双面研磨机齿轮传动系统仿真分析

吴南星 陈 磊 陈 涛

(景德镇陶瓷学院机电学院，江西 景德镇 333403)

0 引言

受益于手机、电脑等电子产品需求量暴增，双面研磨机［1］的应用得到了迅速的发展，工业需求越来越大。

然而，双面研磨机的稳定性直接决定其生产产品的质量，而双面研磨机的稳定性［2-4］主要取决于齿轮传动系统的稳定性。因此，齿轮传动系统的性能和可靠性是双面研磨机的重要技术指标。本文正是基于双面研磨机的齿轮传动系统的重要性，通过UG建立齿轮传动系统的三维造型，从而在ADAMS中对其进行运动学和动力学仿真［5-6］分析，验证齿轮传动系统的稳定性。本文研究的成果对双面研磨机技术的积累和改进具有一定的工程参考价值。

1 齿轮传动系统三维造型建立

根据双面研磨机的工作原理，通过UG建立了双面研磨机齿轮传动系统的三维造型，具体如图1所示:

图1 齿轮传动系统三维造型图Fig.1 3d model of gear transmission system

2 齿轮传动系统仿真过程

本文主要针对双面研磨机的齿轮传动系统做了运动学与动力学仿真分析，其中运动学主要研究各齿轮和轴的角速度;动力学主要研究各齿轮和轴所受的径向力与切向力。

2.1 约束设置

将建立的齿轮传动系统三维造型导入ADAMS中，对模型进行必要的约束。依据多级齿轮传动系统的运动方式，依次给齿轮和链轮添加相应的旋转副、固定副和耦合副。

2.2 载荷施加

分别给输出齿轮添加扭矩，方向与运动方向相反，最大反向扭矩值从上到下依次为:545253Nmm，1394693Nmm，296491Nmm，2091877Nmm。同时在啮合齿轮间添加接触力。

2.3 驱动施加

本文研究的双面研磨机齿轮传动系统由两电机同时驱动，一个是7.5KW/1450rpm的主电机，另一个为1.5KW/1450rpm的辅助电机，与电机直接连接的都是减速比为1∶20的减速器。因此，两电机输出到驱动齿轮上的转速为72.5rpm(435deg/s)。

3 齿轮传动系统仿真结果分析

双面研磨机齿轮传动系统仿真结果，主要获得了传动齿轮的角速度、齿轮啮合力和链轮传动力随时间变化的曲线图，具体分析如下。

3.1 运动学仿真结果分析

3.1.1 传动轴角速度分析

图2传动轴角速度曲线图Fig.2 Shaft angular velocity curve

由图2传动轴角速度曲线图可知，当传动轴运行0.005s时，传动轴开始处于基本稳定状态，而曲线存在一定的周期性变化是由于齿轮啮合所致，传动轴的平均角速度为205.85deg/sec，最大角速度为:212.28deg/sec，最小角速度为:198.04deg/sec。

3.1.2 输出链轮角速度

由图3输出链轮角速度曲线图可知，当输出链轮运行0.005s时，输出链轮开始处于基本稳定状态，输出链轮的平均角速度为102.47deg/sec，最大角速度为:105.099deg/sec，最小角速度为:100.351deg/sec。

图3 输出链轮角速度曲线Fig.3 Output chain wheel velocity curve

3.2 动力学仿真结果分析

3.2.1 齿轮啮合力分析

3.2.1.1 传动轴上端齿轮啮合分析

传动轴上端齿轮啮合切向力曲线如图4所示，传动轴上端齿轮啮合平均啮合切向力为:2224.87N，最大啮合切向力为:2490.12N，最小啮合切向力为:2005.17N。

图4 齿轮啮合切向力曲线Fig.4 Gear mesh tangential force curve

传动轴上端齿轮啮合径向力曲线如图5所示，传动轴上端齿轮啮合平均啮合径向力为:785.24N，最大啮合径向力为:890.56N，最小啮合径向力为:713.76N。

图5 齿轮啮合径向力曲线Fig.5 Gear mesh radial force curve

3.2.1.2 传动轴中间齿轮啮合力分析

传动轴中间齿轮啮合切向力曲线如图6所示，传动轴中间齿轮啮合平均啮合切向力为:9746.07N，最大啮合切向力为:13252.75N，最小啮合切向力为:4306.88N。

传动轴中间齿轮啮合切向力曲线如图7所示，传动轴中间齿轮啮合平均啮合径向力为:3552.96N，最大啮合径向力为:4886.65N，最小啮合径向力为:1490.13N。

图6 齿轮啮合切向力曲线Fig.6 Gear mesh tangential force curve

图7 齿轮啮合径向力曲线图Fig.7 Gear mesh radial force curve

3.3 仿真与理论对比分析

标准渐开线直齿轮分度圆上法向力Fbn可以分解为分度圆切向力Ft和径向力Fr，计算公式如下［7］:

式中:P—齿轮传动功率，单位:KW;n—转速，单位:r/min;d—齿轮分度圆直径，单位:mm;Ft—齿轮切向力，单位:N;Fr—齿轮径向力，单位:N。

通过公式(1)计算结果如表1所示，ADAMS仿真平均值与理论计算值对比可知，误差均在4%以下，证明双面研磨机的齿轮传动系统的稳定性良好。

表1 :仿真值和理论值对比Tab.1 Comparison of simulation value and theory value

4 结论

本文基于ADAMS对双面研磨机齿轮系统进行了运动学和动力学仿真分析。通过仿真结果与理论值对比分析表明:传动轴角速度误差为3.79%，输出链轮角速度误差为3.33%，上端齿轮切向力、径向力误差分别为1.6%、0.62%，中间齿轮切向力、径向力误差分别为0.62%、0.79%。误差均在允许范围5%以内，即双面研磨机齿轮传动系统稳定性良好。本文的研究成果对双面研磨机的改进具有一定的工程指导意义。

［1］程相文，王凌霄.四轴球体研磨机研磨轨迹的研究［J］.制造业自动化，2013.

［2］穆雪健，路玮琳.2MM8470型精密双面研磨机的研制［J］.精密制造与自动化，2008，(4).

［3］贾云刚，张春魁.16B双面研磨机的气动控制系统［J］.流体传动与控制，2007，(1).

［4］詹承先.全自动研磨机的研究和设计［M］.厦门大学，2008.

［5］李立斌，任成高.基于ADMAS仿真的离合器工作过程分析［J］.湖南工业大学学报，2008，(4).

［6］吕鲲，袁扬.张家远.基于ADAMS的六杆机构运动学及动力学仿真分析［J］.河南理工大学学报，2012.