王　偉，劉　飛，麻　乾，趙滿全

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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9R-40型揉碎機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析—基于ANSYS Workbench

王偉，劉飛，麻乾，趙滿全

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：錘片式揉碎機(jī)作為一種重要的秸稈飼料加工機(jī)械而被廣泛地應(yīng)用在飼料生產(chǎn)作業(yè)中。為此，基于有限元軟件ANSYS Workbench ，對(duì)揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)殼進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析。靜力學(xué)分析結(jié)果表明：揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的危險(xiǎn)截面主要集中在主軸鍵槽和軸承頸附近，且最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。模態(tài)分析結(jié)果表明：由于轉(zhuǎn)子正常工作時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于軸正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速，不會(huì)引起共振，符合設(shè)計(jì)要求。機(jī)殼的模態(tài)分析可確定其模態(tài)頻率范圍，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)避免外界激振頻率與固有頻率接近。通過ANSYS Workbench對(duì)揉碎機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，為揉碎機(jī)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：揉碎機(jī)；轉(zhuǎn)子；ANSYS Workbench軟件；有限元

0引言

近幾年，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，秸稈的飼料價(jià)值也越來越引起人們的重視[1]。錘片式揉碎機(jī)是一種新型的秸稈飼料加工機(jī)械，具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，因而在飼料生產(chǎn)加工領(lǐng)域得到大范圍的推廣。

9R-40型揉碎機(jī)在正常工作時(shí)，揉碎效果和安全性能很大程度上取決于它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性[2]。轉(zhuǎn)子作為揉碎機(jī)主要的工作部件，同時(shí)承受電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩和物料反作用力，因此在剛度、強(qiáng)度等方面都有很高的要求。機(jī)殼作為揉碎機(jī)的支撐部件，在振動(dòng)作用下易產(chǎn)生疲勞破壞，需要通過避免共振提高揉碎作業(yè)質(zhì)量[3]。為此，基于有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)刀軸和機(jī)殼進(jìn)行了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)分析，以驗(yàn)證整機(jī)的安全性能。

1工作原理和技術(shù)參數(shù)[4]

1.1　工作原理

9R-40型揉碎機(jī)主要由機(jī)架、上機(jī)殼、下機(jī)殼及轉(zhuǎn)子等部件組成，如圖1所示。工作時(shí)，在軸向氣流和旋轉(zhuǎn)錘片的作用下，從喂料槽垂直喂入的秸稈運(yùn)動(dòng)方向立刻變?yōu)槠叫休S向，且被錘片打成短段狀。由于離心慣性段狀秸稈被甩到機(jī)殼內(nèi)壁，在螺旋氣流和機(jī)殼內(nèi)的齒條的共同作用下，秸稈被揉碎成細(xì)絲狀且軸向運(yùn)動(dòng)，最后被拋送葉片和氣流送出拋機(jī)外。

1.機(jī)架　2.下機(jī)殼　3.轉(zhuǎn)子　4.上機(jī)殼

1.2　技術(shù)參數(shù)

9R-40型揉碎機(jī)性能參數(shù)：

配套動(dòng)力/kW：7.5

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速/r·min-1：2 700~3 000

生產(chǎn)率/t·h-1：1

適應(yīng)物料：農(nóng)作物秸稈、細(xì)小樹枝條

2轉(zhuǎn)子的有限元分析

2.1模型建立及網(wǎng)格劃分

本文基于Pro/E建立轉(zhuǎn)子三維模型，將模型合理地簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ANSYS Workbench相應(yīng)模塊中[5]，如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)子的三維模型

本文使用自由化分網(wǎng)格方法對(duì)轉(zhuǎn)子模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成后用 element quality準(zhǔn)則檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量，檢查結(jié)果顯示網(wǎng)格質(zhì)量良好[6]。網(wǎng)格模型包括92 111個(gè)節(jié)點(diǎn)，52 403個(gè)單元，得到的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)子的網(wǎng)格模型

