1.1 课题研究的背景及意义
链传动作为具有中间挠性拉拽元件的一种啮合传动方式[1]。是机械传动中应用较为广泛的一种运动方式。链传动与齿轮传动相比：链有较廉价的零部件材料成本及加工费用和较低的生产制造与安装精度要求；链传动有较好的缓冲、吸震能力。与属于摩擦传动的带传动相比：链传动并不存在打滑和弹性滑动，可以确保准确的平均传动比，传动效率高；链条对轴的作用力较小；链传动尺寸紧凑；链传动可以在较大传动比和较小中心距下工作[2]。链传动的种类很多，按照工作特性可以分为起重链、牵引链和传动链。如图 1-1 所示。分别运用于传送动力、提升重物和货物运输等方面[2]。近年来，我国工业迅猛发展特别是机械行业，链传动技术也正在蓬勃发展，并时刻被不断的改进与完善，链传动系统在机械行业中占有重要的地位。随着机械制造业不断发展，链传动也朝着高速、高性能、多功能等方向发展。所以，对链传动的设计，制造，使用也提出了更多、更高、更深度的技术要求[2]。在链传动系统中面临着诸多问题。链传动的固有多边形效应引起链传动系统产生速度波动及冲击[3-4]。当链条与链轮啮合传动时，链条与链轮的啮合部分可看作由多边形组成，每一个链节相当于多边形的一条边，如图 1-2 所示。在链条与链轮啮合时，链条中心线与链轮的分度圆做周期性的相切——相割运动。当主动链轮作匀速转动时，链条的线速度和从动链轮的角速度将呈现周期性变化。最终导致链传动过程中链条的瞬时速度不稳定，做时快时慢的周期性运动，并因此引起链条的横向和纵向振动，产生冲击载荷和噪声。链传动的多边形效应从运动学的角度而言是链条产生周期性速度波动这一运动学特性[4]。
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1.2 国内外链传动研究现状
链传动技术在近几十年来快速发展。其工作能力大幅提升，使用范围扩大。国内外很多学者都对链传动进行了研究，链传动的多边形效应是研究的重点，例如很多学者从链条的速度、链轮的角速度、链节节距和两链轮的中心距入手，从这些方面来了解链传动的运动学特征。也有部分学者根据链传动的几何关系来设计链传动的新型机构，以用来满足社会发展的需要。从 80 年代开始，国外学者用理论分析和实验手段对滚子链传动啮合理论进行了深入地研究，取得重大进展[7][8]。90 年代，随着计算机技术的快速发展，链传动啮合机理的实验分析和运动模拟得到很好的应用。同时，在现代化的研究方式下取得突破性的进展。近半个世纪以来，随着科学技术的发展，对交变高速、重载下滚子链磨损特性的研究取的了突破性进展，同时也积累了宝贵的试验数，研究人员对磨损机理和塑性变形进行了深入的研究[9][10]。在实际中，链传动已得到广泛应用。但在近几十年，链传动在动力学方面的研究刚刚起步[11]，这是由于链传动中虽然链条结构相似，但是运动中每时每刻的状态都在改变，所以很难找到固定的分析方案。随着计算机技术的发展，特别是超级计算机的发展，可以进行复杂的运算、分析、模拟、检测[12]。夏先平、李淑民等，把链传动的瞬时运动看作为铰链四杆机构[13-20]。徐立新、杨玉虎等分析链传动瞬时速度，将链条速度分为水平和垂直两个方向，可用于链传动的瞬时速比计算[21]。Sandrem E 和 West R L 用铰链四杆机构模型来研究，使链传动的运动学分析取得突破性进展[22]。兰兆辉从运动学的速度瞬心方法来分析链传动运动特性系数[23]。荣长发、杨国欣从链条速度、加速度与中心距之间的关系进行分析，给出选择链传动中心距的合理方法[24]。J.P.Peng 和 M.Carpino 综合考虑运动学和动力学因素，提出等速输送链系统最佳路径设计方法[25]。Stone, Trethewey和Wang发现噪声和冲击的密切关系[26]。K.Uehara和T.Nakajima从理论与实验两个方面，研究滚子链传动的噪声问题，指出噪声产生的原因[27]。Chew 研究了齿数比为 1 和中心距为节距整数倍的情况下，滚子和链轮啮合的冲击问题，得到链轮转速、链节距、链节个数及链节质量分布等因素对冲击力的影响[28]。在 Chew 研究的基础上，荣长发等对中心距和齿数比为任意值的链传动进行了分析，推出冲击力和链传动几何和物理参数的关系，并给出减缓冲击载荷的方法[29]。杨志刚通过实验对滚子链传动中的振动和噪声的发生机理进行研究，得到链轮振动对链传动统稳定性的影响，并分析了系统参数、链轮的转动惯量、链速及激励的频率对系统稳定性的影响[30]。张策，杨玉虎等研究了多边形效应对系统动力学稳定性的影响[31]。Wang K W 和 Liu S P 在其所建立的模型中考虑了链条——链轮系统与局部啮合冲击的相互耦合作用，从而将局部的啮合现象同系统整体的动力学行为联系起来，对链条和链轮冲击的动态特性，链条的横向振动的关系进行了分析[33]。Ariaratnam S T, Wicker J A 将模型简化为链条与链轮耦合的弹性弦[34-36]。