李悅 張印 張寒
摘要:針對現(xiàn)有的攪拌機實施改進(jìn)策略,在改進(jìn)過程中既要兼顧新型改進(jìn)的需求,改善原有攪拌機中的不足之處,又要最大限度使用原有攪拌機的零件,以加快進(jìn)度、降低成本、提高效率為設(shè)計目標(biāo),得出一個新型攪拌機的改進(jìn)方案。運用有限元法對改進(jìn)后的攪拌機中的主要部件進(jìn)行分析,從而提高新型攪拌機的優(yōu)越性。本文通過有限元法的分析,設(shè)計新型攪拌機的虛擬樣機。
關(guān)鍵詞:有限元法;攪拌機;改進(jìn)
1原有攪拌機存在的不足
1.1原有攪拌機中電機傳動或齒輪的位置存在漏油現(xiàn)象,原因是潤滑的形式不是潤滑脂潤滑;再加上電機傳動的形式不準(zhǔn)確,并且安裝精度又不高,因此會出現(xiàn)在攪拌機工作時發(fā)生漏油情況。
2.2原有的攪拌機在工作時產(chǎn)生的噪音可以達(dá)到70~90dB,并且伴隨振動。出現(xiàn)噪音和振動的原因:一是傳動軸出現(xiàn)了問題,直線度沒有做校正處理或沒有處理好;二是分散盤的高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)動速度達(dá)到臨界值產(chǎn)生了共振;三是齒輪不對稱傳動而產(chǎn)生的噪音。
3.3由于攪拌機的工作部分為高速運轉(zhuǎn)的齒輪等零部件,所以長期高速運轉(zhuǎn)的密封部件易導(dǎo)致攪拌機損壞。
2新型攪拌機的改進(jìn)設(shè)計需求與方案
2.1新型攪拌機的改進(jìn)設(shè)計需求
為降低改進(jìn)成本、減小設(shè)計難度,這里在傳統(tǒng)攪拌機的基礎(chǔ)上實施改進(jìn)設(shè)計。一方面,借助原有攪拌機的設(shè)計理念和經(jīng)驗,通過改進(jìn)現(xiàn)有攪拌機中的不足之處,根據(jù)最快速、最高效的方案設(shè)計一款新型的攪拌機。另一方面,沿用原有攪拌機中的部件,對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化,節(jié)省設(shè)計成本,使新型攪拌機的攪拌效率和效果大幅度提升。
2.2新型攪拌機的改進(jìn)設(shè)計方案
一是改正電機傳動的形式,提高安裝精度;選用潤滑脂潤滑,避免漏油。二是校正傳動軸的直線度。三是減少電機數(shù)量,去掉分散盤和分散軸。
3有限單元法的基本理論
3.1基本假設(shè)
有限元法(FEA)就是將復(fù)雜的問題簡化,并對其進(jìn)行求解,即通過連續(xù)的求解域離散后組合成一個單元,將假設(shè)的函數(shù)放在每個單元內(nèi),然后通過賦值的方法來表達(dá)函數(shù),即待求解的未知函數(shù)及各個單元點上的數(shù)值差值函數(shù),這樣就能用所賦值的函數(shù)表示單元內(nèi)未知場的函數(shù)。有限元法的假設(shè)依據(jù):第一,物體是由連續(xù)的介質(zhì)構(gòu)成,通過用數(shù)學(xué)的方法表達(dá)物體的變量及內(nèi)力分布,將彈性、抽象的問題變成可解的數(shù)學(xué)問題。第二,忽略不計物體變形產(chǎn)生的變化,包括尺寸、形狀等。第三,介質(zhì)所受的力的方向和作用效果是一樣的。
3.2基本方程
有限元法的力學(xué)特性研究過程建立在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上,通過數(shù)學(xué)方法計算得出在外力作用下通過變性物體素產(chǎn)生的物理變化。有限元法的目的是解決機械設(shè)計中的問題,保證設(shè)計的合理性,有效保證物體的強度和剛度?;痉匠虨橐韵聨讉€:
3.2.1幾何方程
3.2.2物理方程
4主要工作部件應(yīng)用有限元法的靜力學(xué)分析
4.1攪拌軸靜力學(xué)分析
4.1.1建立有限元模型
建立模型的步驟:選擇45鋼材料,將彈性模量設(shè)定為 ,泊松比 ,密度 ;按照全約束安裝軸承;將制作成功的攪拌軸三維模型導(dǎo)入計算機中,自動劃分網(wǎng)格,判斷劃定單元與節(jié)點。劃分單元個數(shù)1451,節(jié)點個數(shù)1826。
4.1.2計算結(jié)果與分析
由計算結(jié)果可知,攪拌軸的的最大等效應(yīng)力是114.6MPa,小于45鋼的材料屈服強度(355MPa),因此不會出現(xiàn)損壞。由合位移的數(shù)據(jù)結(jié)果可知,攪拌軸的最大位移為0.075mm。所以分析現(xiàn)有的攪拌軸的強度和剛度已經(jīng)不能滿足最大效率攪拌的需求,雖然現(xiàn)有的攪拌機的安全系數(shù)較高,但卻設(shè)計保守且浪費材料,因此需要根據(jù)計算結(jié)果對攪拌軸進(jìn)行改進(jìn),簡化設(shè)計結(jié)構(gòu),節(jié)約材料。
4.2攪拌槳靜力學(xué)分析
4.2.1建立有限元模型
建立模型的步驟:選擇304不銹鋼,將彈性模量設(shè)定為 ,泊松比 ,密度 ;按照約束安裝軸承;將制作成功的攪拌軸三維模型導(dǎo)入計算機中,自動劃分網(wǎng)格,判斷劃定單元與節(jié)點。劃分單元個數(shù)2015,節(jié)點個數(shù)2084。
4.2.2計算結(jié)果與分析
由計算結(jié)果可知,攪拌槳的的最大等效應(yīng)力是35.8MPa,小于304不銹鋼的材料屈服強度(200MPa),因此不會出現(xiàn)損壞。由合位移的數(shù)據(jù)結(jié)果可知,攪拌槳的最大位移為0.057mm。所以,等效應(yīng)力中低應(yīng)力的位置較多,合位移中大部分位置也都處于較低的范圍,因此設(shè)計上還留有較大的空間,安全系數(shù)較高,但易浪費材料,因此需要依據(jù)計算結(jié)果對攪拌槳進(jìn)行改進(jìn),簡化設(shè)計結(jié)構(gòu),節(jié)約材料。
5結(jié)束語
設(shè)計初雖然強度和剛度都滿足攪拌機的工作需求,但是卻存在較大的改進(jìn)空間,這為攪拌機的輕量化改進(jìn)提供了可靠的依據(jù)。攪拌機設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,還可以在床身、支架及傳動軸上進(jìn)行優(yōu)化,將重要零部件實行輕量化設(shè)計,進(jìn)一步節(jié)約材料,提升攪拌效率,選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu),達(dá)到預(yù)期的攪拌效果。
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