2.2　材料屬性及邊界條件

轉(zhuǎn)子材料是45鋼，該材料基本屬性為：密度7 800kg/m3,泊松比為0.28，彈性模量 210GPa[7]。

針對(duì)9R-40型揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)約束包括：①右滾動(dòng)軸承處，在軸頸和軸肩處施加UX、UY、UZ 3個(gè)方向上的移動(dòng)約束。②在左滾動(dòng)軸承軸頸和軸肩處施加UX、UZ兩個(gè)方向上的移動(dòng)約束；施加的載荷包括給軸整體施加重力加速度，大小為9.800 6m/s2；該軸傳遞大小為25.6N·m的扭矩，施加于左側(cè)軸頸處，如圖4所示。

圖4　施加約束和載荷的轉(zhuǎn)子模型

2.3　轉(zhuǎn)子的靜力學(xué)有限元分析

通過ANSYS Workbench的靜力學(xué)分析，得到轉(zhuǎn)子的總變形云圖和主應(yīng)力分布云圖，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

1)對(duì)轉(zhuǎn)子的變形云圖(圖5)進(jìn)行分析：轉(zhuǎn)子的中間位置處在Z方向上發(fā)生了較大的變形，最大位移量為0.013mm；轉(zhuǎn)子的變形有從中間向兩端有逐漸減小的趨勢(shì)，這與約束和施加載荷的位置有關(guān)；通過計(jì)算，轉(zhuǎn)子的許用撓度為0.19mm，大于最大變形量。因此，轉(zhuǎn)子的剛度符合要求。

圖5　轉(zhuǎn)子總變形云圖

圖6　轉(zhuǎn)子總應(yīng)力云圖

2)對(duì)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力云圖(圖6)進(jìn)行分析：轉(zhuǎn)子的平鍵鍵槽及右端軸承安裝位置處應(yīng)力強(qiáng)度較大，軸肩等位置處因尺寸變化較大導(dǎo)致應(yīng)力也比較集中。轉(zhuǎn)子的應(yīng)力變化范圍在0~9MPa之間且大部分應(yīng)力都為1MP左右，而45鋼的最大許用應(yīng)力為355MPa[8]。因此，轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，安全系數(shù)較大，故轉(zhuǎn)子強(qiáng)度滿足要求。

2.4　轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析

9R-40型揉碎機(jī)正常工作時(shí)由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，不僅會(huì)降低工作人員的操作環(huán)境的舒適度，也會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，導(dǎo)致機(jī)器的使用精度和壽命降低[9]。模態(tài)分析目的是獲取轉(zhuǎn)子的固有頻率和振型，以此來進(jìn)行下一步的動(dòng)力學(xué)分析[10]。在 ANSYS Workbench中，模態(tài)分析可以在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，十分簡(jiǎn)單方便。

2.4.1模態(tài)分析理論[11]

轉(zhuǎn)子模態(tài)分析的振動(dòng)方程為

(1)

考慮到分析轉(zhuǎn)子的模態(tài)是求解轉(zhuǎn)子在空載下的自由振動(dòng)屬性，即忽略阻尼與外部荷載，故上述振動(dòng)微分方程為

(2)

本文做的是線性系統(tǒng)分析，式中的[M]和[K]都為實(shí)數(shù)對(duì)稱矩陣，方程形式為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，解為

(3)

(4)

2.4.2轉(zhuǎn)子模態(tài)分析結(jié)果

9R-40型揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)速為3 000r/min[12]，計(jì)算出轉(zhuǎn)子受到的最大激振頻率為50Hz，僅低階次的固有頻率和外界的激振頻率相接近，故只需研究低階模態(tài)即可[13]。模態(tài)分析中，根據(jù)需要提取前2階固有頻率位移云圖，如圖7、圖8所示。

分析結(jié)果表明：9R-40型揉碎機(jī)工作過程中，轉(zhuǎn)子振動(dòng)主要集中在軸的中間處，形式為彎扭振動(dòng)耦合；第1階模態(tài)的固有頻率為293.2Hz，且隨著階數(shù)的增加，轉(zhuǎn)子的固有頻率隨之增加；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近或者達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生最大變形且伴有劇烈的振動(dòng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)受損。9R-40型揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子1階固有頻率為293.21Hz，遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子受到的最大激振頻率(50Hz)，因此不會(huì)發(fā)生共振，動(dòng)態(tài)性能符合要求。

