蔣冉 程虎豐

摘 要：以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，使用三維建模軟件及其有限元分析插件，建立攪拌連桿機(jī)構(gòu)的三維模型。通過定義相觸熱電阻、對(duì)流系數(shù)、熱量和初始溫度等熱力學(xué)分析邊界條件，模擬實(shí)際使用的熱力學(xué)工況。通過熱力學(xué)分析得到攪拌連桿機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)熱力學(xué)響應(yīng)曲線，所得的溫度-時(shí)間響應(yīng)曲線的起始溫度數(shù)值與結(jié)束溫度的數(shù)值相同，即所得瞬態(tài)熱力學(xué)響應(yīng)曲線收斂，從而為攪拌連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué) 瞬態(tài) 熱電阻 對(duì)流

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）02（a）-0007-02

隨著食品行業(yè)的快速發(fā)展，近年來越來越多的客戶對(duì)攪拌連桿機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品提出小型化的需求。該產(chǎn)品小型化后，受到本身結(jié)構(gòu)限制、關(guān)鍵元?dú)饧x型和耗散熱量作用等因素，使得攪拌連桿機(jī)構(gòu)內(nèi)部的溫度有可能超出關(guān)鍵元器件尤其是不銹鋼軸承的允許范圍，會(huì)降低元器件的性能以及壽命，進(jìn)而導(dǎo)致故障，降低整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至造成故障及使用壽命的下降。因此，在攪拌連桿機(jī)構(gòu)中如何控制好內(nèi)部的溫度，給攪拌連桿機(jī)構(gòu)提供良好的運(yùn)行環(huán)境，是攪拌連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。在攪拌連桿機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品開發(fā)中，由于受外形尺寸、食品要求、散熱方式、元器件尺寸、元器件使用溫度等因素的限制，產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度較大，所以需要一種適合于攪拌連桿機(jī)構(gòu)的熱力學(xué)設(shè)計(jì)分析方法。本文以熱力學(xué)為理論基礎(chǔ)，基于SolidWorks Simulation軟件，建立了攪拌連桿機(jī)構(gòu)熱設(shè)計(jì)模型，分析了溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，為攪拌連桿機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行建立了理論依據(jù)。

1 攪拌連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)型

如圖1所示，中間位置為驅(qū)動(dòng)連桿，可以加載整個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)角速度，運(yùn)動(dòng)的軸線為驅(qū)動(dòng)連桿的長(zhǎng)度方向上的中心軸線。驅(qū)動(dòng)連桿的一端用圓柱運(yùn)動(dòng)副連接攪拌連桿的中部，此位置為關(guān)鍵元器件不銹鋼軸承的裝配位置，也是分析軟件的溫度探測(cè)位置。而攪拌連桿的彎曲頭部為攪拌輸出部位，受恒力載荷，此恒力載荷的位置也是熱量瞬態(tài)熱源激勵(lì)系統(tǒng)輸入部位。攪拌連桿在遠(yuǎn)離彎曲頭的一端與二力連桿采取鉸鏈運(yùn)動(dòng)副連接。二力連桿的另外一端與調(diào)整滑塊采取鉸鏈運(yùn)動(dòng)副連接。調(diào)整滑塊與驅(qū)動(dòng)連桿圓柱運(yùn)動(dòng)副連接。攪拌連桿機(jī)構(gòu)含有兩個(gè)自由度：一個(gè)是輸入驅(qū)動(dòng)連桿的角速度；另一個(gè)是調(diào)整滑塊與驅(qū)動(dòng)連桿圓柱一端的距離定義為位姿間距。

