究其振动特征， 对旋转机械的振动进行监测、故障诊断与处理，降低振动水平，对确保旋转机 械的安全可靠运行具有重要意义，对设备工作的安全性和辗环工艺的改进有重 要的参考价值。 本课题来源于国家自然科学基金重点项目“金属环件冷辗扩塑性成形机理 及工艺设备研究 ( 项目编号5 0 3 3 5 0 6 0 ) 和“教育部高校青年教师奖”( 项目编 号教人司【2 0 0 2 1 3 8 3 号) 。 1 4 主要研究内容 本文以d 5 1 1 6 0 型立式轧环机为研究对象，对提供轧制力矩的传动系统 主要构件进行动力学分析，并对其进行了建模及仿真，具体研究内容如下： 1 ) 对传动系统进行动力学、运动学仿真，揭示各构件的运动规律； 2 ) 利用现代控制理论中的状态空间方法，建立起传动系统的振动力学方程， 得到传动系统的振型及固有频率； 3 ) 利用有限元法建立各构件的模态文件，并分析系统在刚柔耦合情况下的动 力学和运动学特性； 4 ) 建立振动信号实时提取和分析系统，对信号进行实时监测和频谱分析。 1 5 本章小结 本章介绍了热轧设备的概况，以及立式轧坏机传动系统的特点，明确了该 设备的传动系统为双十字环槽万向联轴传动机构，阐述了课题来源、目的和意 义，提出了本文的主要研究内容。 武汉理上人学硕十学位论文 第2 章立式轧环机等速万向传动系统 2 1 万向节传动的运动学 对于由主、从动万向节叉和十字轴组成的单万向节传动，当主、从动万向 节叉的轴线夹角为口时，如图2 1 所示，则在c 1 的圆周速度，。为： ，。；q = r 2 n k ( 2 1 ) 式中：毛，r 2 一c 1 点至两叉轴中心线的垂直距离，墨- - a c ，s i n f l l ；r 2 = b qs i n , 8 2 a c l ，b c l ，展，反一见图2 - 1 ； q ，一万向节主、从动叉轴的角速度。 ) ， o o 。l 砚 o 。l c 2 蔓么黼曼薹兰量社 k 。 。 k - l ； “) 协) ( a ) 起始位置( 鲲- - 0 。) ；( b ) 主动轴转至9 0 。的位置( 仍= 9 0 。) 图2 1 单个十字轴万向节工作时的几何关系 由上式可知，q 与哆的相等条件是= r 2 ，即a c , s i n , 6 1 = b c 。s i n 成。因 此a c , = 8 c ，故为使皑= ，必须使c l 点位于主、从动叉轴夹角的等分线 上，且在旋转的两叉轴改变夹角口的情况下仍然如此。对于普通单个十字轴万 向节，这是不可能的。c - 点向一个方向偏离夹角等分线0 o 的偏离值为口2 ： 当主动叉轴转至9 0 。位置( 铭- - 9 0 。) 时，相应的c 2 点则向另一方向偏移a 2 。 只有当央角口- - 0 。时，c l ，c 2 点才会位于夹角等分线( 面) 上。因此，普通十 字轴力向节不是等速万向节【1 3 j 。 根据机械原理，单个十字轴万向节主、从动又轴转角够、仍间的关系为【1 4 l t a n 仍= t a n 仍。c o s o t ( 2 2 ) 式中：铭一主动叉轴转角，定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动叉 轴所在平面的央角；仍一与蚜相对应的从动叉轴转角；口一主、从动叉轴之间 的夹角。式( 2 2 ) 又可写为： 武汉理上大学硕+ 学位论文 妒2 。a r c t a n ( 塑堕) ( 2 3 ) 若夹角口不变，将上式两边对时间求导数，整理后可得式( 2 3 ) 口- - j 改写为： 等2 焉惫) ( 2 - 4 ) 上式中，c o s 觋为周期为p 的周期函数，故t 0 1 亦为周期为p 的周期函数。 如q 不变，则哆每转2 p 角将变化两次。且当= 0 ，p ，2 p ，时，哆q = 1 c o s a 达最大值；当蚜- p 2 ，3 p 2 ，时，t o ：t 0 1 = c o s a 达最小值。即 ( t 0 2 t o o 。