圖7　轉(zhuǎn)子的1階固有頻率位移云圖

圖8　轉(zhuǎn)子的2階固有頻率位移圖

3機(jī)殼的模態(tài)分析

3.1　模型建立及網(wǎng)格劃分

基于Pro/E建立機(jī)殼的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench中后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量。劃分好的網(wǎng)格模型包括691 846個(gè)節(jié)點(diǎn)、24 242個(gè)單元，如圖9所示。

圖9　殼體的網(wǎng)格模型

3.2　材料屬性及邊界條件

機(jī)殼的材料是45鋼，屬性前面已有描述。因?qū)C(jī)殼只做無阻尼的模態(tài)分析，所以忽略外載荷，只在機(jī)殼與地面固定位置處施加固定約束即可。

3.3　機(jī)殼模態(tài)分析結(jié)果

提取揉碎機(jī)機(jī)提取前6階自振模態(tài)頻率，如圖10所示；前3階振型云圖，如圖11~圖13所示。

圖10　機(jī)殼的前6階自振模態(tài)頻率Hz

圖11　機(jī)殼的1階固有頻率位移云圖

圖12　機(jī)殼的2階固有頻率位移云圖

圖13　機(jī)殼的3階固有頻率位移云圖

對(duì)9R-40型揉碎機(jī)機(jī)殼的振型云圖進(jìn)行分析：揉碎機(jī)機(jī)殼前6階模態(tài)頻率在125~233Hz之間。隨著階次的增加，上機(jī)殼振動(dòng)形式主要為出料口彎曲扭轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)。上機(jī)殼受到的實(shí)際激振頻率為320Hz[14]，可見揉碎機(jī)正常工作時(shí)固有頻率和激振頻率相差較大，不會(huì)產(chǎn)生共振。在1階模態(tài)振型圖中，下機(jī)殼主要是向外彎曲振動(dòng)，發(fā)生在前方。揉碎機(jī)下機(jī)殼實(shí)際振動(dòng)頻率為143Hz，可見在揉碎機(jī)正常工作時(shí)下機(jī)殼會(huì)發(fā)生共振，導(dǎo)致下機(jī)殼振動(dòng)破壞?；谟邢拊木仃嚁z動(dòng)理論，可將下機(jī)殼前后結(jié)構(gòu)的厚度增加以提高其固有頻率，避免共振的產(chǎn)生[15]。

4結(jié)論和建議

1)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度和剛度方面存在較大的余量，能滿足應(yīng)力條件。從強(qiáng)度方面考慮，轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度要求；從剛度方面考慮，轉(zhuǎn)子的變形量也小于其許用撓度，因此剛度方面也能滿足要求的；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡引起揉碎機(jī)的振動(dòng)，其正常工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，因此不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，表明轉(zhuǎn)子正常工作時(shí)是安全的。

2)確定機(jī)殼前6階的模態(tài)頻率，通過與實(shí)際受到的激振頻率相比較，發(fā)現(xiàn)上機(jī)殼受到的激振頻率避開了固有頻率，不會(huì)共振；下機(jī)殼實(shí)際振動(dòng)頻率與固有頻率接近，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，避免共振的產(chǎn)生。

針對(duì)本文研究存在的不足，提出以下兩點(diǎn)建議:

1)本文用有限元軟件檢驗(yàn)揉碎機(jī)揉碎機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，但不能完全模擬它的實(shí)際工況，如本文沒有驗(yàn)證轉(zhuǎn)子在受到?jīng)_擊載荷時(shí)是否能滿足強(qiáng)度和剛度的要求，在以后的工作中有必要考慮這方面的影響。

2)從分析結(jié)果精確性方面考慮，應(yīng)同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行理論方面的力學(xué)校核，并與軟件分析結(jié)果相比較，這是下一步工作要考慮的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐亞云,侯書林,趙立欣,等.國內(nèi)外秸稈收儲(chǔ)運(yùn)現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(9):60-64，71.

[2]蘭星,鄭勇,王剛,等.甘蔗葉粉碎機(jī)機(jī)械性能試驗(yàn)的比較與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(11):188-192.

