矿用圆环链传动接触动力学及损伤机理的研究
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摘要
圆环链传动机构在矿山、冶金、起重、吊装、船舶、航空航天、食品加工等行业具有广泛应用，特别是应用于矿山机械的圆环链传动机构，处于恶劣复杂的工况条件下极易发生事故，不但影响到生产效率造成经济损失，而且可能会危害到生命安全。目前国内外学者对圆环链传动机构的各元件结构进行了较为深入的研究，但是对于圆环链传动过程的接触动力学的研究未见报道。本文基于接触非线性动力学、碰撞理论、振动冲击理论和疲劳损伤理论，通过实验室实验，采用数值模拟的方法，对圆环链间、圆环链与链轮的啮合过程的动力学建模、链环与链轮由于啮合产生的碰撞和损伤等问题进行了深入系统的研究。
主要研究成果如下：
1）通过建立圆环链的结构方程，并结合对链环的力学分析，利用Hertz接触理论，推导出两个链环弯臂处的接触为面接触的椭圆形方程，并可求出接触区域的面积和压应力；建立了链轮链窝的空间曲面结构数学方程，结合链轮结构数学方程，推导出链环与链轮空间接触的数学模型，并建立了链环链轮的接触结构的能量方程；根据对链环与链轮的啮合过程受力分析，构造了具有摩擦因素的复杂链环缠绕链轮的动力学有限元模型，并建立了链环与链轮在啮合包角范围内具有偏转角度的动力学方程。
2）采用有限元方法，求解三维非线性接触碰撞问题，运用大型有限元动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对圆环链间的碰撞、圆环链和链轮之间的啮合过程进行仿真，结果显示：链环处于瞬间起动或者卡链的状态，应力主要集中在链环间的接触部位（基本呈圆形），以及链环直臂与弯臂的过渡部位产生的应力也很大。反复的碰撞必然产生疲劳进而发生断裂。圆环链和链轮的啮合过程中，建立了链轮齿距大于链环节距的模型，在啮合的链环上表现出各齿对链环都有驱动的应力分布，但链环上的应力远大于链轮齿部应力，链环上的应力波动也表现出了阶段性特征。
3）通过对链传动机构所处环境的分析，产生损伤的因素有：磨损和腐蚀、疲劳和断裂、振动和冲击。通常产生断链事故的原因是这些因素的共同作用的结果。链环与链轮传动过程，主要表现为冲击和疲劳，通过ANSYS软件，对圆环链和链轮进行了瞬间冲击的仿真分析，结果表明：冲击造成了瞬间的应力集中。这是导致链环瞬间断裂的原因之一。链环和接链环的寿命可采用疲劳累积损伤理论进行预测。最后针对圆环链工作过程产生损伤提出了经验性的防护措施和手段。
4）利用实验室的大型综合设备，采用应变传感器和电子数据采集器，建立了圆环链传动的动态试验测试系统，通过对圆环链与链轮啮合传动过程的监测和应变数据采集结果的分析可以得出：在整个传动系统的驱动端，链环缠绕链轮的过程受到链轮多边形效应的影响，应力曲线表现出明显的阶段性增长，啮合结束后，应力基本保持不变；链轮在与链环啮合过程中，啮合包角内的链轮齿部也表现出阶段性的应力增长，与链环脱离后，应力值基本保持不变，一旦接触又会产生阶段性的应力，如此周而复始。与理论分析和模拟结果相吻合，证明了链环与链轮啮入瞬间也是对链环产生损伤的一个重要原因。
5）试验结果揭示了：链环啮入链轮的瞬间，会产生很大的应力，主要是受到瞬间冲击的影响，而使链环受到应力磨损；链环与链轮在啮合包角范围内的多边形效应，会产生的疲劳磨损，通常链环和链轮齿部受到的应力不是特别大，但是在长期的工作条件下，必然演变成疲劳磨损，最终导致链环断裂。
本文对圆环链传动情况进行了系统的分析，为圆环链传动机构在各种设备和工况条件的应用提供了可靠的理论分析、数值模拟和实验方法的手段，对于减少链传动过程的损伤具有实际的意义。
Round link chain transmission mechanism have extensive application in mine, metallurgy,lifting, hoisting, shipping, aerospace, food processing and other industries, especially applied inmine machinery, which are easily taken place accidents in the harsh conditions, not only affectsthe production efficiency of the resulting economic losses, and may endanger life safety. Atpresent, domestic and foreign scholars on the round link chains transmission mechanism of thestructure were made relatively thorough research, but for round link chain transmissing contactdynamics research further. Based on contact nonlinear dynamics, collision theory, vibrationtheory and fatigue damage theory, through laboratory experiments, numerical simulation methodis adopted, the round link chains, round link chain and sprocket meshing dynamics in the processof the chain and the sprocket meshing, due to the collision and damage problem is studied.
