雙面研磨機齒輪傳動系統仿真分析

吳南星 陳 磊 陳 濤

(景德鎮陶瓷學院機電學院，江西 景德鎮 333403)

0 引言

受益于手機、電腦等電子產品需求量暴增，雙面研磨機［1］的應用得到了迅速的發展，工業需求越來越大。

然而，雙面研磨機的穩定性直接決定其生產產品的質量，而雙面研磨機的穩定性［2-4］主要取決于齒輪傳動系統的穩定性。因此，齒輪傳動系統的性能和可靠性是雙面研磨機的重要技術指標。本文正是基于雙面研磨機的齒輪傳動系統的重要性，通過UG建立齒輪傳動系統的三維造型，從而在ADAMS中對其進行運動學和動力學仿真［5-6］分析，驗證齒輪傳動系統的穩定性。本文研究的成果對雙面研磨機技術的積累和改進具有一定的工程參考價值。

1 齒輪傳動系統三維造型建立

根據雙面研磨機的工作原理，通過UG建立了雙面研磨機齒輪傳動系統的三維造型，具體如圖1所示:

圖1 齒輪傳動系統三維造型圖Fig.1 3d model of gear transmission system

2 齒輪傳動系統仿真過程

本文主要針對雙面研磨機的齒輪傳動系統做了運動學與動力學仿真分析，其中運動學主要研究各齒輪和軸的角速度;動力學主要研究各齒輪和軸所受的徑向力與切向力。

2.1 約束設置

將建立的齒輪傳動系統三維造型導入ADAMS中，對模型進行必要的約束。依據多級齒輪傳動系統的運動方式，依次給齒輪和鏈輪添加相應的旋轉副、固定副和耦合副。

2.2 載荷施加

分別給輸出齒輪添加扭矩，方向與運動方向相反，最大反向扭矩值從上到下依次為:545253Nmm，1394693Nmm，296491Nmm，2091877Nmm。同時在嚙合齒輪間添加接觸力。

2.3 驅動施加

本文研究的雙面研磨機齒輪傳動系統由兩電機同時驅動，一個是7.5KW/1450rpm的主電機，另一個為1.5KW/1450rpm的輔助電機，與電機直接連接的都是減速比為1∶20的減速器。因此，兩電機輸出到驅動齒輪上的轉速為72.5rpm(435deg/s)。

3 齒輪傳動系統仿真結果分析

雙面研磨機齒輪傳動系統仿真結果，主要獲得了傳動齒輪的角速度、齒輪嚙合力和鏈輪傳動力隨時間變化的曲線圖，具體分析如下。

3.1 運動學仿真結果分析

3.1.1 傳動軸角速度分析

圖2傳動軸角速度曲線圖Fig.2 Shaft angular velocity curve

由圖2傳動軸角速度曲線圖可知，當傳動軸運行0.005s時，傳動軸開始處于基本穩定狀態，而曲線存在一定的周期性變化是由于齒輪嚙合所致，傳動軸的平均角速度為205.85deg/sec，最大角速度為:212.28deg/sec，最小角速度為:198.04deg/sec。

3.1.2 輸出鏈輪角速度

由圖3輸出鏈輪角速度曲線圖可知，當輸出鏈輪運行0.005s時，輸出鏈輪開始處于基本穩定狀態，輸出鏈輪的平均角速度為102.47deg/sec，最大角速度為:105.099deg/sec，最小角速度為:100.351deg/sec。

圖3 輸出鏈輪角速度曲線Fig.3 Output chain wheel velocity curve

3.2 動力學仿真結果分析

3.2.1 齒輪嚙合力分析

3.2.1.1 傳動軸上端齒輪嚙合分析

傳動軸上端齒輪嚙合切向力曲線如圖4所示，傳動軸上端齒輪嚙合平均嚙合切向力為:2224.87N，最大嚙合切向力為:2490.12N，最小嚙合切向力為:2005.17N。

圖4 齒輪嚙合切向力曲線Fig.4 Gear mesh tangential force curve

傳動軸上端齒輪嚙合徑向力曲線如圖5所示，傳動軸上端齒輪嚙合平均嚙合徑向力為:785.24N，最大嚙合徑向力為:890.56N，最小嚙合徑向力為:713.76N。

圖5 齒輪嚙合徑向力曲線Fig.5 Gear mesh radial force curve

3.2.1.2 傳動軸中間齒輪嚙合力分析

傳動軸中間齒輪嚙合切向力曲線如圖6所示，傳動軸中間齒輪嚙合平均嚙合切向力為:9746.07N，最大嚙合切向力為:13252.75N，最小嚙合切向力為:4306.88N。

傳動軸中間齒輪嚙合切向力曲線如圖7所示，傳動軸中間齒輪嚙合平均嚙合徑向力為:3552.96N，最大嚙合徑向力為:4886.65N，最小嚙合徑向力為:1490.13N。

圖6 齒輪嚙合切向力曲線Fig.6 Gear mesh tangential force curve

圖7 齒輪嚙合徑向力曲線圖Fig.7 Gear mesh radial force curve

3.3 仿真與理論對比分析

標準漸開線直齒輪分度圓上法向力Fbn可以分解為分度圓切向力Ft和徑向力Fr，計算公式如下［7］:

式中:P—齒輪傳動功率，單位:KW;n—轉速，單位:r/min;d—齒輪分度圓直徑，單位:mm;Ft—齒輪切向力，單位:N;Fr—齒輪徑向力，單位:N。

通過公式(1)計算結果如表1所示，ADAMS仿真平均值與理論計算值對比可知，誤差均在4%以下，證明雙面研磨機的齒輪傳動系統的穩定性良好。

表1 :仿真值和理論值對比Tab.1 Comparison of simulation value and theory value

4 結論

本文基于ADAMS對雙面研磨機齒輪系統進行了運動學和動力學仿真分析。通過仿真結果與理論值對比分析表明:傳動軸角速度誤差為3.79%，輸出鏈輪角速度誤差為3.33%，上端齒輪切向力、徑向力誤差分別為1.6%、0.62%，中間齒輪切向力、徑向力誤差分別為0.62%、0.79%。誤差均在允許范圍5%以內，即雙面研磨機齒輪傳動系統穩定性良好。本文的研究成果對雙面研磨機的改進具有一定的工程指導意義。

［1］程相文，王凌霄.四軸球體研磨機研磨軌跡的研究［J］.制造業自動化，2013.

［2］穆雪健，路瑋琳.2MM8470型精密雙面研磨機的研制［J］.精密制造與自動化，2008，(4).

［3］賈云剛，張春魁.16B雙面研磨機的氣動控制系統［J］.流體傳動與控制，2007，(1).

［4］詹承先.全自動研磨機的研究和設計［M］.廈門大學，2008.

［5］李立斌，任成高.基于ADMAS仿真的離合器工作過程分析［J］.湖南工業大學學報，2008，(4).

［6］呂鯤，袁揚.張家遠.基于ADAMS的六桿機構運動學及動力學仿真分析［J］.河南理工大學學報，2012.