“一1 c o s a ( 2 - 5 ) ( , 0 1 ) 曲= c o s 口( 2 6 ) 由上两式可知，十字轴万向节主、从动叉轴的角速度间存在下列不等式： 0 ) 1c o s o st 0 2 q c o s o f ( 2 - 7 ) ( 吼一t p 2 ) 与口间的关系见图2 2 。从动叉轴旋转的不均匀性可用其不均匀系数k 来表征： k = ( 6 吃一一。吃。i 。) t 0 1 = 1 c o s a c o s o = ( 1 - c o s 2a ) c o s a ( 2 8 ) 2 1 1 十字轴万向传动的等角速传动条件 单个十字轴万向节传动的不均匀性可通过加装一个同样万向节并把与传 动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面内，且使两万向节的夹角相等的方法 ( 见图2 3 ) 来消除，以达到等角速的目的。这是因为在第一个万向节之后的转速 按式( 2 5 ) 为t o = 锡c o s a ，在+ 第二个万向节之后的转速按式( 2 6 ) 为 纰。t o c o s a ，；劬( c o s 口，c o s a ，) 。因此当两个万向节的夹角一口，时： 皑：纰，即可得到等角速传动1 1 5 j 。 图2 2 十字轴力向节主、从动轴转角差图2 3 双十字轴万向节等速传动条件 7 2 l o 2 ()一祥；g 武汉理上人学硕十学位论文 2 1 2 十字轴万向节传动的附加弯矩和惯性力矩 当十字轴万向节的主动叉轴上作用着不变的转矩l 时，则与它成夹角口的 从动叉轴上的转矩疋将随叉的转角而变化，除非主、从动叉轴的夹角口= 0 。 如不计万向节的摩擦损失，则有五q = 互，代入式( 8 - 4 ) ，则可得如下的关系 式【1 6 】： 互；五堡堑亟：互查盈竺堕型亟( 2 9 ) c o s 口 c o s a 式中翰一主动叉转角。 r 当主动叉转角为9 0 。，2 7 0 。时得互咐，：疋。一上( 2 一1 0 ) c o s a 当主动叉转角蚜为0 。，1 8 0 。时得疋i n i 。：疋m i 。；五c o s a ( 2 1 1 ) 具有夹角a 的十字轴万向节，由于其主、从动叉轴上的转矩z ，z 作用在 不同平面上，因此仅在主动叉轴上的驱动转矩和从动叉轴上的反转矩的作用下 是不能平衡的。由万向节的力矩平衡来看，在万向节上必然还作用有另外的力 矩。要想使十字轴平衡，必须使主、从动叉对十字轴的力矩作用平面与十字轴 轴线所在平面共面。主动叉对十字轴的作用力矩除主动转矩互外，在一定仍转 角下还有附加弯矩互；从动叉对十字轴的作用力矩除其反转矩t 外，在一定转 角下也产生附加弯矩互。正是由于这些附加弯矩的存在，补偿了互或疋，使得 它们的力矩作用平面与十字轴轴线所在平面共面，才使十字轴万向节得以平 衡。图2 4 给出了在一定铭转角下产生的附加弯矩向量巧，疋。与转矩向量互， 五间的关系。 ，t i h ；浔i s i n 口 l l c o 鲫 图2 - 4 十字轴万向节的力矩平衡 由该图可见，+ 当铣= o 。，1 8 0 。，3 6 0 。，时，因五作用于十字轴轴线平面上， 8 武汉理工大学硕十学位论文 故互必为零，这时l 的作用平面与十字轴轴线所在平面不共面，故必有弯矩互 产生，且弯矩向量互垂直于瓦，它们的合向量( 疋。+ 疋) 与互方向相反，大小相 等，十字轴得以平衡。由力矩的向量三角形得： 乏一互s i n a( 2 1 2 ) 当够= 9 0 。，2 7 0 0 ，4 5 0 0 ，时，同理可知疋为零，则主动叉上的附加弯矩为 互= 互t a n a ，可知，附加弯矩正，五在零与以上两式所表达的最大值间作周 期为p 的变化。瓦使从动叉轴支承承受周期性变化的径向载荷为 只。墨：t 1s i na3 ) 厶l 2 、。 式中：厶一万向节中心至从动叉轴支承间的距离。 万向节也承受与上力大小相等、方向相反的力。与此方向相反的反作用力 矩则由主动叉轴的支承所承受。同样，z 使主动叉轴支承承受周期性变化的径 向载荷，万向节也承受与其大小相等、方向相反的力：而在从动轴支承和万向 节上造成大小相等、方向相反的侧向载荷： 只；塑 ( 2 1 4 ) 。