The main research results are as follows:
1) Through the establishment of round link chain structural equations, and based on themechanical analysis of chains, using the Hertz contact theory, deduced from the two link chainsarm of the contact to the surface contact, the contact surface is elliptical, and can be calculatedthe contact area and pressure stress, establish chain nest space structure mathematical equations,combined sprocket structure equation, deduced from the chain and the sprocket space contactmodel, and the establishment of a chain sprocket contact structure equation; according to thechain and the sprocket meshing force analysis, and considering the friction factors to constructcomplex chains winding sprocket dynamics finite element model, and the establishment of thechain and the sprocket wheel in meshing angle range with deflection angle dynamics equation.
2) Through the use of finite element method, to solve the nonlinear contact problem, the useof finite element dynamic analysis software ANSYS/LS-DYNA, simulation is carried in theprocess of round link chains collision, round link chain and sprocket meshing, the results showthat the link in the state of instantaneous starting or chain getting stuck, stress mainly focus onthe chains between contact positions (circular) and the transitional position between the straightarm and curved arm, instantaneous stress concentration is also great,repeated collision mustproduce fatigue and fracture. In the process of round link chain and sprocket meshing, the modelthat a sprocket pitch larger than the pitch of the chain is established, stress distribution on thechains driven by the teeth are shown, but on a chain stress is much greater than the sprockettooth stress, link chain stress fluctuations also displays stage characteristics.
3) Through analyzing the chain transmission mechanism environment, the damage factorsare: wear and corrosion, fatigue and fracture, vibration and shock. Usually the broken chainaccident reason is the result of the action of these factors simutaneously. Chain and sprockettransmissing process, mainly for the impact and fatigue, by means of ANSYS software, theround link chain and sprocket for instant impact simulation analysis, the results show that, in amoment of impact caused by stress concentration, the life of round link chain and link chain ofconnector can be used to predict by the fatigue cumulative damage theory. According to theworking process of round link chain injury presents empirical protective measures and means.
4) The use of laboratory large style integrated equipment, using strain sensor and dataacquisition electronics, established a chain transmission dynamic test system, through the roundlink chain and sprocket meshing transmission process monitoring and strain data acquisitionresults of the analysis can be drawn: in the transmission system of the chain sprockettransmissing end, winding process by sprocket polygon effect, stress curve demonstratedsignificant growth phases, when engagement ended, stress remain unchanged; the sprocket andchain in the process of engagement, within the wrap angle of meshing sprocket teeth of differentstress increase, and chain detachment, stress values remain unchanged, and phasic stress canproduce once contacting, so go round and begin again. Which is matched with the simulatedresults, the instant meshing of the chain and the sprocket is an important reason to chains toproduce injury.
5) Test result reveals that the link chain meshes into the sprocket moment, will producegreat stress, mainly due to the instantaneous impact, and the chains are subjected to stress andwear; chains and the polygon effect of the sprocket within the meshing angles, will producefatigue wear, chains and sprocket teeth part are usually the stress that is not particularly large,but in the long-term working conditions, will evolve into fatigue wear, eventually lead to chainsbroken.
