非接触式对数螺旋线型面楔块逆止器

  逆止器常用于上运式带式输送机中，其作用是当设备出现异常反转时可以迅速而有效地阻止设备正常运行，防止飞车、滑料等事故[1]，从而保障人员和设备的安全。楔块式逆止器因体积较小，工作可靠，动作灵敏，目前成为逆止器的主流 [2]。楔块式逆止器最重要的包含接触式和非接触式两大类，目前使用的非接触式逆止器中，偏心圆弧线型面楔块逆止器占主导地位。但其缺点是楔块与内、外圈间受力不均，装置逆止过程工作不平稳，会极度影响逆止器的工作性能和使用寿命。

  文献[3] 首次提出并研究了接触式对数螺旋线型面的楔块逆止器，本文将现有非接触式逆止器楔块的型面曲线由偏心圆弧线改为对数螺旋线，建立非接触式对数螺旋线型面楔块逆止器模型，对逆止过程进行动态仿线 非接触式逆止器的结构及工作原理1.1 结构如图1 所示，非接触式逆止器主要由内圈、外圈、楔块、挡销、弹簧、防转销和保持架等组成[4]。其中内圈与减速器高速轴连接，通过键传递转矩。外圈与逆止臂相连，逆止臂通过防转销与基础相连，以限制外圈的旋转[5]。保持架安装在内外圈之间，与内圈相接触。楔块为偏心，其端部轴颈安装在保持架上，并安装有复位弹簧，以提供楔块与内外圈间的初始接触力。

  对数螺旋线上任意一点的极径与该点切线方向的夹角均为一定值，记为φ 角，结构如图3 所示。图3 对数螺旋线结构对数螺旋线的方程为

  >

  式中： ρ 为极径； 0 ρ 为初始极径；θ 为极角； k为渐开线系数，k = cotφ 。

  2.3 对数螺旋线 楔块受力分析以NF100 偏心圆弧线型面楔块逆止器结构参数为例逆止器进入逆止状态后，楔块的受力如图4 所示。当内圈受到逆止力矩M 作用时，楔块在接触点A 受到内圈施加的法向力F nA 和切向力F tA，在接触点B 受到外圈施加的法向力F nB 和切向力F tB。当逆止器达到逆止状态时，转矩平衡需要满足以下条件，即

  建立几何关系：β =α +ω ，取β = 6.5，那就能得到φ 2=83.5°、α =1.89°、ω =4.61 °、φ 1=85.39 °。由于楔角α 很小，可以取

  16.325）、B（94.61°，16.325），将其代入式（7）、式（8）中，最终得到的上、下对数螺旋线方程分别为

  在SolidWorks 的Motion 模块中，在2 个保持架添加从0 增至41.89 rad/s（最低临界转速400 r/min）的旋转马达，在楔块两侧轴端添加从5 N·mm 增至70 N·mm的初始转矩以代替弹簧力给楔块提供的力矩，时间定为1 s。随着保持架的旋转，各楔块也绕其自身轴线偏转，偏转角度随内圈转速的增加而增大，最终达到与内、外圈接触面完全脱离的状态，实现自由旋转。

  4 逆止器逆止过程的动态仿线 有限元模型的建立将逆止器模型导入Ansys/LS-DYNA 中进行动力学分析。逆止器的内、外圈采用双线性等向硬化材料，楔块采用双线性随动硬化材料，保持架为刚体，以减少计算时间。结构较简单的内圈、外圈和保持架采用六面体扫略划分网格，楔块则采用四面体自由划分网格，以防止产生沙漏[10]。通过模型的PART 号将接触方式全部定义为面—面接触；逆止器的外圈周面施加全约束，内圈和保持架只能绕Z 轴转动；为便于施加载荷，将内圈的键槽改为4 个，在键槽上施加10 000 N·m 的逆止力矩，每个楔块上的弹簧力设定为15 N。

  4.2 楔块与内、外圈的接触力在逆止过程的初始阶段（0 ～ 0.001s）对数螺旋线型面楔块与内、外圈的接触力很小。在逆止过程的中间阶段（0.001 ～ 0.003 s）楔块与内、外圈的接触力变化幅度逐渐增大，在0.0 026 s 左右达到最大，楔块与内圈的最大接触力为316 400 N，与外圈的最大接触力为291 900N；在逆止过程的最后阶段（0.003 ～ 0.01 s）楔块与内、外圈的接触力变化幅度很小，说明此时装置进入稳定逆止状态。选取逆止过程的最后时刻（t =0.01 s），对数螺旋线型面楔块与内圈的接触力最大值为63 370 N，最小值为0，平均值为18 826 N，最大值与平均值相差44 544N，最小值与平均值相差18 826 N，最大值与最小值相差63 370 N。楔块与外圈的接触力最大值为89 208 N，最小值为5 806 N，平均值为44 211 N，最大值与平均值相差44 997 N，最小值与平均值相差38 405 N，最大值与最小值相差83 402 N。

  在基本参数相同的情况下，建立偏心圆弧线）的仿真模型，对其逆止过程进行动态模拟，得到偏心圆弧线型面楔块与内、外圈的接触力变化曲线。在逆止过程的初始阶段（0 ～ 0.001 s）偏心圆弧线型面楔块与内、外圈的接触力不大。逆止过程的中间阶段（0.001 ～ 0.003 6 s）楔块与内、外圈的接触力变化幅度迅速增大，在0.002 8 s 左右达到最大，楔块与内圈的最大接触力为412 700 N，与外圈的最大接触力为395 400 N；在逆止过程的最后阶段（0.003 6 ～ 0.01 s）楔块与内、外圈的接触力虽然仍在变化，但波动幅度不大，说明此时装置进入稳定逆止状态。

  同样选取逆止过程的最后时刻（t = 0.01 s），偏心圆弧线型面楔块与内圈的接触力最大值为294 258 N，最小值为0，平均值为40 830 N，最大值与平均值相差253 428 N，最小值与平均值相差40 830 N，最大值与最小值相差294 258 N。楔块与外圈的接触力最大值为294823 N，最小值为7 685 N，平均值为70 288 N，最大值与平均值相差224 535 N，最小值与平均值相差62 603N，最大值与最小值相差287 138 N。在整个逆止过程中，相比于偏心圆弧线型面楔块，对数螺旋线型面楔块与逆止器内圈的最大接触力值下降了23.3%，与外圈的最大接触力值下降了26.2%。在逆止过程的最后时刻，相比于偏心圆弧线型面楔块，对数螺旋线型面楔块与逆止器内圈的接触力平均值下降了53.9%，与外圈的接触力平均值下降了37.1%，且此时对数螺旋线型面楔块与内、外圈的接触力最大值、最小值与平均值的相差程度，以及最大值与最小值的相差程度均要小于偏心圆弧线型面楔块。根据结果得出，在逆止器的逆止过程中，对数螺旋线型面各楔块与内、外圈的接触力更小，且受力均匀性也要优于偏心圆弧线型面楔块，这对提高逆止器的工作稳定性，延长其常规使用的寿命起到了非消极作用。