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回轉支承選型優(yōu)化設計與運動(dòng)特性分析
摘要：為滿(mǎn)足工程機械產(chǎn)品市場(chǎng)個(gè)性化需求，以工程機械回轉支承的選型優(yōu)化設計為目標，建立回轉支承裝置齒輪傳動(dòng)系統的動(dòng)力學(xué)模型，并基于A(yíng)DAMS 軟件對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。通過(guò)對齒輪動(dòng)載荷歷程的分析及研究結構設計參數對齒輪動(dòng)態(tài)性能的影響，提出了回轉支承裝置的優(yōu)化設計選型方法。在此基礎上，還研究了齒輪激勵對回轉齒輪工作性能的影響，對回轉支承的設計安裝及使用具有一定的指導意義。
關(guān)鍵詞：工程機械;回轉支承裝置;齒輪;動(dòng)力學(xué)模型;優(yōu)化設計
0、引言
工程機械產(chǎn)品市場(chǎng)極具個(gè)性化，不同的應用場(chǎng)合和使用需求對同一類(lèi)型產(chǎn)品的結構和功能有不同的要求�；剞D支承裝置一般是各種履帶式工程機械的重要組成部分，其設計強度及動(dòng)態(tài)特性將直接關(guān)系到整機的工作性能及使用安全。在工程機械行業(yè)中，回轉支承裝置價(jià)格昂貴，更換維修困難，因此回轉支承早期失效是生產(chǎn)企業(yè)及用戶(hù)不能接受的故障現象。
行業(yè)統計數據顯示，回轉支承早期失效有90%是由斷齒所導致[1]。輪齒的折斷形式主要有兩種，一是彎曲疲勞折斷，二是過(guò)載折斷。引起疲勞折斷的主要原因是傳動(dòng)系統的動(dòng)載荷過(guò)大，而過(guò)載折斷則通常是由于短時(shí)嚴重過(guò)載的沖擊載荷作用，使輪齒承受的應力超過(guò)其極限應力所致。此外，載荷嚴重集中、動(dòng)載荷過(guò)大均可能引起過(guò)載折斷[2]。從設計角度看，目前的回轉支承選型都是采用基于經(jīng)驗知識的靜態(tài)選型計算，很難滿(mǎn)足具體的個(gè)性化工況使用要求。
國內外學(xué)者在齒輪動(dòng)力學(xué)、回轉支承受載狀況，回轉支承故障診斷技術(shù)、齒輪變形因素及壽命分析等領(lǐng)域展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了許多成果[3-9]。但大部分研究都沒(méi)有從回轉支承的個(gè)性化實(shí)際工況出發(fā)，從設計角度開(kāi)展回轉支承的選型和齒輪設計參數優(yōu)化設計，很難在根本上解決回轉支承的斷齒問(wèn)題。
本文以某打樁機回轉支承為研究對象，基于虛擬仿真技術(shù)，根據打樁機實(shí)際工況，對回轉支承裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，分析回轉齒輪設計參數對其動(dòng)態(tài)性能的影響，提出回轉支承優(yōu)化設計選型方法。
1、回轉支承裝置的設計與選型
針對某中型液壓打樁機械，參考《回轉支承》標準JB/T2300-1999，根據其靜態(tài)選型計算方法，通過(guò)計算回轉支承靜止時(shí)承受的軸向、徑向力及傾覆力矩，選擇單排四點(diǎn)接觸球式回轉支承QNA2000.50 作為液壓打樁機的回轉機構，其額定扭矩6000 Nm，最高扭矩7500 Nm，轉速范圍0.4-50r/min。該液壓打樁機回轉支承裝置傳遞的是低速重載運動(dòng)，因此選用HKYC2.5A 型回轉液壓馬達，該馬達可以直接驅動(dòng)回轉支承裝置。
基于 Pro/E 軟件建立回轉支承裝置的三維模型，如圖1 所示。其中對回轉平臺及液壓馬達的外形特征進(jìn)行了適當簡(jiǎn)化，但仍保持其質(zhì)量、質(zhì)心位置等信息，以保證仿真結果盡量接近實(shí)際情況。
2、回轉支承裝置的動(dòng)態(tài)性能分析回轉支承在工作過(guò)程中受力復雜，是該液壓打樁機非常關(guān)鍵的核心部件，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，即可在設計階段分析和評價(jià)回轉支承裝置的動(dòng)態(tài)特性。
