非接触式对数螺旋线型面楔块逆止器

付丽华 殷立斌 杨 建 马北一 宋 华逆止器常用于上运式带式输送机中，其作用是当设备出现异常反转时可以迅速而有效地阻止设备运行，避免出现飞车、滑料等事故[1]，从而确保人员和设备的安全。楔块式逆止器因体积较小，工作可靠，动作灵敏，目前成为逆止器的主流 [2]。楔块式逆止器主要包括接触式和非接触式两大类，目前使用的非接触式逆止器中，偏心圆弧线型面楔块逆止器占主导地位。但其缺点是楔块与内、外圈间受力不均，装置逆止过程工作不平稳，会严重影响逆止器的工作性能和使用寿命。文献[3] 首次提出并研究了接触式对数螺旋线型面的楔块逆止器，本文将现有非接触式逆止器楔块的型面曲线由偏心圆弧线改为对数螺旋线，建立非接触式对数螺旋线型面楔块逆止器模型，对逆止过程进行动态仿真。1 非接触式逆止器的结构及工作原理1.1 结构如图1 所示，非接触式逆止器主要由内圈、外圈、楔块、挡销、弹簧、防转销和保持架等组成[4]。其中内圈与减速器高速轴连接，通过键传递转矩。外圈与逆止臂相连，逆止臂通过防转销与基础相连，以限制外圈的旋转[5]。保持架安装在内外圈之间，与内圈相接触。楔块为偏心，其端部轴颈安装在保持架上，并安装有复位弹簧，以提供楔块与内外圈间的初始接触力。1. 外圈 2. 楔块 3. 挡销 4. 弹簧 5. 内圈 6. 防转销图1 非接触式逆止器结构简图1.2 工作原理如图2 所示，当内圈逆时针旋转时，楔块在保持架带动下绕内圈轴线发生公转，并绕楔块端部轴心发生自转。当内圈转速上升到一定值时，偏心楔块的离心力距大于复位弹簧的偏转力距，使楔块发生偏转，从而脱离与内、外圈的接触，实现设备正常工作情况下的无磨损运动状态。当内圈顺时针旋转时，楔块在复位弹簧作用下与内、外圈接触并发生偏转，随偏转角度的增大，楔块与内外圈的接触力不断增大，直至内外圈与楔块楔紧成为一体，实现逆止器的逆止功能，使设备停止逆转。（a）非接触状态 （b）逆止状态图2 非接触式逆止器工作原理图2 对数螺旋线型面楔块的设计2.1 对数螺旋线对数螺旋线上任意一点的极径与该点切线方向的夹角均为一定值，记为φ 角，结构如图3 所示。图3 对数螺旋线结构对数螺旋线的方程为式中： ρ 为极径； 0 ρ 为初始极径；θ 为极角； k为渐开线系数，k = cotφ 。2.2 对数螺旋线型面楔块的特点现行非接触式逆止器楔块普遍为偏心圆弧线型面楔块，这种楔块与内、外圈楔合时，工作楔角会随楔块接触点的位置不同而不同，使各楔块受力不均，逆止器的稳定性较差，且受力大的楔块磨损大，失效快，个别情况会出现楔块因受力太大而碎裂的现象，会缩短逆止器使用寿命。文中将逆止器楔块工作面为对数螺旋线型面，根据对数螺旋线的定角特性，可确保各楔块的工作楔角保持相同，进而使各楔块的受力和磨损变得相对均匀，逆止器工作稳定性得到提高，并延长使用寿命。2.3 对数螺旋线型面楔块的设计2.3.1 楔块受力分析以NF100 偏心圆弧线型面楔块逆止器结构参数为例逆止器进入逆止状态后，楔块的受力如图4 所示。当内圈受到逆止力矩M 作用时，楔块在接触点A 受到内圈施加的法向力F nA 和切向力F tA，在接触点B 受到外圈施加的法向力F nB 和切向力F tB。当逆止器达到逆止状态时，转矩平衡需要满足以下条件，即其中式中：R 1 为逆止器外圈内径，80 mm；R 2 为逆止器内圈外径，112.5 mm；Z 为楔块个数；A、B 为楔块与内、外圈的接触点；β 为楔块与内圈的工作楔角；ω为楔块与外圈的工作楔角。图4 楔块受力分析图楔块的逆止条件为按文献[9] 摩擦因数的选取方式，取，则摩擦角γ = arctan f = 6.8 。由图4 可知，β >ω 则逆止器的逆止条件为。2.3.2 对数螺旋线的设计如图4 所示，楔块的上下型面曲线均为对数螺旋线，O1 为楔块的中心，O1A 和O1B 分别为两条对数螺旋线的极径，φ 1 和φ 2 分别为两曲线的螺旋角。由三角关系可知，φ 1 与ω、φ 2 与 β 均为互余关系，α 为楔块的工作楔角。在ΔOAB中，由正弦定理得建立几何关系：β =α +ω ，取β = 6.5，那么可以得到φ 2=83.5°、α =1.89°、ω =4.61 °、φ 1=85.39 °。由于楔角α 很小，可以取。在ΔOAB中，由余弦定理得计算出符合工作要求。对数螺旋线方程为则上对数螺旋线方程为则下对数螺旋线方程为以楔块的型面中心O1 为圆心建立极坐标系，因为线段与竖直线的夹角为ω ，可得A（274.61°，16.325）、B（94.61°，16.325），将其代入式（7）、式（8）中，最终得到的上、下对数螺旋线方程分别为3 逆止器非接触过程的运动分析3.1 逆止器最低临界转速时的运动分析在SolidWorks 的Motion 模块中，在2 个保持架添加从0 增至41.89 rad/s（最低临界转速400 r/min）的旋转马达，在楔块两侧轴端添加从5 N·mm 增至70 N·mm的初始转矩以代替弹簧力给楔块提供的力矩，时间定为1 s。