In this paper, the system of round link chain transmission is analyzed, for the chaintransmission mechanism in a variety of equipment and the working conditions of the applicationto provide a reliable theoretical analysis, numerical simulation and experimental methods, toreduce the damage of chain transmissing has the actual significance.
主要研究成果如下：
1）通过建立圆环链的结构方程，并结合对链环的力学分析，利用Hertz接触理论，推导出两个链环弯臂处的接触为面接触的椭圆形方程，并可求出接触区域的面积和压应力；建立了链轮链窝的空间曲面结构数学方程，结合链轮结构数学方程，推导出链环与链轮空间接触的数学模型，并建立了链环链轮的接触结构的能量方程；根据对链环与链轮的啮合过程受力分析，构造了具有摩擦因素的复杂链环缠绕链轮的动力学有限元模型，并建立了链环与链轮在啮合包角范围内具有偏转角度的动力学方程。
2）采用有限元方法，求解三维非线性接触碰撞问题，运用大型有限元动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对圆环链间的碰撞、圆环链和链轮之间的啮合过程进行仿真，结果显示：链环处于瞬间起动或者卡链的状态，应力主要集中在链环间的接触部位（基本呈圆形），以及链环直臂与弯臂的过渡部位产生的应力也很大。反复的碰撞必然产生疲劳进而发生断裂。圆环链和链轮的啮合过程中，建立了链轮齿距大于链环节距的模型，在啮合的链环上表现出各齿对链环都有驱动的应力分布，但链环上的应力远大于链轮齿部应力，链环上的应力波动也表现出了阶段性特征。
3）通过对链传动机构所处环境的分析，产生损伤的因素有：磨损和腐蚀、疲劳和断裂、振动和冲击。通常产生断链事故的原因是这些因素的共同作用的结果。链环与链轮传动过程，主要表现为冲击和疲劳，通过ANSYS软件，对圆环链和链轮进行了瞬间冲击的仿真分析，结果表明：冲击造成了瞬间的应力集中。这是导致链环瞬间断裂的原因之一。链环和接链环的寿命可采用疲劳累积损伤理论进行预测。最后针对圆环链工作过程产生损伤提出了经验性的防护措施和手段。
4）利用实验室的大型综合设备，采用应变传感器和电子数据采集器，建立了圆环链传动的动态试验测试系统，通过对圆环链与链轮啮合传动过程的监测和应变数据采集结果的分析可以得出：在整个传动系统的驱动端，链环缠绕链轮的过程受到链轮多边形效应的影响，应力曲线表现出明显的阶段性增长，啮合结束后，应力基本保持不变；链轮在与链环啮合过程中，啮合包角内的链轮齿部也表现出阶段性的应力增长，与链环脱离后，应力值基本保持不变，一旦接触又会产生阶段性的应力，如此周而复始。与理论分析和模拟结果相吻合，证明了链环与链轮啮入瞬间也是对链环产生损伤的一个重要原因。
5）试验结果揭示了：链环啮入链轮的瞬间，会产生很大的应力，主要是受到瞬间冲击的影响，而使链环受到应力磨损；链环与链轮在啮合包角范围内的多边形效应，会产生的疲劳磨损，通常链环和链轮齿部受到的应力不是特别大，但是在长期的工作条件下，必然演变成疲劳磨损，最终导致链环断裂。
本文对圆环链传动情况进行了系统的分析，为圆环链传动机构在各种设备和工况条件的应用提供了可靠的理论分析、数值模拟和实验方法的手段，对于减少链传动过程的损伤具有实际的意义。
Round link chain transmission mechanism have extensive application in mine, metallurgy,lifting, hoisting, shipping, aerospace, food processing and other industries, especially applied inmine machinery, which are easily taken place accidents in the harsh conditions, not only affectsthe production efficiency of the resulting economic losses, and may endanger life safety. Atpresent, domestic and foreign scholars on the round link chains transmission mechanism of thestructure were made relatively thorough research, but for round link chain transmissing contactdynamics research further. Based on contact nonlinear dynamics, collision theory, vibrationtheory and fatigue damage theory, through laboratory experiments, numerical simulation methodis adopted, the round link chains, round link chain and sprocket meshing dynamics in the processof the chain and the sprocket meshing, due to the collision and damage problem is studied.
