浅谈林用单轨运输系统轨道啮合机构的优化设计

运动学和动力学性能 ， 在保证各种性能满足设计 要求的前 提下 ， 优化各个设 计参数 ， 以达到性能 最优或者成本最低。对单轨运输系统 的轨道啮合 机构进行优化设计 ， 首先应对其动力学特性进行 分析 ，因为它采用 的是销轮与齿条的传动系统 ， 其接触形式与普通的齿轮齿条机构不同。 １ 建 立数 学模 型 ． ３ 建立数学模型就是将实 际中的设计 问题转 化为数学方程的形式 ，建立正 确的优化数学模 型， 是解决机械优化设计 的关键 ， 主要包括确定 设计变量、 构造 目 函数、 标 确定约束条件 。 确定设计变量就是确定要优化 哪些设计 参 数， 一般选取对性能和结构影响较大的参数作 为 设计变量 ， 对设计 目标影响较小的某些参数甚至 可以不予考虑 ， 在保证优化效果 的前提下 ， 应使
第 ５期
河 北林 业科技
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浅谈林用 单轨运输 系统轨道 啮合机构 的优化设计
丁 文， 霍光青
（ 北京林业大学工学 院 ， 北京 １０ ８ ） ０ ０ ３
摘要 ： 为了提高林用单轨运输系统运行的平稳性和安全性， 提出了对轨道啮合机构进行优化设计的必要性， 阐述了
林用单 轨运输系统轨道啮合机构优化设计 的基本思路。
优化方法进行求解 、 输出结果几个步骤。
１ ． 确定优 化 目标 ２
确定优化 目标就是通过分析机械零部件 的
收稿 日期 ：０ １ ０ — ６ ２ １－ ７ １ 基金项 目： 国家林业公益性行业科研专项 （ｏ ８ ４ ２ ） ２ ｏ０ Ｏ ９
一
积最小、 传递功率最大 、 振动加速度最小 、 齿面接 触应力最小 、 齿条齿根弯曲应力最小等。 约束条件是指对设计变量取值 时的限制条 件， 这些 限制用 函数的形式反映在模 型中 ， 就称 为设计变量的约束条件。选择约束条件是优化设 计的重点和难点 ， 约束条件选择不当或约束条件
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选择不全 ， 会造成设计 的失败。销轮与齿条 啮合 机构的优化设计约束条件应该结合优化 目标 、 结 构尺寸、 加工要求 、 传动稳定性 、 强度等综合 因素 来确定。
１ ． 选择 优化 方 法 ４
中力等效地转移到节点上 ， 也就是用等效的节点 力来代替所有作用在单元上的力 。 （） ３单元集成。把建立的单元刚度方程集成 起来 ， 形成结构整体 刚度方程 ， 称为有限元位移 法 基本 方程 。 （） １ ４ ｉ 人约束条件 ， ３ 选用现代数学方法进行 运算求解 ， 得出节点位移。 （） ５ 由节点位移计算单元的应力与应变。 ２ 有限元分析软件 ． ３ Ａ Ｓ Ｓ软件是一款通用有限元分析软件 ， ＮＹ 其 强大的建模 、 网格划分和分析功能极大地方便 了
圆柱销制造成本较低。 销轮与齿条啮合机构作为单轨运输 系统 的 重要组成部分 ， 直接关系着单轨车运行的平稳性 数学模型尽可能简单。销轮与齿条优化设计的设 能和安全性能 ， 因此对其进行有 限元分析和优化 计变量可以是 ： 销轮销齿的齿数、 直径 ， 齿条 的模 设 计 是非 常必要 的 。 数、 齿宽 、 以及齿根圆角半径等参数。 １ 优 化设计 目标 函数就是评价设计方案优劣的标准 ， 例 １１ 机械 优化 设计 概 述 ． 如： 效率最高 、 可靠 性最好 等性能指标 ； 质量最 机械优化设计 就是通过对机 械零部 件的优 轻 、 体积最小等结构指标 以及成本最低 、 生产率 化设计 ， 确定它们的最佳参数及结构 尺寸 ， 从而 最高等经济指标等。这些设计指标表示成为设计 提高各种机械产 品的设计水平 ， 是保证机械零部 变量的函数 ， 称为 目 函数。优化设计就是优选 标 件具有 优 良性能 ， 减轻 自重和体积 ， 降低工程造 设计变量使 目标 函数达到最优值 ， 或找出 目 函 标 价 的一种有效的设计方法 。 机械零部件的优化设 数的最小值（ 或最大值） 。销轮与齿条 的传动可建 计一般包括 ： 确定优化 目标 、 建立数学模型 、 选择 立多种 目标 函数 ， 如传动 系统质量最轻 、 外廓体
用户对产品进行分析 ， Ｎ Ｙ 软件把有限元数值 Ａ ＳＳ 分析技术 和 Ｃ Ｄ Ｃ Ｅ及 Ｃ Ｍ 等图像处理技术 Ａ 、Ａ Ａ 有机地结合在一起 ，发展 多种与 Ｃ Ｄ软件 的接 Ａ 口， 用户可以用专门的 Ｃ Ｄ软件建立分析模型 ， Ａ 然后利用这些接 口将模型导人 Ａ Ｓ Ｓ中进行 分 ＮＹ 析。对一般机械结构进行有 限元分析 ， 要经过载 荷分析 、 立模型 、 建 确定 边界条件 、 输人材料 特 性、 有限元计算等几个主要环节。 Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ 软件 中的结构分析包括结构静力分 析、 结构动力分析、 显式动力分析 、 结构屈 曲分析 等。Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 程序中的结构静力分析 ， 用来求解外 部载 荷 引起 的位 移应 力 和力 ，因此 ，可 采用 Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ 软件建立有 限元模型并对销轮齿条 啮合 接触时销轮和齿条的应力分布隋况进行分析 。
关 键词 ： 啮合机构； 优化设计； 有限 ７０
文 献标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：０２３５（０１０－０５０ １０—３６２１）５０６—２
林用单轨运输 系统用 于解决林业或农业 经 营过程中对农林产品、 肥料或者工具等的运输问 题 。其优点是 ： 轨道容易架设 ， 大约离地 ０ ｍ高 ， ． ５ 占地面积小 ， 危险性小 ； 根据地势上下 、 右都能 左 倾斜 ，能随时改变线路方 向和开辟新 的线路 ， 最 大坡度可达 ４。特别适合山地条件。 ５， 因为爬坡 角度较大 ， 以林用单轨运输 系统 所 采用 了销轮与齿条啮合的传动机构。销轮安装在 变速器的输 出轴上 ， 通过变速器驱动 ； 齿条通过 点焊方式焊接在轨道下边。销轮和齿条为开式传 动 ， 运行 中齿条磨损较小 ， 在 而销 轮的圆柱销在 单轨车运行 １ 圈后就要多次与齿条啮合 ， 磨损较 大 ， 圆柱销在磨损后可 以很方便地更换 ， 但 而且