2.1 回轉齒輪機構的動(dòng)力學(xué)建模本文以齒輪副扭轉振動(dòng)模型作為回轉支承齒輪傳動(dòng)系統的動(dòng)力學(xué)模型，研究回轉支承齒輪的動(dòng)態(tài)嚙合特性，簡(jiǎn)化模型如圖2 所示。
2.2 回轉支承裝置的動(dòng)力學(xué)分析運用 ADAMS 軟件對回轉支承裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，首先須確定動(dòng)力學(xué)模型各參數矩陣。
(1)質(zhì)量矩陣的計算ADAMS 中回轉支承模型是由Pro/E 三維模型導入的，模型已包含各零部件的質(zhì)量、質(zhì)心及轉動(dòng)慣量等信息，ADAMS 軟件能根據零件質(zhì)量信息自動(dòng)建立模型的質(zhì)量矩陣及轉動(dòng)慣量矩陣。
(2)阻尼系數的計算齒輪傳動(dòng)系統阻尼主要包括粘性阻尼和結構阻尼。粘性阻尼一般由齒輪圓周潤滑液等粘性介質(zhì)產(chǎn)生的作用力，而結構阻尼則是由輪齒、軸承等結構本身的內摩擦引起的阻尼。本文根據式(5)計算齒輪傳動(dòng)系統阻尼。
(3)剛度矩陣的計算齒輪嚙合剛度的大小與輪齒彈性變形量緊密相關(guān)，隨輪齒從齒頂到齒根的不斷嚙合呈周期性變化，其周期為嚙合齒輪的齒頻周期。本文取回轉齒輪等效嚙合剛度作為仿真計算依據。
根據赫茲靜力彈性接觸理論，由式(6)可計算齒輪等效嚙合剛度。
由回轉支承選型結果可知驅動(dòng)小齒輪及回轉支承內齒圈材料分別為40Cr 和ZG42SiMn， 0.3 1 2 ν =ν = ， 51 E = 2.06×10 ， 52 E = 1.96×10 。
齒輪的嚙合傳動(dòng)實(shí)際是一種碰撞接觸運動(dòng)，因此利用ADAMS 碰撞函數——IMPACT函數仿真計算回轉齒輪嚙合力。由上式計算可得回轉齒輪仿真參數如下：剛度系數：1.2×106 N / mm2;碰撞系數：1.5;阻尼系數：20N ? s /mm;嵌入深度：0.1mm。
回轉驅動(dòng)馬達驅動(dòng)速度為20r/min(即120 ?? / s )，負載扭矩為6.0 ×106 N ?mm，設定仿真時(shí)間為0.5s，仿真步長(cháng)為0.001。
3、回轉支承裝置的優(yōu)化設計選型
3.1 齒輪模數的影響保持其他仿真參數不變，通過(guò)改變回轉齒輪的模數研究不同模數對回轉支承動(dòng)態(tài)嚙合性能的影響。下面分別對第一系列模數m = 10，m = 12，m = 16的情況對回轉支承裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。
因此，通過(guò)改變模數大小對回轉齒輪進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)，需綜合考慮輪齒受力及動(dòng)載荷波動(dòng)幅度兩個(gè)因素，在齒輪的承載能力范圍內獲得較好的動(dòng)載荷歷程。由表中可知當m = 10時(shí)齒輪嚙合動(dòng)載荷情況較好，然而由于液壓打樁機回轉支承工作時(shí)需承載較大的載荷，因此必須使回轉齒輪受力盡量較小，以保證回轉支承的工作質(zhì)量，因此本文選用模數m = 12作為回轉支承裝置的優(yōu)化模數。
3.2 小齒輪齒數的影響由式(7)可知通過(guò)改變小齒輪的齒數也可以達到改變嚙合力的作用，本文取模數m = 12且不改變其他仿真參數，分析不同齒數對回轉齒輪嚙合動(dòng)態(tài)性能的影響。本文分析了小齒輪齒數為18，20，22，23，25，28，29 時(shí)回轉齒輪的嚙合動(dòng)態(tài)性能，其中圖8 和圖9 為回轉小齒輪齒數18,20,22 1 z = 時(shí)回轉齒輪傳動(dòng)的嚙合力圖。
由表 4 可知齒輪嚙合平均力大小不隨齒數的變化而改變，但其動(dòng)載荷的波動(dòng)幅度隨齒數的增加而增大。因此可以通過(guò)改變齒輪齒數的方法對回轉支承裝置進(jìn)行微調設計，使其動(dòng)態(tài)性能更合理穩定。
