魔芋精粉機(jī)人字齒傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能分析

胡清明 候俊鵬 徐長順 孫丹丹 楊 銘 白 松 郭建華

(1. 齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 黑龍江省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

魔芋中含有44%～64%的葡甘露聚糖，魔芋粉是人體吸收甘露聚糖最便捷途徑之一，而其加工工藝直接影響魔芋粉質(zhì)量。目前魔芋粉加工主要分干法和濕法兩種，而魔芋精粉機(jī)作為干法加工的關(guān)鍵設(shè)備，其傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化對魔芋粉生產(chǎn)效率提升具有重要作用[1-3]。

精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)分為4級(jí)，前3級(jí)分別采用V帶、同步楔形帶、V帶傳動(dòng)，第4級(jí)采用同步帶傳動(dòng)。傳統(tǒng)直齒同步帶受齒廓特點(diǎn)影響，帶齒嚙入輪齒時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致帶齒受擠壓嚴(yán)重影響同步帶壽命。而新齒廓人字齒同步帶具有自導(dǎo)向帶輪無需加擋邊、傳動(dòng)精度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)傳動(dòng)[4]。

帶傳動(dòng)系統(tǒng)中，同步帶與帶輪隸屬剛?cè)狁詈辖佑|多體動(dòng)力學(xué)范疇，傳動(dòng)依靠帶與帶輪嚙合實(shí)現(xiàn)[5]，其嚙合傳動(dòng)的復(fù)雜性源于傳動(dòng)系統(tǒng)中同步帶非線性形變(如帶齒變形、多邊形效應(yīng)、節(jié)距差等)與嚙合狀態(tài)的多樣性[6]。Uchida等[7]利用有限元方法研究了同步帶帶齒齒形與節(jié)距差對載荷分布的影響規(guī)律。Koyama等[8]基于彈簧、質(zhì)量、阻尼系統(tǒng)進(jìn)行了同步帶載荷分布研究。李占國等[9]通過剛?cè)狁詈夏Ｐ拖到y(tǒng)分析了3M圓弧齒同步帶在不同轉(zhuǎn)速和張緊力下的應(yīng)力變化。Milanovic等[10]分析了同步帶在變轉(zhuǎn)矩條件下的帶齒載荷應(yīng)力分布規(guī)律。吳貽珍[11]探究了在不同材料下的同步帶的相對疲勞壽命。郭建華等[12-13]研究了準(zhǔn)靜態(tài)工況下新齒廓人字齒同步帶結(jié)構(gòu)參數(shù)對帶齒應(yīng)力分布影響，并基于空間微分幾何與齒輪嚙合原理，探究了新齒廓人字齒同步帶中不同干涉量對嚙合干涉形貌的影響以及螺旋角與干涉量之間的關(guān)系。文章擬以魔芋精粉機(jī)第4級(jí)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)為對象，研究其在外部負(fù)載不變的條件下，齒線形狀對傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能影響，并探究螺旋角、齒間錯(cuò)位系數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能及振動(dòng)影響規(guī)律，旨在為魔芋精粉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 新齒廓人字齒傳動(dòng)特點(diǎn)

新齒廓人字齒同步帶的法面齒廓為基準(zhǔn)齒廓，帶齒與帶輪齒形為共軛齒廓。同步帶帶齒法面齒廓如圖1(a)所示，由半徑為r1、r2、r3、r4、r5的5段圓弧曲線連接而成，其齒側(cè)圓弧曲線r4的圓心位于節(jié)線。主要參數(shù)中，齒高3.5 mm(同節(jié)距最高齒高)，側(cè)隙0.1 mm，縱橫比0.675，輪槽深3.35 mm。齒廓采用圓弧共軛曲線，其嚙合性能優(yōu)秀、承載能力強(qiáng)，嚙合時(shí)具有良好自鎖性與抗爬齒性。新齒廓人字齒同步帶齒形頂部有半徑為r1的凹槽，嚙合傳動(dòng)過程中可排出齒腔中受擠壓空氣，有效降低噪聲。

