基于ADAMS的玻璃传送机稳定性分析
时间：2023-02-19 22:00:05 来源：千叶帆 本文已影响人
许 博 程小明 王永涛 何 涛
（1.安徽理工大学 机械工程学院，淮南 232001；
2.安徽贝可科技有限公司，淮南 232000）
触屏盖板玻璃在高端液晶电视、手机等电子产品中应用广泛。作为液晶面板的必备组件，它是电子交互系统的核心组成部分之一。我国液晶面板产能约占全球总产量的23.7%，在整个液晶面板产业链中具有举足轻重的地位[1-2]。触屏盖板玻璃较薄，且对表面光洁度要求极高。在不同的生产工序中转移时，需要保证触屏盖板玻璃的完整性和传送的高效率，确保液晶面板的安全生产[3-5]。本文设计了一款玻璃传送机，为验证玻璃传送机结构的稳定性，基于机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）有限元软件模拟仿真玻璃传送机转动过程中柔性体振动变形的影响，为玻璃传送机的结构优化提供了重要支持。
1.1 玻璃传送机结构设计
玻璃传送机装置主要由轴支座、锁紧块、六角轮、玻璃板、梯形槽、支撑条、皮带、固定板、六角轴以及带轮等组成，如图1所示。轴支座安装固定在底架上，用于支撑六角轴等。六角轮串于六角轴。锁紧块用于锁紧固定板，并与六角轮一同完成固定板的支撑与固定。支撑条安装于固定板两侧，梯形槽置在固定板上，两者共同确保玻璃板的滑动，以防脱落。带轮在电机的驱动下带动皮带转动，推动玻璃板朝固定方向滑动。
图1 玻璃运输机
1.2 刚柔耦合动力学分析
建立带模型运动假设，将皮带划分为若干单元进行求解，其中各单元参数刚度为Ki，阻尼为ci，质量为mi，运行阻力为fi。若某个单元位移为ui，根据力的平衡方程，使用SolidWorks软件可以得到皮带各单元的力学模型[6-7]，如图2所示。
图2 带力学模型
以图3传送机皮带传送为例，皮带全长为L，将皮带均匀划分为7段，承载玻璃板划分为一段，从右侧起始点开始按顺时针编号。
图3 传送带力学模型
皮带传送动力学方程为
式中：ci、τ分别为各单元的等效阻尼系数、流变常数；
ki、Ei、B、Li、fd分别为各单元的等效刚度、等效弹性模量、带宽、皮带划分长度、运行阻力、驱动扭矩；
ui、vi、ai分别为各单元的位移、速度、加速度[8]。考虑运转过程中固定板与六角滑轮的摩擦影响，需计算克服摩擦的驱动扭矩fb。
驱动扭矩fb=μmagr，其中μ为摩擦因素，ma为六角轮的负载质量，r为驱动轮半径，g为重力加速度。因此，玻璃传送机的总力矩f=fb+fd。
1.3 关键部件的柔性化处理
将整机模型导入ADAMS，结合传送机结构特点和运行过程中的振动，需要考虑固定板的变形。在整机刚体动力学模型中将固定板柔性化处理，如图4所示，并输出为.mnf格式[9]。
图4 固定板柔性化
将柔性化部件替换为整机模型中的刚性部件，完成替换后如图5所示。设置重力加速度为9.8 m·s-2， 接触面的刚度系数为3×108N·m-1，阻尼系数为 1 000 N·m-1·s，动摩擦系数为0.1，静摩擦系数为0.3，并添加装配约束如表1所示。
图5 玻璃传送机刚柔耦合模型
表1 约束施加
2.1 固定板变形受力分析
利用ADAMS有限元软件对玻璃传送机运动过程进行仿真计算，仿真时间为5 s，分析柔性化处理的固定板的变形剧烈程度。它的质心点角动量曲线，如图6所示。
由图6可知，在玻璃传送机运行的第1 s，固定板的质心有了一个很高的波动，最大角动量为0.562 N·mm2。
但是，在其变形后，质心的角动量未发生较大波动，表明固定板在高速运转过程中未有太大的变形趋势。
图6 固定板角动量曲线图
由图7可知，玻璃传送机在运转过程中，质心点位置在很短时间内受到了较大的变形挤压，并在很短时间内衰落稳定在15 N。传送机在启动时有一个较大的启动加速度，但在皮带转动速度趋向于匀速运动时，玻璃传送机固定板的变形挤压同时趋向于稳定。
图7 固定板受力曲线图
2.2 六角轮角速度与角加速度分析
由图8可知，在给带轮添加初始驱动后，六角轮在六角轴的带动下随着带轮一起转动，其加速度在短暂的波动后到达峰值点并迅速降低。后续转动中，角加速度虽然有波动，但趋近于稳定。由图9可知，六角线轮的角速度在启动时快速上升，但又在0.3 S时降为零，而后又迅速升高，并在2.5 s后稳定。由此可以得出结论，固定板的振动变形对六角轮的转动有影响，但是不会对玻璃传送机的运转造成太大影响。
图8 六角轮角加速度曲线
图9 六角线轮角速度曲线
由图10和图11可知，随着驱动扭矩的增加，六角轮与固定板之间的振动产生的碰撞不断延迟。驱动扭矩为50 N·m，初次碰撞时间为0.35 S。驱动扭矩为70 N·m时，初次碰撞时间为0.42 S，首次碰撞时间延长了0.07 S。驱动扭矩为50 N·m时，前2 S因振动产生的碰撞次数较少；
在2～4 S时，碰撞次数较为频繁；
4 S后，趋向于平稳。当驱动扭矩为70 N·m时，在0～1 S和2～3 S时，碰撞次数较多，碰撞频繁；
4 S之后，碰撞次数减少，且增大驱动时碰撞力最大幅值并未改变。
图10 扭矩为50 N·m刚度系数3×107 N·m-1碰撞力曲线
图11 扭矩为70 N·m，刚度系数3×107 N·m-1碰撞力曲线
由图12可知，当驱动扭矩相同时，刚度系数越大，产生的碰撞力越大。前3 s的碰撞次数较少，碰撞较为分散；
3 s之后，碰撞较为频繁。可见，扭矩的增大不会影响碰撞力大小，但会延长初次碰撞的时间，并会造成碰撞集中。相同条件下，虽然刚度系数的增加会强化因振动产生的碰撞力，但会减少碰撞次数且使其更为分散。
在传送传送过程中，玻璃传送机的柔性部件虽然会因振动产生变形，但是会在短暂的波动后稳定，不会对传送过程造成太大影响，验证了其结构的合理性。此外，玻璃传送机的输出扭矩越大，初次碰撞时间越延后，碰撞次数越集中，传送稳定时间越提前；
玻璃传送机接触面的刚度系数越大，产生的碰撞力越大，碰撞次数越分散。