2 攪拌連桿機(jī)構(gòu)的熱力學(xué)理論

攪拌連桿機(jī)構(gòu)的熱分析主要涉及的是熱傳遞的相關(guān)知識(shí)。熱傳遞機(jī)理主要有3種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)是固體中熱傳遞最重要的方式，通過分子間的碰撞來傳遞熱量。熱量的傳導(dǎo)方式是從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)。傳遞熱量大小與介質(zhì)熱導(dǎo)率、溫度梯度和通過面積成正比；與介質(zhì)厚度成反比。對(duì)流是一種傳熱模式，即固體表面與附近流體間的傳熱。固體表面與附近流體對(duì)流傳熱的大小與對(duì)流系數(shù)、表面積和表面與周圍流體之間的溫度差。對(duì)于結(jié)構(gòu)中接觸零件采用熱電阻設(shè)置。兩個(gè)固體壓在一起不能完全接觸。因?yàn)閮蓚€(gè)零部件都有一定的表面粗糙度，所示接觸部位有一層薄薄的空間接觸間隙。兩個(gè)零部件接觸有固體點(diǎn)接觸的熱傳導(dǎo)，也有內(nèi)部氣隙的熱對(duì)流，軟件分析對(duì)于熱電阻的數(shù)值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置。進(jìn)行瞬態(tài)熱力學(xué)分析，迭代次數(shù)和初始溫度的設(shè)置也至關(guān)重要。SolidWorks Simulation與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation提供了應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等解決方案。所涉及的內(nèi)容有線性靜態(tài)、頻率、動(dòng)態(tài)等分析。該軟件采用了有限元方法。有限元方法是一種用于分析工程設(shè)計(jì)的數(shù)字方法。有限元方法由于其通用性適合使用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因此已被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的分析方法。

3 攪拌連桿機(jī)構(gòu)的熱力學(xué)模擬

攪拌連桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建模時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化模型的規(guī)模，如管線、螺釘、倒角等對(duì)分析影響不大的部件或特征都可被忽略掉。攪拌連桿機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)連桿、攪拌連桿、二力連桿和調(diào)整滑塊組成。在SolidWorks軟件中建立模型，簡(jiǎn)化模型見圖1。材質(zhì)選用304食品級(jí)不銹鋼，其彈性模量E=190GPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=8000kg/m3。熱膨脹系數(shù)為1.8e-005/K，熱導(dǎo)率為16W/（m·K），比熱為500J/（kg·K）實(shí)體轉(zhuǎn)化為有限元模型后，采用網(wǎng)格自由劃分。使用工況為，在一個(gè)運(yùn)行周期，攪拌連桿機(jī)構(gòu)的彎頭將會(huì)接觸一次熱源，熱源會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)熱沖擊，輸入一定熱量。

經(jīng)過三維建模軟件及其有限元插件的分析，獲得攪拌連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵元器件不銹鋼軸承裝配安裝處的溫度和時(shí)間的瞬態(tài)熱力學(xué)分析數(shù)值曲線。如圖2所示，圖中的溫度隨時(shí)間的變化線，橫坐標(biāo)為響應(yīng)時(shí)間40s，縱坐標(biāo)為溫度變化，其值峰值為112℃與攪拌連桿的關(guān)鍵元器件不銹鋼軸承許用溫度120℃相比較為安全使用區(qū)間；溫度隨時(shí)間的變化曲線的起始溫度和收斂溫度分別為47℃，其數(shù)值與穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析的結(jié)果相互一致，滿足工程實(shí)際設(shè)計(jì)需要。

4 結(jié)語

使用三維建模軟件及其有限元插件，不僅可以成功求解攪拌連桿機(jī)構(gòu)的熱力學(xué)分析問題，而且方法簡(jiǎn)單，模型精確，結(jié)論可信。攪拌連桿機(jī)構(gòu)的熱分析結(jié)果表明內(nèi)部關(guān)鍵元器件不銹鋼軸承的設(shè)計(jì)溫度滿足工程設(shè)計(jì)的許用溫度值。攪拌連桿機(jī)構(gòu)的熱分析結(jié)果表明，經(jīng)過對(duì)攪拌連桿機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和元器件優(yōu)化布置，攪拌連桿機(jī)構(gòu)外形尺寸得到優(yōu)化，達(dá)到小型化的同時(shí)兼顧熱力學(xué)指標(biāo)的機(jī)械設(shè)計(jì)目的。

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