圖1(b)為輪齒法面齒廓示意圖，由半徑為ρ1、ρ2、ρ3的圓弧曲線組成，其齒側(cè)圓弧曲線ρ2的圓心在節(jié)圓上。

2 齒線形狀對傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響

2.1 模型建立與邊界條件設(shè)定

建立同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型，帶輪齒數(shù)22，有效節(jié)徑d=66.702 mm，同步帶齒數(shù)52，節(jié)線長L=495.3 mm，帶寬B=16 mm。人字齒同步帶螺旋角β=30°，齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.00。同步帶模型如圖2所示。

同步帶由帶背層、強(qiáng)力層、尼龍包布層、帶齒組成[14]。材料屬性參數(shù)如表1所示，仿真時(shí)定義同步帶沿軸向方向位移為零，帶輪與柔性體同步帶之間接觸方式為GEO contact。初始張緊力400 N，從動(dòng)帶輪施加4 500 N·mm轉(zhuǎn)矩負(fù)載，主動(dòng)帶輪施加STEP函數(shù)使其以1 000 r/min逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同步帶網(wǎng)格劃分采用solid4單元，單元數(shù)量67 801，剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

圖1 法面齒廓示意圖

圖2 模型示意圖

帶齒與輪齒嚙合傳動(dòng)過程中，帶齒嚙入帶輪齒槽時(shí)，由于同步帶的柔性體特性，帶齒受擠壓使得嚙合時(shí)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力易導(dǎo)致應(yīng)力集中，應(yīng)力沿齒向方向非均勻分布，最大應(yīng)力發(fā)生于齒根部位。設(shè)定嚙合方向如圖4所示，選取帶齒齒根沿嚙合方向前端點(diǎn)N、沿嚙合方向后端點(diǎn)M及帶齒槽點(diǎn)Q為分析節(jié)點(diǎn)。直齒同步帶選取同一節(jié)點(diǎn)位置，設(shè)置仿真時(shí)間0.5 s，步數(shù)S=500進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

表1 同步帶各層材料性能

1. 主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)副 2. 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)副 3. 從動(dòng)輪負(fù)載 4. 從動(dòng)輪平動(dòng)副 5. 剛?cè)狁詈辖佑|副

圖4 節(jié)點(diǎn)位置

2.2 帶齒應(yīng)力影響

外部負(fù)載不變條件下，直齒同步帶與人字齒同步帶嚙合區(qū)應(yīng)力云圖如圖5所示，帶齒根處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，直齒同步帶齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為97.45 N/mm2，人字齒同步帶齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為76.75 N/mm2。

圖6為齒根節(jié)點(diǎn)M、N在不同齒線形狀下應(yīng)力與時(shí)間的波動(dòng)關(guān)系曲線，人字齒同步帶嚙合區(qū)的應(yīng)力值始終小于直齒同步帶的，且直齒同步帶在0.00～0.20 s系統(tǒng)加載過程中沿嚙合方向前段應(yīng)力波動(dòng)較大，波動(dòng)峰值達(dá)86.75 N/mm2。人字齒同步帶應(yīng)力波動(dòng)更小，傳動(dòng)過程中承載能力更強(qiáng)，工作壽命更長。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能影響

2.3.1 橫向振動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是摩擦與嚙合的復(fù)合傳動(dòng)[15]。傳動(dòng)過程中，同步帶會(huì)產(chǎn)生橫向振動(dòng)。如振幅和振動(dòng)頻率過高，同步帶會(huì)產(chǎn)生跳齒、爬齒甚至脫齒現(xiàn)象，影響傳動(dòng)精度。在同步帶張緊力F=400 N下，通過帶齒槽節(jié)點(diǎn)Q的XY平面位移幅值進(jìn)行同步帶橫向振動(dòng)分析。圖7為新型人字齒同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡，AB段與CD段為帶輪與同步帶完全嚙合區(qū)域，橫向振動(dòng)不明顯；BC段與DA段為同步帶的松邊和緊邊，跨距長，橫向振動(dòng)明顯。松邊的拉應(yīng)力小于緊邊的，振幅更大。

圖8為直齒同步帶與人字齒同步帶松邊振幅與時(shí)間的波動(dòng)關(guān)系曲線，直齒同步帶松邊最大振動(dòng)量為1.925 mm，人字齒同步帶松邊最大振動(dòng)量為1.527 mm，因此，人字齒同步帶振幅較直齒同步帶更小。