l 2 c o s o f 、。 附加弯矩在万向节主、从动叉轴支承上引起周期性变化的径向脉冲载荷， 可能激起支承振动。此附加弯矩使传动轴产生附加应力和变形，从而降低传动 轴的疲劳强度和破坏转速【1 7 1 。 如前所述，普通十字轴万向节不是等速万向节，如果主动叉轴转速不变， 则从动叉轴周期地加速、减速旋转，产生的惯性力矩t 互= 1 2 e 2 ( 2 - 1 5 ) 式中，：一从动叉轴旋转质量的转动惯量；：一从动叉轴的角加速度，可对式( 2 - 4 ) 求导得出： 铲一警蒹糟 ( 2 - 1 1 6 ) 0 s i nc o s ，= 一= lz l ( ，1 一 。a 2 纸) 2 、7 当转速很高时，由于从动叉轴运转的不均匀性加剧，所产生的惯性载荷有 可能大大超过其工作载荷，且交变地作用着。应采取有效措施降低万向节传动 的动载荷【1 引。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 立式轧环机传动仿真模型 2 2 1 十字环槽万向传动轴 十字环槽式小型万向联轴器( 简称坏槽式万向联轴器) 是由十字轴式万向联 轴器变化发展而来的一种新颖的联轴器形式，属于小型不等角速万向联轴器， 具有结构紧凑、装拆维护方便、传扭能力强的特点1 1 圳。 十字环槽式小型万向联轴器工作原理和十字轴式万向联轴器基本相同，特 殊之处在于用一个具两条互相垂直环槽的球体充当中间联接件，传动时两个轴 叉的前叉部分分别嵌入中间球体的两条环槽中，形成两个转动副。中间球体由 于其本身具有两个互相垂直的转动副，成为万向铰链机构中又一种形式的十字 构件，以如此三个零件构成万向铰链机构，这种结构形式是十分新颖简单的。 图2 5 为这种万向联轴器的结构简副删。 t 、3轴叉 2 中间球体 图2 5 十字环槽式万向联轴器结构简图 2 2 2m e c h a n i s m p r o 的设计流程 使用m e c h a n i s m p r o 对机械系统进行仿真分析时，遵循以下步骤【2 1 l ： 1 ) 定义刚体：根据设计意图，将装配模型中没有相对运动的零件( 如装 配中用紧固件固定在一起的零件) 定义为一个刚体。 2 ) 创建约束副：根据模型的实际运动情况，在刚体间创建约束副，这些 约束副确定哪些刚体之间有运动关系。 3 1 添加驱动：在模型的约束副上添加运动学驱动。运动学驱动以时问函 数的形式确定刚体之间进行平动或转动的运动学方程。 4 ) 应用载荷和弹性连接器：根据模型所受载荷的情况在不同刚体的两点 之问施加力和力矩，也可以使用弹性连接器在两个刚体之i 日j 添加弹性 1 0 武汉理一【大学硕士学位论文 力和阻尼力。 5 ) 传送模型：完成模型后，可以将模型传送到a d a m s s o l v e r ( a d a m s 求解器) 中直接进行动力学求解，也可以将模型传送到a d a m s m e w 中，添加更为复杂的约束副或驱动后，再使用a d a m s s o l v e r 进行动 力学仿真分析。 2 2 3 双十字环槽万向传动模型的建立 对于复杂和精确定位的机械系统零部件，a d a m s v i e w 很难建模，这就很 有必要利用c a d 软件建模来解决这个问题，对于把a d a m s 的菜单嵌入到 c a d 软件，其中以p r o e 和a d a m s 的专用接口模块m e c h a n i s m p r o 较为 方便和成熟，二者采用无缝连接的方式，不需要退出p r o e 应用环境，就可以 装配的总成根据其运动关系定义为机构系统，进行系统的动力学仿真，从而确 定系统的力、位移、速度、加速度等力学性质 2 2 - 2 5 】。本文是基于 m e c h a n i s m p r o 接口模块进行设计和数据传输的。 考虑到建模的注意因素，在用p r o e 建模的过程中，省去了十字环槽万向 联轴器的许多小结构，如润滑部分、弹簧卡圈等，只是保留了在原理上进行传 动的必需构件和运动副。 在啪中建立等速驱动轴总成的三维实体模型后，利用p r o e 软件的分 析计算功能，计算等速万向传动系统各构件的几何参数和惯性参数。