The main research results are as follows:
1) Through the establishment of round link chain structural equations, and based on themechanical analysis of chains, using the Hertz contact theory, deduced from the two link chainsarm of the contact to the surface contact, the contact surface is elliptical, and can be calculatedthe contact area and pressure stress, establish chain nest space structure mathematical equations,combined sprocket structure equation, deduced from the chain and the sprocket space contactmodel, and the establishment of a chain sprocket contact structure equation; according to thechain and the sprocket meshing force analysis, and considering the friction factors to constructcomplex chains winding sprocket dynamics finite element model, and the establishment of thechain and the sprocket wheel in meshing angle range with deflection angle dynamics equation.
2) Through the use of finite element method, to solve the nonlinear contact problem, the useof finite element dynamic analysis software ANSYS/LS-DYNA, simulation is carried in theprocess of round link chains collision, round link chain and sprocket meshing, the results showthat the link in the state of instantaneous starting or chain getting stuck, stress mainly focus onthe chains between contact positions (circular) and the transitional position between the straightarm and curved arm, instantaneous stress concentration is also great,repeated collision mustproduce fatigue and fracture. In the process of round link chain and sprocket meshing, the modelthat a sprocket pitch larger than the pitch of the chain is established, stress distribution on thechains driven by the teeth are shown, but on a chain stress is much greater than the sprockettooth stress, link chain stress fluctuations also displays stage characteristics.
3) Through analyzing the chain transmission mechanism environment, the damage factorsare: wear and corrosion, fatigue and fracture, vibration and shock. Usually the broken chainaccident reason is the result of the action of these factors simutaneously. Chain and sprockettransmissing process, mainly for the impact and fatigue, by means of ANSYS software, theround link chain and sprocket for instant impact simulation analysis, the results show that, in amoment of impact caused by stress concentration, the life of round link chain and link chain ofconnector can be used to predict by the fatigue cumulative damage theory. According to theworking process of round link chain injury presents empirical protective measures and means.
4) The use of laboratory large style integrated equipment, using strain sensor and dataacquisition electronics, established a chain transmission dynamic test system, through the roundlink chain and sprocket meshing transmission process monitoring and strain data acquisitionresults of the analysis can be drawn: in the transmission system of the chain sprockettransmissing end, winding process by sprocket polygon effect, stress curve demonstratedsignificant growth phases, when engagement ended, stress remain unchanged; the sprocket andchain in the process of engagement, within the wrap angle of meshing sprocket teeth of differentstress increase, and chain detachment, stress values remain unchanged, and phasic stress canproduce once contacting, so go round and begin again. Which is matched with the simulatedresults, the instant meshing of the chain and the sprocket is an important reason to chains toproduce injury.
5) Test result reveals that the link chain meshes into the sprocket moment, will producegreat stress, mainly due to the instantaneous impact, and the chains are subjected to stress andwear; chains and the polygon effect of the sprocket within the meshing angles, will producefatigue wear, chains and sprocket teeth part are usually the stress that is not particularly large,but in the long-term working conditions, will evolve into fatigue wear, eventually lead to chainsbroken.
In this paper, the system of round link chain transmission is analyzed, for the chaintransmission mechanism in a variety of equipment and the working conditions of the applicationto provide a reliable theoretical analysis, numerical simulation and experimental methods, toreduce the damage of chain transmissing has the actual significance.
引文
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