由于液壓打樁機回轉支承并不是周期性運轉，而是進(jìn)行頻繁的局部旋轉運動(dòng)，因此回轉支承經(jīng)常處于啟動(dòng)制動(dòng)狀態(tài)，其啟動(dòng)性能對回轉支承的影響也較大。此外小齒輪齒數越小，有可能發(fā)生根切現象。因此綜合表4 結果分析比較可得當小齒輪齒數為20 時(shí)回轉齒輪嚙合情況較好。
綜合上述分析結果，參考機械設計手冊及回轉支承標準對回轉支承裝置進(jìn)行重新選型計算，最終確定回轉支承齒輪參數如表5 所示。
4、回轉支承裝置的工作性能分析回轉支承裝置工作性能的影響因素有很多，其中比較關(guān)鍵的有馬達的驅動(dòng)速度、齒輪齒側間隙和齒輪剛度系數。
4.1 馬達驅動(dòng)速度的影響液壓馬達具有無(wú)級調速功能，為了驗證馬達驅動(dòng)速度是否對回轉傳動(dòng)裝置有影響，保持外部負載不變(6.0 ×106 N ?mm)，在液壓馬達允許調整范圍內，分析不同轉速對傳動(dòng)裝置的影響。
仿真結果表明，不同的驅動(dòng)速度對回轉齒輪動(dòng)態(tài)性能有影響，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析結果可以為液壓打樁機的施工操作提供技術(shù)指導。
4.2 齒輪齒側間隙的影響齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)為了在輪齒齒廓間形成潤滑油膜，避免輪齒因受力變形、摩擦發(fā)熱膨脹引起的擠軋現象，一般會(huì )在齒廓間留有一定間隙。然而間隙過(guò)大又會(huì )產(chǎn)生齒間沖擊，從而影響齒輪傳動(dòng)的平穩性。因此本文將通過(guò)對回轉支承齒輪傳動(dòng)系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，分析不同齒側間隙對回轉齒輪動(dòng)態(tài)性能的影響。
齒側間隙與齒輪中心距有關(guān)，本文通過(guò)改齒輪中心距的方法研究齒側間隙對輪齒傳動(dòng)的影響。
4.3 齒輪剛度系數的影響齒輪嚙合剛度是指輪齒接觸產(chǎn)生單位變形所需力的大小，齒輪重合度一般都大于1，因此在傳動(dòng)中輪齒一般處于單、雙齒交替嚙合狀態(tài)。在齒輪連續嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，隨著(zhù)齒輪輪齒單齒雙齒的不斷交替接觸，齒輪嚙合剛度會(huì )呈周期性變化，從而導致齒輪振動(dòng)。本文通過(guò)改變回轉傳動(dòng)裝置虛擬樣機剛度系數大小，仿真得出回轉齒輪受載情況如圖17 和圖18 所示。
由表 9 可知齒輪嚙合趨于穩定所需的時(shí)間隨剛度系數的增加而減少，且齒輪系統處于平穩傳遞過(guò)程時(shí)輪齒嚙合平均力大小與剛度系數無(wú)關(guān)。但是齒輪動(dòng)載荷波動(dòng)程度與剛度系數變化情況并不同步，分析結果表明剛度系數1.0×106 時(shí)，齒輪嚙合綜合動(dòng)態(tài)性能較好，與上述理論設計結果相符。
由式(6)知齒輪剛度系數與齒輪材料及結構參數有關(guān)，因此可以通過(guò)對回轉支承裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究不同材料尺寸齒輪對其動(dòng)態(tài)性能的影響，從而獲得最優(yōu)齒輪設計方案。
5、結論
針對某型液壓打樁機回轉支承，我們在虛擬裝配建模、齒輪機構動(dòng)力學(xué)仿真分析的基礎上，進(jìn)行了優(yōu)化選型設計。通過(guò)研究有以下結論：
(1)根據液壓打樁機實(shí)際工況，對齒輪機構設計參數優(yōu)化選型后，回轉支承齒輪嚙合性能顯著(zhù)改善，與優(yōu)化前的回轉支承比較，齒輪嚙合穩定時(shí)間縮短近200%，嚙合力提高26.5%，嚙合波動(dòng)幅度減小近180%。
(2)馬達驅動(dòng)速度影響齒輪動(dòng)載荷波動(dòng)幅度，齒輪齒側間隙影響齒輪嚙合瞬間沖擊力的大小，齒輪鋼度系數對齒輪嚙合穩定時(shí)間有顯著(zhù)影響。
[參考文獻] (References)
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