一种离心开关装置的工作行为分析与研究.pdf

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第5期(总第186期)
机槭エ程与自动化
No 5
2014年10月
MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION
文章编号:1672-6413(2014)05-0069-03
种离心开关装置的工作行为分析与研究
杨胜林,张露2,杨涛',赵三星3
(1.林梟航天电机有限公司,贵州贵阳550008;2.中铁五局集团建筑公司,贵州贵阳550002;
3.武汉科技大学,湖北武汉430081)
摘要:针对用户的需求,设计了一种在规定转速范围内能实现开关触发的装置。根据其工作原理和设计参
数,按照机械动力学分析方法对所设计的产品进行仿真,研究转速变化与该装置执行端的输出位移关系。经
过试验验证,理论计算结果与仿真分析的结果和实际试验值误差在6.8%以内,由此可见可以通过仿真软件
DAMS对产品的设计参数进行优化以提高其性能
关键词:离心开关;动力学分析;设计参数
中图分类号:TM564
文献标识码
引言
2.1弹簧刚度及初始预应力
在伺服反馈系统中,输出响应往往需要被反馈到
弹簧的材料为钢丝,具体牌号为50CrVA,其弹性
输入中,然后对其输入参数进行校正,以保证最终的输模量E=2.1×102Pa,泊松比x=0.3;顶杆弹簧的中
出响应具有平稳且精度高的优点。根据用户需求,拟径D1=5.6mm,钢丝直径d1=1,2mm,有效圈数
实现在规定转速范围内对开关进行触发后启动下一指N1=10,自由长度1=21mm,两端并圈n=3/4圈,
令的反馈功能,其实质为输入转速与开关触点的输出导程为2.1mm,装配后长度4o=16.8mm;尾部芯轴
位移之间的关系。因此可通过回转体与执行器之间的弹簧的中径D2=4.7mm,钢丝直径d2=0.6mm,有
滑动摩擦、回转体与离心块之间的离心推力等方式实效圈数N2=5,自由长度2=9m,两端并圈72=3/4
现此功能,据此分析设计了一款产品,采用离心推力的圈,装配后长度20=6mm。
方式实现开关触发,根据其工作原理建立相应的数学
(1)由弹性模量E与切变模量G之间的关系可
及仿真模型,研究不同转速下离心开关的触发情况。
1离心开关装置的工作原理
2(1+
8×10-0P
开关装置主要包括机架、回转齿轮组件、离心块、
(2)顶杅弹簣的刚度K1为:
离心块回转轴、顶杆、顶杄弹簧、尾部芯轴、尾部芯轴弹
簧和尾部紧固组件等。其工作过程如下:外部输入与
K1=、Cd
8N, D
=12N?mm
2)
齿轮组件啮合,将外部转速直接传递给齿轮组件,齿轮
其初始压缩长度L1为
组件的高速回转带动离心块沿其轴线回转运动。而离
L1=l1-2n:d1-l1o=2.4mm
(3)
心块所产生的离心力推动顶杆直线运动,使顶杆克服
其初始预紧力F1为:
弹簧的弹簧力再推动尾部芯轴直线运动,最终作用在
F1=K1L1=28.8N
(4)
微动开关的触点上,实现对开关工作状态的控制,该装
(3)尾部芯轴弹簧的刚度K2为
置的整体几何模型及部分关键件如图1~图3所示
2.6N·mm
(5)
2离心开关装置的理论计算
28N2D2
国家自然科学基金资助项目(10972165);湖北省教育厅重点资助项目(D20081104)
收稿日期:2014-02-19;修回日期:2014-03-2
作者简介:杨胜林(1985-),男,贵州铜仁人,助理工程师,硕士,从事机械结构设计与数值模拟分析。
?70?
机械工程与自动化
2014年第5期
其初始压缩长度L2为:
动作完毕时的弹簧力F12。尾部芯轴对顶杆的反作用
L2=l2-2n2d2-l20=2.1mm
(6)力与尾部芯轴输入端承受的载荷大小相等,顶杆弹簧
其初始预紧力F2为:
力按从初始位置运动的最大位移来计算。考虑其顶杆
F2=K2L2=5.46N
(7)的最大直线位移l为1.5mm,根据顶杆受力平衡原
理计算顶杆弹簧力:
F12=K141=18N,
(10)
工作时,顶杆输入端与离心块回转运动存在冲击
滑移作用,其工作状况跟平面摩擦滑移接近,磨损严
重;而顶杆杆身圆周面与齿轮组件的面接触等效于滑
(a)剖视图
(b)外形图
动轴承,该处的总效率为0.74,则考虑效率后:
图1离心开关装置整体剖视图与整体外形图
F1+F12+F
=83.05N,
(11)
其中:F1为顶杆输入端承受的载荷。
2.2.3离心块承载能力分析
离心块质心到轴孔轴线距离为2mm,材质为铜,
质量为1.55g。该装置工作时其离心力F的大小等
于顶杆输入端承受的载荷值,即为83.05N。该处只
图2齿轮组件与离心块组件
存在离心块沿离心块回转轴的回转运动,该配合为间
隙配合,效率按照0.97计算;离心块两端与回转轴产
生滑动摩擦,其效率约为0.95,总效率为0.88。按照
离心力公式计算齿轮转速
F
=4159rad/s
(12)
其中:F为离心力,N;m为单个离心块的质量,kg;r为
离心块回转半径,m;a为齿轮的转速,rad/s;n为总效
图3离心块外形图
率
2.2动力学传递过程理论计算
通过理论计算,齿轮的转速应不小于4159rad/
2.2.1尾部芯轴承载情况分析
(即39716r/min)时才能触发开关工作。该产品经试
触发开关完成状态改变时,尾部芯轴受到3个力,验考核后转速在41085r/min~42600r/min之间。
分别为尾部芯轴弹簧力Fa、尾部芯轴弹簧初始预紧与理论计算值相比,误差为3.3%~6.8%,该产品的
カF2以及大小为3N的微动开关触发力F?尾部理论计算与试验结果相符合,说明其理论推导具有实
芯轴弹簧力通过从初始位置运动至尾部芯轴的最大位
际的指导意义。
移来计算。而尾部芯轴的最大直线位移2为1.22.3产品试验数据
mm,则尾部芯轴弹簧力为:
对5台该产品进行试验考核后,其开关触发时的
F2=K2X2=3.12N
(8)
齿轮转速如表1所示。
工作时,该轴的输入端与顶杆输出存在一个严重
表1开关触发时齿轮转速试验记录表
磨损的高速回转摩擦作用;尾部芯轴与尾部紧固组件
产品
开关被触发时的齿轮转速(r/min)
滑动接触,该处的总效率为0.79,则有
编号」第1次试验第2次试验第3次试验第4次试验第5次试验
2=+F2+Fa=14.6N
42500
41325
42253
41580
41800
(9)
41400
41085
42400
41500
41400
42600
12000
41800
41700
41085
其中:F2为尾部芯轴输入端承受的载荷。
42500
12500
42000
41085
41400