如表2 - 1 所示。 表2 1 等速万向节传动轴各关键件的动力学参数 淤 匕( k g m m 2 )bc k g m m 2 ) 匕( k g m m 2 ) 质量( k g ) 构件名补 驱动轴 2 5 2 5 e + 0 0 52 5 1 8 e + 0 0 52 0 8 0 e + 0 0 41 3 中间球体 1 5 7 9 8 8 31 2 5 0 7 3 81 2 4 8 1 8 9 2 2 5 7 传动轴 4 3 7 6 e + 0 0 44 2 4 8 e + 0 0 41 0 9 5 e + 0 0 4 6 8 辗压轮4 4 7 7 e + 0 0 64 4 7 7 e + 0 0 63 6 2 0 e + 0 0 61 2 6 注：所有惯性参数均是相对于过零件质心的主惯性轴；i 表示主惯性矩 在本课题中，包括大地定义了6 个刚体：驱动轴、两个中间球体、传动轴、 辗压轮和大地。定义了1 个圆柱副、5 个旋转运动副和1 个移动副，定义了1 个旋转运动驱动轴1 旋转，定义了一个平移运动使辗压轮下移。点击命令菜单 的f i l eo p e r a t i o n e x p o r tt oa d a m s ，此时m e c h a n i s m p r o 模块将完成模 型的传送工作，并直接启动a d a m s v i e w ，进入a d a m s v i e w 界面添加更复 武汉理工人学倾士学位论文 杂的约束副、接触力和驱动条件。模犁如图2 - 6 所示。 2 4 本章小结 图2 - 6 等速驱动轴总成三维实体模型 本章主要阐述了十字轴万向节传动的运动学规律、等角速传动条件，以及 十字轴万向传动过程中形成附加转矩的原因。卜字环槽万向节是由十字轴万向 节变化发展而来的，其传动原理和运动学规律是相同的，针对d 5 1 1 6 0 立式轧 环机传动系统的特点，建立了传动系统的双十字环槽万向传动的动力学仿真模 型，给出了相应的简化假设条件，并利用p r o e 和a d a m s 的专用接口模块定 义了运动、装配关系。 簟 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章热轧环机传动系统动力学仿真 3 1a d a m s 软件仿真流程 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，该软件是美国m d i 公( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发 的虚拟样机分析软件。目前，a d a m s 己经被全世界各行各业的数百家主要制 造商采用【2 6 1 。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库，约束库，力库，创建完全参 数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日 方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力 学分析，输出位移，速度，加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用 于预测机械系统韵性能，运动范围，碰撞检测，峰值载荷以及计算有限元的输 入载荷等【2 2 9 1 。 图3 - 1 为a d a m s 仿真分析流程图。 由a d a m s s o l v e r 自动完成由a d a m s v i e w 交互完成 图3 - 1a d a m s 仿真分析流程图 3 2 轧环机传动机构运动学仿真分析 在进行仿真分析之前，必须对利用a d a m s 作为分析工具的有效性和正确 性做出检验。由于十字坏槽万向联轴器的运动舰律早已被人们所熟知，且已有 1 3 武汉理一l = 人学硕+ 学位论文 大家公认的解析公式，故本章以十字轴万句联轴器的运动规律作为检验的标 准，看仿真得到的可视性结果和它的解析公式得到的结果是否一致，如果一致， 则证明利用a d a m s 作为分析工具是有效和正确的。 