用其对链传动稳定性进行分析。Wang K W 使用运动弦模型对链条与链轮进行了动力学研究，给出了发动机正时链条的完整模型，运用该模型可知链条的动力学特性以及链条的纵向振动和链轮的耦合运动[37]。为分析链节之间的作用，Tumbull S R,Fawcett J N 采用多刚体动力学模型对链传动进行了分析，在考虑链传动的动态效应的基础上，对链传动运动学分析结论进行了修正[38]。Bothwell S L 建立一种包括柔性铰链的链传动模型。每一个链节被模型化为平面刚体，用弹簧和阻尼连接，减少了铰链对链节的运动学限制，使链节可按一定的自由度运动，并使用Newton——Euler方程得到每一个链节的动态方程[39]。张文祥、张守义等发现了一个链节啮入主动链轮时，链条的固有频率随链条速度增加而减少，随着链条张力增大而增大[40]。
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第二章 滑道约束普通链模型运动学分析
2.1 普通链传动的多边形效应
链轮的分度圆与链条的中心线在啮合传递过程中交替呈现相切——相割的现象，链条的线速度则呈现时快时慢从图 2-3 可知，当销轴与链轮中心的连线相对于垂直方向的夹角为00 时，链条处于张紧状态，且水平速度达到最大。由图 2-4 可知，当销轴与链轮中心的连线相对于垂直方向的夹角为链节圆心角的一半时。链节处于松弛状态。且链节的水平速度为最小。从上图分析可得出链节在竖直方向产生忽上忽下的运动，由于链节节距较大，所以在竖直方向产生的波动是影响机构传动的关键因数之一。其现象对链节与销轴，销轴与链轮之间都产生很大的附加动载荷，同时也加剧了系统的不稳定性和链节、销轴的磨损。为了增加系统的稳定性，在链传动中链条的紧边始终保持水平或近似达到水平状态，同时减小冲击载荷对机构的影响，本文提出了通过滑道约束链节来改进机构，使其达到负载的平稳输送。
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2.2 滑道约束输送链
滑道约束输送链与普通输送链相比较，在链节外圆增加了椭圆形内外约束滑道，链节以滑道为依托可以横向移动和沿自身中心（链节中心）一定范围的转动。如图 2-5 所示为滑道约束型输送链机构。的变化。链传动的这一运动特性称为多边形效应[2]。如图 2-1 所示的机构，由于链节节距和负载的重量较大，链轮的齿数较少，中心距较短，在输送过程中，在水平位置的链节不能保持和图 2 假设一样，始终处在水平位置（链轮以顺时针方向转动，链条上水平段为紧边）。由于链轮的转动，再加之链节和负载重力的作用，链条的紧边链节中心位置产生下移现象。下图 2-3、2-4 为在输送过程中链条的不同运动状态下，链条上水平段位置图。链传动多边形效应的存在。链节在链轮上运动时，链节中心连线在滑道上的截线长度，随着链轮的传动会发生伸长和压缩。但是，在一般链传动中都存在松边，多边形效应产生的问题都由松边来承担。对于链输送机，每个链节负载仓内都带有大质量的负载，其会对链节与链节之间产生很大的拉应力，所以不允许松边的存在[42]。因此本文提出了滑道约束链传动。滑道约束链传动可以达到如图 2-2 中假设一样（忽略链节自身的微小转动），链节运动的速度是由图 2-2 中 B 点来确定的。
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第三章 U 型滑道输送链的设计...... 17
3.1 设计要求 ........ 17
3.1.1 矩形空间内部尺寸约束条件........... 17
3.1.2U 型输送链轨迹的参数确定.... 19
3.2 销轴运动轨迹的设计 ...... 22
3.3U 型滑道的设计及建模 ..... 25
3.3.1 负载仓的中心轨迹........... 25
3.3.2U 型滑道的内外等距曲线理论.......... 29
3.4 U 型滑道输送机零件建模 .......... 30
3.5 本章小结 ........ 31
第四章基于拉格朗日的运动学分析.......... 32
4.1 动力学微分方程 .......... 32
4.2 系统固有频率的计算...... 41
4.3 动力学方程求解方法及 MATLAB 程序 ......... 41
4.4 动力学分析 ...... 44
4.5 本章小结 ........ 47
第五章 U 型滑道输送链的动力学仿真 ....... 48
5.1U 型滑道约束输送链的力特性分析 ........... 48
5.2U 型滑道约束输送链动力学建模 ..... 51
5.3 机构仿真结构及分析 ...... 53
第六章 U 型滑道的受力分析
6.1 ANSYS 软件介绍
ANSYS 软件是集合结构、流体、电场、声场分析与一体的大型通用有限元分析软件。可以用于对复杂产品结构的线型分析和非线性分析。提供了很多工程问题的一整套单元。