[3]郭昌進(jìn),楊喜,王金麗,等.基于ANSYS Workbench的甘蔗葉粉碎機(jī)機(jī)架模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(8):23-26.

[4]周偉.9R-40型揉碎機(jī)的改進(jìn)與試驗(yàn)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[5]戰(zhàn)麗,董路平,林偉芬,等.基于Proe5.0與Ansys-Workbench板材起重運(yùn)輸三工位上料機(jī)機(jī)架主梁的有限元分析[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2012(12):40-43.

[6]邢靜忠,李軍.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分[J].中國水運(yùn)：學(xué)術(shù)版,2006(9):116-118.

[7]郭昌進(jìn),楊喜,王金麗,等.基于ANSYS Workbench的甘蔗葉粉碎機(jī)機(jī)架模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(8):23-26.

[8]黃炎,趙滿全,黃鵬飛.前置式雙圓盤割草機(jī)主軸有限元分析——基于ANSYS Workbench[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013，35(8):26-29，34.

[9]郭昌進(jìn),楊喜,王金麗,等.基于ANSYS Workbench的甘蔗葉粉碎機(jī)機(jī)架模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(8):23-26.

[10]孫佳.基于ANSYS Workbench的9FQ-31型錘片式粉碎機(jī)的有限元分析及優(yōu)化[D].昆明：昆明理工大學(xué),2014.

[11]武新峰,雷勇軍,李家文.基于有限元分析的復(fù)雜結(jié)構(gòu)彈性振動(dòng)傳遞函數(shù)建模[J].振動(dòng)與沖擊,2012(11):57-61，77.

[12]李林,劉偉峰,趙滿全,等.揉碎機(jī)工作機(jī)理的分析與研究[C]//中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì).走中國特色農(nóng)業(yè)機(jī)械化道路——中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(下冊(cè)).中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì),2008:3.

[13]桑一萌. 基于有限元法的泵軸強(qiáng)度分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.

[14]王娟. 9R-40型揉碎機(jī)噪聲分析研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[15]邱志平,仇翯辰.基于矩陣攝動(dòng)理論的復(fù)模態(tài)隨機(jī)特征值直接方差分析算法[C]//中國力學(xué)學(xué)會(huì)計(jì)算力學(xué)專業(yè)委員會(huì).中國計(jì)算力學(xué)大會(huì)2014暨第三屆錢令希計(jì)算力學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)大會(huì)論文集.中國力學(xué)學(xué)會(huì)計(jì)算力學(xué)專業(yè)委員會(huì),2014:14.

Abstract ID:1003-188X(2016)11-0046-EA

Finite Element Analysis of Main 9R-40 Shattered Machine Based on ANSYS Workbench

Wang Wei, Liu Fei，Ma Qian，Zhao Manquan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018 ，China)

Abstract：AS an important kind of feeding processing machinery,9R-40 hammer and breaking machine feed processing machinery and is widely used in animal feed production. Main shift is one of the key parts of hammer and breaking machine，have strong requirements in terms of stiffness and strength .First of all, use Pro/E 3 d modeling, the finite element software ANSYS Workbench statics and modal analysis was carried out on the spindle.Through static analysis, obtained the normal work of the main shaft when the equivalent strain and equivalent stress, visually shows the dangerous section of rubbing mill spindle concentrated near the keyway and bearing neck,get the spindle the conclusion of the maximum stress is far less than the allowable stress.Through the modal analysis,get the normal work of the main shaft critical speed, determine the critical speed is far greater than axial speed during normal work, so does not cause resonance, comply with the design requirements. Rubbing mill spindle by ANSYS Workbench to finite element analysis, improve the analysis precision and improve the efficiency of the analysis, and provide theoretical basis for the spindle structure improved design.

Key words：shattered machine；main shift；ANSYS Workbench software；finite element analysis

中圖分類號(hào)：S817.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0046-04

作者簡(jiǎn)介：王偉(1991-)，男，山東高密人，碩士研究生，(E-mail)18766963856@163.com。通訊作者：趙滿全(1955-)，男，內(nèi)蒙古土右旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)nmgzhaomq@163.Com。

基金項(xiàng)目：國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2009GB2A400054)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)資金項(xiàng)目(20101734)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-10-19