a d a m s 判断对模型进行运动学或动力学仿真分析的标准是：通过计算系 统中的刚体和约束副的数量，求出系统的自由度。如果系统的自由度为0 ，对 系统进行运动学仿真分析；如果系统的自由度大于o ，则对系统进行动力学分 析【3 0 - 3 3 1 。 3 2 1 建立运动学分析模型 在上一章，已经通过p r o e 和a d a m s 的专用接口模块m e c h a n i s m p r o 定义了运动、装配关系，这里需要将生成的文件导入到a d a m s 中并按照立式 轧环机的运动特点定义一些驱动，即可得到十字环槽万向传动装置的运动学模 型。取各构件密度：7 8 0 1 x 1 0 - 6 k g t m m 3 ，杨氏模量：2 0 7 x 1 0 5 n m m 2 ，立式轧环 机的技术舰格如表3 - 1 所示。 表3 - 1d 5 1 1 6 0 扩孔机机器技术规格 序号项目规格单位 1辗压轮转速 1 2 2 r m i n 2 辗压轮外径 3 6 0m m 3滑块行程 8 0m m 总管内压缩 4 5 5 0 k p a 空气压力 工频 5 0 h z 5 电动机 转速 9 7 0 r m i n 在运动学和动力学仿真中，对微分方程的求解用的都是用数值计算的方 法，在迭代求解的过程中，步长不可过长，如果步长太大，则在数值计算中会 不收敛，导致仿真的失败。故在进行运动学和动力学仿真中，应让整个变化过 程平缓的进行，防止出现上述现象。 在a d a m s 中提供了阶梯函数( s t e p 函数) ，其含义如图3 2 ，它可以作为 解决这一问题的工具。s t e p 函数简述如下： 格式：s t e p ( x ，x o h o ，x l ，h 1 ) 参数说明： x 一自变量，可以是时问或时f 、日j 的任一函数； x o 一自变帚的s t e p 函数丌始值，可以是常数或函数表达式或设计变量： 1 4 武汉理1 大学硕士学位论文 x l 一自变量的s t e p 函数结束值，可以是常数、函数表达式或设计变量 h 0 一s t e p 函数的初始值，可以是常数、设计变量或其它函数表达式； h l s t e p 函数的最终值，可以是常数、设计变量或其它晒数表达式。 h 图3 - 2s t e p 函数示意瞳 从以上说明中，可以知道，s t e p 函数能使数值之间的过度平缓。在本次 仿真中正是利用了这点，在施加驱动力时采用了此函数，让驱动速度从0 平 缓过度到一个较大的值，使仿真平稳地进行，避免了发散现象。 按照上表给出的数据，辗压轮的转速为1 2 2 r m i n ，换算成度数为7 3 0 口肛， 下压速度设置为1 0 m m s ，利用s t e p 函数在驱动轴一端添加上旋转驱动 s t e p ( t i m e ，0 ，0 ，2 ，7 3 0 d ) ，在辗压轮的机架e 添加甲移驱动s t e p ( t i m e ，2 ，0 ， 2 5 ，。t o ) 。这样就得到了十字轴万向联轴器的运动仿真模型。如图3 3 所示： 图3 - 3 双十字环槽万向联轴器运动仿真模型圈 丌始仿真分析之前，对样机模型进行最后的检验，排除建模过程中隐含的 错误，以保证仿真分析顺利进行。般我们考虑以下一些检验内容： 武汉理l 大学碗士学位论立 1 1 利用模型自榆工具，检查不恰当的连接和约束、没有约束的构件、无 质量的构件、样机的自由度等； 2 、进行装配分析，检查所有的约束是否被破坏或者被错误定义，通过装 配分析有助于纠正错误的约束； 3 1 在进行动力学分析之前，先进行静态分析，以排除系统在启动状态下 的一些瞬卷响应。 a d a m s s o l v e r 提供了功能强大的求解器，可以对所建模型进行装配检验 和运动学、静力学和动力学分析。 3 2 2 运动学仿真结果分析 运动学分析是通过求解系列代数方程，仿真分析自由度等于零的系统运 动参数。模型导入到a d a m s 后，通过模型检验，得到职十字环槽万向传动系 统总