随着保持架的旋转，各楔块也绕其自身轴线偏转，偏转角度随内圈转速的增加而增大，最终达到与内、外圈接触面完全脱离的状态，实现自由旋转。3.2 逆止器最高临界转速时的运动分析在2 个保持架添加从0 增至157 rad/s（最高转速1500 r/min）的旋转马达，初始转矩设定为从5 N·mm 增至400 N·mm，工作时间定为2 s。楔块按最高转速旋转时，楔块仍能与内、外圈接触面完全脱离，实现自由旋转。4 逆止器逆止过程的动态仿真4.1 有限元模型的建立将逆止器模型导入Ansys/LS-DYNA 中进行动力学分析。逆止器的内、外圈采用双线性等向硬化材料，楔块采用双线性随动硬化材料，保持架为刚体，以减少计算时间。结构较简单的内圈、外圈和保持架采用六面体扫略划分网格，楔块则采用四面体自由划分网格，以防止产生沙漏[10]。通过模型的PART 号将接触方式全部定义为面—面接触；逆止器的外圈周面施加全约束，内圈和保持架只能绕Z 轴转动；为了便于施加载荷，将内圈的键槽改为4 个，在键槽上施加10 000 N·m 的逆止力矩，每个楔块上的弹簧力设定为15 N。4.2 楔块与内、外圈的接触力在逆止过程的初始阶段（0 ～ 0.001s）对数螺旋线型面楔块与内、外圈的接触力很小。在逆止过程的中间阶段（0.001 ～ 0.003 s）楔块与内、外圈的接触力变化幅度逐渐增大，在0.0 026 s 左右达到最大，楔块与内圈的最大接触力为316 400 N，与外圈的最大接触力为291 900N；在逆止过程的最后阶段（0.003 ～ 0.01 s）楔块与内、外圈的接触力变化幅度很小，说明此时装置进入稳定逆止状态。选取逆止过程的最后时刻（t =0.01 s），对数螺旋线型面楔块与内圈的接触力最大值为63 370 N，最小值为0，平均值为18 826 N，最大值与平均值相差44 544N，最小值与平均值相差18 826 N，最大值与最小值相差63 370 N。楔块与外圈的接触力最大值为89 208 N，最小值为5 806 N，平均值为44 211 N，最大值与平均值相差44 997 N，最小值与平均值相差38 405 N，最大值与最小值相差83 402 N。5 两种型面楔块逆止器的对比在基本参数相同的情况下，建立偏心圆弧线型面楔块逆止器（NF100）的仿真模型，对其逆止过程进行动态模拟，得到偏心圆弧线型面楔块与内、外圈的接触力变化曲线。在逆止过程的初始阶段（0 ～ 0.001 s）偏心圆弧线型面楔块与内、外圈的接触力不大。逆止过程的中间阶段（0.001 ～ 0.003 6 s）楔块与内、外圈的接触力变化幅度迅速增大，在0.002 8 s 左右达到最大，楔块与内圈的最大接触力为412 700 N，与外圈的最大接触力为395 400 N；在逆止过程的最后阶段（0.003 6 ～ 0.01 s）楔块与内、外圈的接触力虽然仍在变化，但波动幅度不大，说明此时装置进入稳定逆止状态。同样选取逆止过程的最后时刻（t = 0.01 s），偏心圆弧线型面楔块与内圈的接触力最大值为294 258 N，最小值为0，平均值为40 830 N，最大值与平均值相差253 428 N，最小值与平均值相差40 830 N，最大值与最小值相差294 258 N。楔块与外圈的接触力最大值为294823 N，最小值为7 685 N，平均值为70 288 N，最大值与平均值相差224 535 N，最小值与平均值相差62 603N，最大值与最小值相差287 138 N。在整个逆止过程中，相比于偏心圆弧线型面楔块，对数螺旋线型面楔块与逆止器内圈的最大接触力值下降了23.3%，与外圈的最大接触力值下降了26.2%。在逆止过程的最后时刻，相比于偏心圆弧线型面楔块，对数螺旋线型面楔块与逆止器内圈的接触力平均值下降了53.9%，与外圈的接触力平均值下降了37.1%，且此时对数螺旋线型面楔块与内、外圈的接触力最大值、最小值与平均值的相差程度，以及最大值与最小值的相差程度均要小于偏心圆弧线型面楔块。结果表明，在逆止器的逆止过程中，对数螺旋线型面各楔块与内、外圈的接触力更小，且受力均匀性也要优于偏心圆弧线型面楔块，这对提高逆止器的工作稳定性，延长其使用寿命起到了积极作用。 举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章JNE Group发布《会玩的中国人》：出境游人群回归国内钱多假少信阳绿茶“乘坐”中欧班列飘香“新丝路” 河南茶叶开启“西行漫记”桑植消防联合爱心企业开展爱心助学活动黑龙江2569家养老机构实施封闭管理

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