30 t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈系統鏈輪節距優化設計與仿真

胡升陽,趙俊天,雷春麗,董亞亞（蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050）

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30 t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈系統鏈輪節距優化設計與仿真

胡升陽,趙俊天,雷春麗,董亞亞
（蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050）

摘要：鋁錠連續鑄造機輸送鏈是負責鑄模和鋁錠的輸送。由于鏈傳動系統不平穩，導致鋁錠表面形成明顯的“水波紋”現象，影響鋁錠的價格和質量。通過理論分析優化鏈輪弧節距，以減少嚙合沖擊載荷，提升傳輸平穩性。并結合多體動力學軟件ADAMS建立輸送鏈系統的多體動力學模型，經過仿真計算，驗證了鏈輪弧節距及弦節距對輸送鏈性能的影響。

關鍵詞：節距；分度圓；嚙合沖擊；角速度

1　兩端溝槽狀波紋產生的機理

30 t/h鋁錠連續鑄造機組是專門用于普通重熔用鋁錠連續鑄造的自動化生產線，在國外已得到較廣泛的應用，但在國內仍然存在許多技術難點，尚未得到廣泛應用。較為突出的問題在于國內同類機型在生產中鋁錠表面出現水波紋，對產品的外觀質量影響很大，影響了其銷售價格。常見的鋁錠表面波紋有同心圓狀、泡狀和兩端溝槽狀三種波紋[1]。這三種波紋常相互交織，共同存在。前兩種水波紋可通過保持干凈、改進工序、提高技術人員技術等來改進。其中第三種波紋鋁錠的外觀質量影響最大，波紋幅度最大，就目前國內同類型30 t/h鋁錠鑄造機組來言很難消除,是重點研究的問題。

兩端溝槽狀波紋這類水波紋對鋁錠的外觀質量影響最大，波紋幅度最大，形成的原因有：

（1）輸送鏈系統的振動形式主要為三種即鏈節的橫向振動與縱向振動、鏈輪的軸向與徑向振動、滾子的徑向變形振動[8]。由嚙合沖擊引起的鏈節振動或鏈輪振動是導致輸送鏈系統振動和鋁錠表面出現水波紋的最主要原因 。嚙合沖擊是由于嚙合過程中鏈條與鏈輪輪齒間相互作用而產生的 。傳統的滾子鏈與鏈輪嚙合時，后一個滾子沿著以前一個已嚙入的滾子的中心為圓心，以節距為半徑的圓弧嚙入鏈輪即使兩個滾子直接與鏈輪底部突然接觸，產生沖擊,且呈現出一定的周期性。

（2）鏈傳動的多邊形效應[6、7]造成輸送鏈系統不平穩，且當驅動鏈輪勻角速度轉動時，鏈運行的速度會呈現周期性變化。同時30 t/h鋁錠連續鑄造機組，采用大節距（pc=132.5 mm)，導致不平穩性更明顯[3]。

（3）鏈傳動速度不均勻性發生周期性變化, 損害傳動的同步性與均勻性，引起鑄模振動使液態鋁晃動。由于靠近鑄模內壁溫度相對較低，此位置的液態鋁先凝固成型，未凝固的鋁液波峰每次接近已凝固的鋁時就在其上凝固成型，使得鋁錠以中部為界因鋁的減少而出現較深的溝槽。

2　鏈輪節距的修正

2.1理論分析

傳統的鏈傳動系統中，鏈輪的節距和鏈條的節距是相等的，并且鏈條的中心線位置呈現周期性變化。鏈輪的節距是指在鏈輪的分度圓上與鏈條的對應鏈節相嚙合的兩個齒槽間的距離，也就是分度圓上的弦節距p1[9]。根據文獻[4]，對于標準的三圓弧一直線齒形鏈輪，當使鏈輪的弧節距pc等于鏈條的節距p，可明顯降低振動鏈條節距的相對伸長量Δp/p≤3%，亦不會發生跳齒與掉鏈[1]。

依據現用的30 t/h鋁錠連續鑄造機的數據進行如下計算：

鏈輪的弧節距：

pc= 鏈條的節距p =132.5 mm

主動鏈輪的弧節距：

改用弧節距與鏈條節距相等,則：

主動鏈輪的變化幅度為：由此可知，當改用弧節距等于鏈條的節距后，皆不會出現跳齒和掉鏈的情況。而此時鏈輪的弦節距p1＜p。由于鏈輪弦節距小于鏈條節距，鏈條在鏈輪上將出現爬高，如圖1中滾子 A 將沿鏈輪齒廓的非工作齒面爬高，但能處在較大的圓上，不會像傳統的鏈傳動系統那樣下降到與分度圓呈最大相割位置 。因此可以減小鏈條的橫向振動 。另外修正后的鏈輪，滾子 B 將首先與鏈輪輪齒的工作齒面接觸 , 此時滾子與鏈輪齒槽底部之間會有一個間隙C。間隙 C的存在使得滾子不會突然接觸鏈輪齒槽底部，亦不會產生徑向沖擊，而只有切向接觸力。然后滾子沿工作齒廓逐漸嚙入，嚙入過程中切向沖擊能量得到了消耗。當滾子完全嚙入鏈輪齒槽底部時。徑向接觸才出現。即切向沖擊與徑向沖擊不同時發生,有一個時間差。這個時間延遲使得沖擊能量分布在較長的時間區間，能降低振動[4]。