圖5 應(yīng)力云圖

2.3.2 傳動(dòng)誤差 橫向振動(dòng)作用下，同步帶產(chǎn)生非線性伸長波動(dòng)，從動(dòng)輪角速度在此影響下產(chǎn)生非線性波動(dòng)導(dǎo)致傳動(dòng)誤差。圖9為直齒同步帶與人字齒同步帶從動(dòng)輪角速度與時(shí)間的波動(dòng)關(guān)系曲線，傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中始終保持循環(huán)嚙合傳動(dòng)狀態(tài)，故截取一段時(shí)間進(jìn)行分析。由圖9可知，運(yùn)載過程(0.00～0.20 s)中，直齒同步帶的導(dǎo)向性低于人字齒同步帶的，故其從動(dòng)輪角速度波動(dòng)更劇烈、峰值更高，0.20 s后人字齒同步帶從動(dòng)輪角速度波動(dòng)小于直齒同步帶，故傳動(dòng)誤差更小?；谖墨I(xiàn)[16]，人字齒同步帶相較于直齒同步帶噪聲最大降噪11 dB，且橫向振動(dòng)響應(yīng)更小。綜上，人字齒同步帶應(yīng)力分布更均勻，傳動(dòng)誤差更小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)。

圖6 應(yīng)力與時(shí)間的變化曲線

圖7 運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 橫向振動(dòng)

圖9 從動(dòng)輪角速度

3 新齒廓人字齒同步帶結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 螺旋角對動(dòng)力學(xué)性能的影響

3.1.1 帶齒應(yīng)力 外部負(fù)載不變條件下，不同螺旋角同步帶同一位置應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖10可知：當(dāng)螺旋角β=25°時(shí)，齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為93.44 N/mm2；當(dāng)螺旋角β=30°時(shí)，齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為83.75 N/mm2；當(dāng)螺旋角β=35°時(shí)，齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為90.72 N/mm2。

圖11為同步帶齒根節(jié)點(diǎn)M、N于不同螺旋角下應(yīng)力與時(shí)間的波動(dòng)曲線。由圖11可知，傳動(dòng)過程中，螺旋角增大，兩節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)力變化不同。在松、緊邊，前端齒根應(yīng)力隨螺旋角的增大而減小；后端齒根應(yīng)力隨螺旋角的增大先減小后增大，且當(dāng)螺旋角β=30°時(shí)，齒根應(yīng)力達(dá)最小值。主、從動(dòng)輪嚙合區(qū)，前端齒根應(yīng)力隨螺旋角的增大先增大后減小，幅值小；后端齒根應(yīng)力隨螺旋角的增大而增大，當(dāng)螺旋角β=30°時(shí)，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。

由圖11還可知，同步帶強(qiáng)力層應(yīng)力始終隨螺旋角的增大而增大[17]，螺旋角自β=30°繼續(xù)增大，強(qiáng)力層應(yīng)力增大幅值遠(yuǎn)大于前端齒根(見表2)。故螺旋角β=30°，帶齒受力更合理。

3.1.2 橫向振動(dòng) 圖12為同步帶張緊力F=400 N下，新齒廓人字齒同步帶不同螺旋角松、緊邊橫向振動(dòng)幅值。由圖12可知，螺旋角β=30°時(shí)，同步帶橫向振動(dòng)幅值最小，緊邊最大振動(dòng)量為0.86 mm，松邊最大振動(dòng)量為1.09 mm。螺旋角越小，同步帶導(dǎo)向性越強(qiáng)，因此橫向振動(dòng)越小，但螺旋角越小導(dǎo)致沿嚙合方向齒線頂部應(yīng)力變大，故螺旋角β=30°時(shí)新齒廓人字齒同步帶傳動(dòng)更為平穩(wěn)。

圖10 局部應(yīng)力云圖

圖11 應(yīng)力與時(shí)間的變化曲線

表2 應(yīng)力變化幅值(螺旋角自30°增大后)

