摩擦阻尼型救赎缓降器动力学特性的仿真分析

摩擦阻尼型救赎缓降器动力学特性的仿真分析

1降器的工作原理救援器是一种高度飞行的设备。恒安电子机械公司的扩散器是一种摩擦和衰减，市场份额很大。缓冲区由齿轮调速器和安全绳组成。如图1所示,缓降器采用NGW型行星齿轮传动,即固定内齿圈,钢丝绳通过三个导向轮跨绕在绳轮的轮槽内,并将绳轮与行星架制成一体,内齿圈与外壳制成一体,摩擦面设在内齿圈上,两个摩擦块沿着太阳轮周向分布装在太阳轮上,使其同太阳轮一起旋转,并能在太阳轮上沿径向移动沿径向甩出,与制动盘发生旋转摩擦形成制动力,从而自动调节下降速度,实现匀速下降,保证人落地时无冲击感且工作过程无空程。该缓降器使用了纯裸钢丝绳。2建立虚拟模型并确定模拟参数2.1缓降器动力学建模UG/Motion运动机构模块提供机构设计、分析、仿真和文档生成功能,通过分析可得到系统的动力学特性,为设计和分析提供准确的数据。在UG分析模块中,Scenario模型是基于主模型在各种不同条件下对机构进行分析计算并且与主模型相关联的模型。Scenario模型由大量的机构对象组成,包括连杆、运动副、弹簧和力等。连杆是指机构中所有的运动零件。因为所有的运动零件必须和连杆相关,所以有一个连杆必须与地固定,不能移动。在本文中将主轴和内齿圈与地固定,建立了8个连杆。运动副可以手工建立也可利用主模型中定义的配对条件自动创建。根据建立的8个连杆的运动关系,建立了4个旋转副、2个滑动副和2个固定副。接触力和载荷利用UG中提供的各种工具和函数,根据缓降器的运动原理,分别施加各部件运动约束及运动控制,以模拟虚拟样机各连杆之间的相对运动以及力学关系。本研究主要是实现运动传递和齿轮之间的啮合计算,因此用接触力代替齿轮副来实现齿轮之间的运动和力的传递。利用UG/Motion模块建立了救生缓降器的虚拟样机,并对其进行了动力学分析,动力学仿真模型,如图2所示。计算简图,如图3所示。2.2小齿轮的等效降力计算渐开线齿轮啮合力仿真刚度系数与零件的材料和形状有关,是啮合力研究的关键,齿轮工作过程中齿廓啮合点的位置是变化的,由于各个啮合点的曲率半径随着节点啮合处的曲率半径上下波动,因此应以节点啮合处作为计算点,推导刚度系数计算公式。式中:K—刚度系数,N/mm1.5;ρ—综合曲率半径,mm;“+”—外啮合;“-”—内啮合;E*—综合弹性模量,MPa;ρ1、ρ2—节点处小、大齿轮齿廓的曲率半径,mm;α—分度圆压力角,°;α′—节圆压力角,mm;d1—小齿轮分度圆直径,mm;u—传动比;μ1—小齿轮的泊松比;μ2—大齿轮的泊松比;E1—小齿轮的弹性模量,MPa;E2—大齿轮的弹性模量,MPa。计算得内、外齿轮啮合力仿真刚度系数分别为4.15×105N/mm1.5,1.65×105N/mm1.5。绳轮上作用的转矩为主动力矩,由人的自重产生,施加在绳轮上的主动力矩和由调速器产生的摩擦阻力矩分别为:式中:T—施加在绳轮上的转矩,N/mm;G—人或物体所受的重力,N;D—绳轮的直径,mm;T′—达到平衡状态时,摩擦块与内齿圈之间的摩擦力产生的摩擦阻力矩,N/mm。人的体重为100kg,施加在绳轮上的主动力矩为T=GD/2=981×53/2=25996.5N/mm,摩擦阻力矩为T′=-5901.2N/mm。