圖1　修形鏈輪與滾子鏈嚙合示意圖

2.2計算分析

現行主動鏈輪的分度圓直徑D1=847 mm，設計使鏈輪弧節距等于鏈條節距。

故可得分度圓的直徑為：

同時計算得到鏈條節距的相對伸長量Δp/p≤3%，保證了鏈傳動過程中不會出現掉鏈和脫齒的情況。

3　傳輸鏈虛擬樣機模型建立

3.1幾何模型的建立

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)軟件是美國 MDI 公司研制開發，被 MSC 公司收購， 為全球運用最廣泛的機械系統仿真軟件。己被廣泛應用于汽車交通、 工程機械航空航天等領域。ADAMS 是一款集模型建立、求解與可視化技術為一體的機械系統分析軟件。軟件可以真實地仿真復雜機械系統的運動過程，包括系統的靜力學、 運動學及動力學分析，并可得到相應的作用力、 加速度、 速度、 位移等曲線。

利用ADAMS/VIEW 中的Machinery模塊建立30 t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈模型，由于為遠距離輸送鏈且為非國標，故需通過導入數據的方法來建立相應的鏈輪齒形（三圓弧一直線），建立輸送鏈模型如圖2所示。

圖2　輸送鏈系統模型

30 t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈系統相關參數見表1、表2、表3。

表1　鏈條參數

表2　鏈輪參數

表3　材料特性

3.2仿真結果與分析

由于某滾子從脫離從動鏈輪到與主動鏈輪相嚙合時間間隔:

式中，a為中心距；p為鏈節距；?為主動鏈輪角速度。故設置相應的仿真時間為23 s。

通過所建立的仿真模型，可以真實地模擬分析改進后的輸送鏈系統在傳動過程中各滾子與鏈輪之間動態情況，圖3中圖3.a為采用主動鏈輪弧節距等于鏈條節距（分度圓直徑D）的仿真結果，圖3.b為采用原有主動鏈輪分度圓直徑D1的仿真結果。

對比兩組圖形可得對鏈輪弧節距改進后的輸送鏈系統的角速度不均勻性明顯降低，更加趨于均勻，波動變化變小。

從圖3.a中可以看出，采用主動鏈輪弧節距等于鏈條節距的輸送鏈系統的最大波動量為2 500.5 (°)/s，且最大量與最小量之間差值為1 230.6 (°)/s。而從圖3.b中可以看出，采用原有主動鏈輪分度圓直徑D1輸送鏈系統的最大波動量為3 656.7 (°)/s，且最大量與最小量之間差值的為3 570.67 (°)/s，相應的降低了65.536%，從圖中可以觀察出波動明顯趨于均勻，明顯變小。

4　結論

影響輸送鏈運行穩定性的因素是多方面的，而且某些因素之間還存在相互作用。在分析30 t/h鋁錠連續鑄造機輸送鏈鏈傳動振動來源的基礎上，筆者通過改用弧節距等于鏈條的節距，發現可以明顯降低嚙入的沖擊振動，從而對主動鏈輪的分度圓直徑進行優化設計，近而減少了嚙合沖擊，降低了輸送過程的振動，達到提高生產的鋁錠的質量的目的。也為設計鏈輪提供了一定的借鑒意義。在綜合考慮后設計選用主動鏈輪弧節距等于鏈條節距后，較以往的輸送鏈傳動系統角速度不均勻性明顯降低，更加趨于均勻，波動變化變小，不均勻系數減少了65.536%，亦為降低鋁錠表面“水波紋”提供了改進方法。

參考文獻

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Pitch of 30 t/h aluminum ingot continuous casting machine conveyor chain sprocket gear optimization design and simulation

HU ShengYang ; ZHAO JunTian ; LEI ChunLi;DONG YaYa
（Lanzhou University Of Technology，Lanzhou 730050,Gansu，China）

Abstract:The conveyor chain of Aluminum ingot continuous casting machine is responsible for the delivery of molds and aluminum ingots. The unstability of chain transmission system leads to the forming of obvious water ripple phenomenon at the surface of the aluminum ingot, which affects the price and the quality of aluminum ingots . Through theoretical analysis and optimization the arc sprocket pitch to reduce the load of meshing impact, improving transmission stability. The model of conveyor chain system was established by multi-body dynamics software ADAMS. Through the simulation and calculation of the arc sprocket pitch and sprocket chordal pitch verify the effect of the conveyor chain performance.

Keywords:pitch；reference circle；meshing contact；angular velocity

作者簡介：胡升陽（1990—），男，在讀研究生，主要從事鑄造工藝及設計的研究.

收稿日期:2015- 07- 27

基金項目：國家自然科學基金項目（基金號：51465035）

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .01 9

中圖分類號：TG233+.6；

文獻標識碼：A；

文章編號:1 006- 9658（201 6）01 - 0054- 04

稿件編號:1507- 1005