3.1.3 傳動(dòng)誤差 帶橫向振動(dòng)規(guī)律及同步帶伸長量波動(dòng)與從動(dòng)輪角速度波動(dòng)呈正相關(guān)，即波動(dòng)幅值越大，傳動(dòng)誤差越大。圖13為不同螺旋角從動(dòng)輪角速度波動(dòng)曲線，系統(tǒng)在0.20 s后進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。由圖13可知，螺旋角β=30°時(shí)，同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)角速度波動(dòng)最小，傳動(dòng)誤差最小，即螺旋角越小，同步帶嚙合傳動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向性越好，可有效降低帶縱向振動(dòng)及打滑率，提高同步帶嚙合性能，降低傳動(dòng)誤差。

圖12 松、緊邊位移幅值

圖13 從動(dòng)輪角速度波動(dòng)

3.1.4 干涉量波動(dòng) 動(dòng)力學(xué)仿真過程中，模型接觸時(shí)會(huì)在應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生部分邊界干涉，干涉深度與應(yīng)力值呈正相關(guān)。若超出干涉深度初始設(shè)定值，應(yīng)力云圖中不體現(xiàn)其應(yīng)力值。由圖14可知，0.20 s傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，螺旋角β=30°時(shí)，同步帶與帶輪干涉深度更小、干涉速度波動(dòng)量峰值更小且變化更穩(wěn)定，即應(yīng)力表現(xiàn)更好，傳動(dòng)更平穩(wěn)。

3.2 齒間錯(cuò)位系數(shù)對動(dòng)力學(xué)性能的影響

3.2.1 帶齒應(yīng)力 外部負(fù)載不變條件下，不同齒間錯(cuò)位系數(shù)同步帶同一位置應(yīng)力云圖如圖15所示。由圖15可知，當(dāng)齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.00時(shí)，齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為83.75 N/mm2；當(dāng)齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.35時(shí)，齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為84.78 N/mm2；當(dāng)齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.50時(shí)，齒根節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為89.62 N/mm2。

圖16為同步帶齒根節(jié)點(diǎn)M、N于不同齒間錯(cuò)位系數(shù)下應(yīng)力與時(shí)間的波動(dòng)曲線。由圖16可知，傳動(dòng)過程中，隨著齒間錯(cuò)位系數(shù)的增大，帶齒齒根應(yīng)力變化不同。松、緊邊，前端齒根應(yīng)力隨錯(cuò)位系數(shù)增大而增大且幅值呈遞增趨勢；后端齒根應(yīng)力變化與前端齒根相同；主、從動(dòng)輪嚙合區(qū)，前端齒根應(yīng)力隨錯(cuò)位系數(shù)增大先減小后增大；后端齒根應(yīng)力隨錯(cuò)位系數(shù)增大而增大且幅值呈遞增趨勢。

圖14 干涉深度與干涉速度波動(dòng)

圖15 局部應(yīng)力云圖

圖16 應(yīng)力同時(shí)間變化曲線

由圖17可知，錯(cuò)位系數(shù)增大，同步帶帶齒錯(cuò)位處應(yīng)力增加，且傳動(dòng)過程中磨損程度也增加。當(dāng)錯(cuò)位系數(shù)k=0.35時(shí)，主、從動(dòng)輪嚙合區(qū)后端齒根應(yīng)力小幅減小，但帶齒錯(cuò)位處應(yīng)力增大幅值遠(yuǎn)大于其齒根應(yīng)力減小幅值(見表3)，且磨損程度增加。故齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.00時(shí)，同步帶應(yīng)力分布更均勻，所受應(yīng)力更小，嚙合性能更好。

傳動(dòng)過程中，同步帶帶齒齒根自緊、松邊與主、從動(dòng)輪嚙入和嚙出時(shí)，同步帶帶齒與輪齒存在干涉，帶齒受到帶輪輪齒擠壓作用產(chǎn)生形變，造成帶齒齒根前端應(yīng)力大于帶齒齒根后端，故節(jié)點(diǎn)N處應(yīng)力大于節(jié)點(diǎn)M處。

