河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 劉曉霞 魚鵬飛 武照云 阮競蘭

引言

稻米是我國居民的傳統(tǒng)主糧之一，稻谷加工業(yè)是影響國計民生的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。在稻谷加工過程中，膠輥礱谷機是關(guān)鍵的主機設(shè)備之一，主要完成稻谷顆粒的脫殼工藝，其工作效率與工藝效果對稻谷加工工藝流程與成品米的質(zhì)量具有重要影響，因此膠輥礱谷機在稻谷加工裝備中占有非常重要的地位[2]。然而，我國膠輥礱谷機長期存在著工作可靠性差、單機產(chǎn)量小、加工能耗高、自動化程度低等問題，其中，設(shè)備可靠性差的問題最為突出，嚴(yán)重制約了我國稻谷加工行業(yè)的發(fā)展。因此提高膠輥礱谷機的工作可靠性與穩(wěn)定性，延長使用壽命，降低運行維護成本已經(jīng)勢在必行。

在膠輥礱谷機中，活動輥裝置是最為關(guān)鍵的部件，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形和疲勞破壞。如果設(shè)計不當(dāng)，將導(dǎo)致設(shè)備故障率增加，嚴(yán)重影響稻谷脫殼的加工效率與工藝效果[3]。基于此，本文以MLGQ51B 氣動膠輥礱谷機為對象，通過ANSYS/PDS 分析模塊，對膠輥礱谷機活動輥裝置的可靠度進行分析與計算。

1 膠輥礱谷機活動輥裝置建模

膠輥礱谷機的脫殼是基于差速傳動原理，將兩個輥筒以不同方向和不同轉(zhuǎn)速進行運轉(zhuǎn)，通過兩輥之間對稻谷顆粒產(chǎn)生的擠壓和摩擦作用，達到稻谷脫殼的目的[4]。作為主要工作部件的兩個橡膠輥，其中一個位置固定，稱為固定輥；另一個可以根據(jù)需要對其位置進行調(diào)整，稱為活動輥。MLGQ51B 氣動膠輥礱谷機活動輥裝置主要由活動輥、連桿、氣缸等部件組成。該活動輥裝置的工作原理為：通過氣缸活塞桿的伸縮來帶動連桿的擺動，連桿通過軸承與膠輥傳動軸相連，從而實現(xiàn)膠輥的位置移動以及輥間間隙的調(diào)節(jié)。為了便于力學(xué)分析與可靠性計算，運用Creo平臺對膠輥礱谷機活動輥裝置進行三維結(jié)構(gòu)建模，如圖1 所示。

圖1 礱谷機活動輥裝置模型

2 膠輥礱谷機活動輥裝置的可靠性分析

2.1 基于ANSYS 的結(jié)構(gòu)可靠性分析方法

ANSYS 作為功能強大的有限元分析軟件，逐漸被廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域。在ANSYS 軟件的PDS（Probabilistic Design System）模塊中，可以基于概率設(shè)計方法對輸入?yún)?shù)的不確定性和系統(tǒng)輸出特性之間的關(guān)系進行評估，進而實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的可靠性分析與設(shè)計[5-6]。利用ANSYS/PDS 模塊進行結(jié)構(gòu)可靠性分析時，通常采用APDL 語言編制命令流的方式對結(jié)構(gòu)分析文件進行編寫，并選擇Monte Carlo 模擬法或響應(yīng)面法進行可靠性分析。

基于此，膠輥礱谷機活動輥裝置的可靠性分析過程主要包括：對輸入?yún)?shù)、分布狀態(tài)和輸出參數(shù)進行定義；選擇可靠性分析的計算方法，設(shè)定仿真實驗次數(shù)并建立運算宏文件；進入ANSYS 的PDS 模塊，讀入可靠性分析仿真循環(huán)文件；在ANSYS 中完成可靠性分析計算，查看實驗結(jié)果并分析。

2.2 基于Monte Carlo 的活動輥裝置可靠度計算

本文選取強度失效和剛度失效作為膠輥礱谷機活動輥裝置的失效模式，失效準(zhǔn)則分別為σmax<[σ]、Umax<[U]，其中σmax和Umax分別為裝置各零件所產(chǎn)生的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變，[σ]和[U]分別為許用應(yīng)力和許用應(yīng)變。根據(jù)應(yīng)力——強度干涉模型，定義極限狀態(tài)方程為Zs=[σ]-σmaxi(i=1,2,3,4)和ZU=[U]-Umaxi(i=1,2,3,4)。當(dāng)Zs<0 時，零件發(fā)生強度失效，所以強度可靠度為Zs>0 事件發(fā)生的概率；當(dāng)ZU<0 時，零件發(fā)生剛度失效，所以剛度可靠度為ZU>0 事件發(fā)生的概率。

根據(jù)礱谷機活動輥裝置的實際工作狀況，確定了隨機變量及分布特征參數(shù)。采用Monte Carlo 法中的拉丁超立方法進行概率設(shè)計，設(shè)定模擬次數(shù)為1000 次，對活動輥裝置進行可靠性分析，可以得到各部件的響應(yīng)函數(shù)分布直方圖，其中傳動軸的響應(yīng)函數(shù)分布直方圖如圖2 所示。

圖2 傳動軸響應(yīng)函數(shù)分布直方圖

由于各響應(yīng)函數(shù)都符合正態(tài)分布，所以可以根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)關(guān)系式計算出各部件的可靠性指標(biāo)，并從仿真結(jié)果中得到對應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。在強度和剛度失效模式下，礱谷機活動輥裝置各部件的可靠度計算結(jié)果如表1~表2 所示。

表1 活動輥裝置各部件強度可靠度計算結(jié)果

表2 活動輥裝置各部件剛度可靠度計算結(jié)果

通過可靠性分析結(jié)果可以看出，傳動軸和連桿的強度可靠度較低，容易出現(xiàn)失效問題；輥筒和氣缸的強度可靠度較高，相對安全可靠；所有部件的剛度可靠性都較高，可以滿足要求。因此，提高傳動軸和連桿的強度可靠性是改善膠輥礱谷機活動輥裝置整體可靠性的關(guān)鍵所在。

3 結(jié)論

本文針對膠輥礱谷機活動輥裝置的可靠性分析問題，通過Creo 平臺建立了活動輥裝置的三維模型，基于ANSYS/PDS 模塊對活動輥裝置各部件進行強度與剛度可靠性分析。基于傳動軸、膠輥與連桿的響應(yīng)函數(shù)分布直方圖，計算出各部件的可靠性指標(biāo)。通過對各部件可靠度結(jié)果的分析，找到改善膠輥礱谷機活動輥裝置整體可靠性的關(guān)鍵之處。本文的研究工作為膠輥礱谷機活動輥裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了設(shè)計依據(jù)。