当人开始下降时,先做一段加速运动,这时绳轮转速逐渐增加,由机构传动原理得到摩擦块所产生的离心力也逐渐增加。为了施加摩擦块的等效离心力,需要计算摩擦块的质心坐标,其坐标可由式(4)确定:式中:A—摩擦块纵向截面面积,mm2;h—摩擦块厚度,mm。经计算得摩擦块质心坐标为。摩擦块转动时,其等效离心力大小为式中:m—摩擦块的质量,kg;ω—太阳轮的角速度,rad/s;—摩擦块的质心y坐标值,mm。3齿轮传动抗拉力测试动力学仿真分析是假定人为100kg。仿真时间为0.1s,步数为50,内外齿轮的接触刚度系数分别为4.15×105N/mm1.5,1.65×105N/mm1.5,静摩擦因数为0.5,动摩擦因数为0.4。如图4所示,由于行星齿轮传动系统最后达到平衡状态,并且在相同的静态负载作用下,因此从图中可以看到,每组齿轮啮合力都在同一值附近上下振荡。由于装配间隙、行星轮布置的对称性及行星轮和摩擦块所受重力的影响,齿轮啮合力振幅较大。由于重力的方向为-y方向,与轴线方向z轴垂直,并且两个行星轮做周期性旋转,因此两个行星轮与齿圈和太阳轮之间的啮合力均呈周期性变化,但是在同一时刻大小不同。3.1传动比的误差如图5所示,在人的重力作用下,绳轮和太阳轮角速度在很短的时间内迅速增加,达到平稳状态;绳轮和太阳轮的平均转速比为0.235,传动比误差为:满足行星齿轮传动系统的传动比要求;输出角速度有微小波动,波幅变化不大,并且当进入平稳传动阶段时,人或物体的平均下降速度为0.89m/s,标准规定下降速度在1.5m以内,满足设计要求。3.2波幅变化不如图6所示,输出角加速度与角速度同样有微小波动,波幅变化不大,这是由装配间隙和在负荷力作用下产生的冲击引起的,当角加速度减为零的时候,系统达到平稳状态,这时人就开始匀速下降26.0N/m。3.3摩擦阻力矩计算如图7所示,绳轮所受的主动力矩为一个恒量,由人或物体所受的重力产生,大小为26.0N/m。由式(5)可以看出摩擦块产生的离心力与太阳轮角速度的平方成正比,因此摩擦阻力矩同样与太阳轮角速度的平方成正比,其大小迅速增加。传动系统达到平衡状态时,摩擦阻力矩的平均值约为,这与理论计算结果相差不大。3.4等效力和接触力仿真分析得到的曲线基本反映了缓降器传动的动力特性,但存在着一定误差,产生误差的原因主要有:实际工作过程中存在的运动副摩擦、零件磨损及实际工作环境的影响,分析时未考虑在内;为了施加载荷简便,将摩擦块与内齿圈之间的摩擦力对传动机构的阻力作用,通过施加等效离心力和接触力来实现;将人或物体的重力对绳轮的驱动作用,用施加在绳轮旋转副上的驱动力矩代替。4仿真结果验证通过样机在20次不同载荷作用下的下降实验,得到下降速度随负荷力的增大而增大的规律曲线图,以此来分析缓降器结构设计和优化结果是否满足设计要求,同时验证基于虚拟样机的仿真分析是否准确。如表1所示,列出了其中9次实验与虚拟仿真结果的数据。如图8所示,随着负荷力的增加,人的下降速度也逐渐增加,实验结果与虚拟仿真结果曲线变化趋势基本一致,但是由于在进行虚拟仿真时,没有考虑运动副摩擦、零件磨损及实际工作环境的影响,并且是在理想条件下进行的,因此仿真速度要比实验速度偏大一点。5基于虚拟样机的仿真分析结果,仿真结果对于设计产品的动力特性具有一定的参考价值,有利于指导产品的设计由实验与虚拟仿真