3.2.2 橫向振動(dòng) 圖18為同步帶張緊力F=400 N下，新型人字齒同步帶不同齒間錯(cuò)位系數(shù)松、緊邊橫向振動(dòng)幅值。由圖18可知，齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.00時(shí)，同步帶橫向振動(dòng)幅值最小，緊邊振動(dòng)量為1.00 mm，松邊最大振動(dòng)量為1.15 mm。齒間錯(cuò)位系數(shù)越大，帶齒與輪齒嚙合頻率越高，導(dǎo)致橫向振動(dòng)越大。同時(shí)錯(cuò)位處帶齒應(yīng)力增大，同步帶傳動(dòng)性能降低。

3.2.3 傳動(dòng)誤差 由圖19可知，錯(cuò)位系數(shù)k=0.00時(shí)，同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)角速度波動(dòng)最小，傳動(dòng)誤差最小。此外，角速度波動(dòng)與橫向振動(dòng)振幅波動(dòng)呈正相關(guān)，0.00～0.20 s為傳動(dòng)系統(tǒng)加載階段，其中角速度峰值波動(dòng)較大的原因主要是由于從動(dòng)輪沿X軸方向張緊同步帶導(dǎo)致其產(chǎn)生非線性轉(zhuǎn)角波動(dòng)。

表3 嚙合區(qū)應(yīng)力變化幅值(錯(cuò)位系數(shù)0.00～0.35)

3.2.4 干涉量波動(dòng) 由圖20可知，錯(cuò)位系數(shù)k=0.00時(shí)，同步帶與帶輪干涉深度及干涉速度波動(dòng)量更小，即應(yīng)力表現(xiàn)更好，傳動(dòng)更平穩(wěn)。錯(cuò)位系數(shù)k=0.50時(shí)，新齒廓人字齒同步帶干涉速度在0.00～0.20 s加載階段產(chǎn)生較大波動(dòng)的原因是錯(cuò)位系數(shù)變大導(dǎo)致帶輪角速度波動(dòng)變大，邊界干涉頻率變高。同時(shí)錯(cuò)位處帶齒應(yīng)力變大，故邊界干涉變大，其干涉速度也增大。

圖18 松、緊邊位移幅值

綜上，新齒廓人字齒同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)中，外部負(fù)載條件不變情況下，同步帶螺旋角β=30°，齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.00時(shí)，應(yīng)力分布更為均勻，帶齒受輪齒擠壓作用更小，因此振動(dòng)特性也更好，傳動(dòng)誤差更小、傳動(dòng)更平穩(wěn)。

圖19 從動(dòng)輪角速度波動(dòng)

圖20 干涉深度與干涉速度波動(dòng)

4 結(jié)論

基于新齒廓人字齒同步帶傳動(dòng)，對魔芋精粉機(jī)第4級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用新齒廓人字齒同步帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)直齒同步帶傳動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上對人字齒同步帶的齒形參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，再基于剛?cè)狁詈霞夹g(shù)對傳動(dòng)系統(tǒng)帶齒應(yīng)力分布及變化與振動(dòng)特性進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能分析。結(jié)果表明：① 外部負(fù)載條件不變情況下，人字齒同步帶相較于直齒同步帶帶齒應(yīng)力更小，橫向振動(dòng)、傳動(dòng)誤差更??；同步帶螺旋角大，帶齒齒根應(yīng)力呈減小趨勢；同步帶齒間錯(cuò)位系數(shù)大，帶齒齒根應(yīng)力呈增大趨勢。② 傳動(dòng)過程中，同步帶帶齒受到帶輪輪齒擠壓作用產(chǎn)生彈性形變，同步帶帶齒齒根前端區(qū)域應(yīng)力大于帶齒齒根后端區(qū)域。③ 當(dāng)新型人字齒同步帶螺旋角β=30°，齒間錯(cuò)位系數(shù)k=0.00時(shí)，其嚙合傳動(dòng)過程中帶齒應(yīng)力更小，應(yīng)力分布更均勻，橫向振動(dòng)振幅更小，傳動(dòng)更平穩(wěn)，傳動(dòng)誤差更小，干涉量波動(dòng)更小，嚙合特性更好。文中對同步帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，未能準(zhǔn)確考慮層間性能對其嚙合傳動(dòng)性能影響，后續(xù)將進(jìn)一步對仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合試驗(yàn)分析齒廓參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對同步帶優(yōu)化，以期降低傳動(dòng)噪聲，提高傳動(dòng)效率。