9R-40型揉碎机结构有限元分析—基于ANSYS Workbench

王　伟，刘　飞，麻　乾，赵满全

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



9R-40型揉碎机结构有限元分析—基于ANSYS Workbench

王伟，刘飞，麻乾，赵满全

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：锤片式揉碎机作为一种重要的秸秆饲料加工机械而被广泛地应用在饲料生产作业中。为此，基于有限元软件ANSYS Workbench ，对揉碎机转子和机壳进行静力学和模态分析。静力学分析结果表明：揉碎机转子的危险截面主要集中在主轴键槽和轴承颈附近，且最大应力远小于许用应力。模态分析结果表明：由于转子正常工作时的临界转速远大于轴正常工作时的转速，不会引起共振，符合设计要求。机壳的模态分析可确定其模态频率范围，通过优化其结构避免外界激振频率与固有频率接近。通过ANSYS Workbench对揉碎机结构进行有限元分析，为揉碎机整体结构优化设计提供了理论依据。

关键词：揉碎机；转子；ANSYS Workbench软件；有限元

0引言

近几年，我国畜牧业发展迅速，秸秆的饲料价值也越来越引起人们的重视[1]。锤片式揉碎机是一种新型的秸秆饲料加工机械，具有高效节能的优点，因而在饲料生产加工领域得到大范围的推广。

9R-40型揉碎机在正常工作时，揉碎效果和安全性能很大程度上取决于它的静态和动态特性[2]。转子作为揉碎机主要的工作部件，同时承受电机的驱动力矩和物料反作用力，因此在刚度、强度等方面都有很高的要求。机壳作为揉碎机的支撑部件，在振动作用下易产生疲劳破坏，需要通过避免共振提高揉碎作业质量[3]。为此，基于有限元软件ANSYS Workbench对刀轴和机壳进行了静态及动态分析，以验证整机的安全性能。

1工作原理和技术参数[4]

1.1　工作原理

9R-40型揉碎机主要由机架、上机壳、下机壳及转子等部件组成，如图1所示。工作时，在轴向气流和旋转锤片的作用下，从喂料槽垂直喂入的秸秆运动方向立刻变为平行轴向，且被锤片打成短段状。由于离心惯性段状秸秆被甩到机壳内壁，在螺旋气流和机壳内的齿条的共同作用下，秸秆被揉碎成细丝状且轴向运动，最后被抛送叶片和气流送出抛机外。

1.机架　2.下机壳　3.转子　4.上机壳

1.2　技术参数

9R-40型揉碎机性能参数：

配套动力/kW：7.5

转子转速/r·min-1：2 700~3 000

生产率/t·h-1：1

适应物料：农作物秸秆、细小树枝条

2转子的有限元分析

2.1模型建立及网格划分

本文基于Pro/E建立转子三维模型，将模型合理地简化后导入ANSYS Workbench相应模块中[5]，如图2所示。

图2　转子的三维模型

本文使用自由化分网格方法对转子模型整体进行网格划分，完成后用 element quality准则检验网格质量，检查结果显示网格质量良好[6]。网格模型包括92 111个节点，52 403个单元，得到的网格划分结果如图3所示。

图3　转子的网格模型

2.2　材料属性及边界条件

转子材料是45钢，该材料基本属性为：密度7 800kg/m3,泊松比为0.28，弹性模量 210GPa[7]。

针对9R-40型揉碎机转子的具体结构约束包括：①右滚动轴承处，在轴颈和轴肩处施加UX、UY、UZ 3个方向上的移动约束。②在左滚动轴承轴颈和轴肩处施加UX、UZ两个方向上的移动约束；施加的载荷包括给轴整体施加重力加速度，大小为9.800 6m/s2；该轴传递大小为25.6N·m的扭矩，施加于左侧轴颈处，如图4所示。

图4　施加约束和载荷的转子模型

2.3　转子的静力学有限元分析

通过ANSYS Workbench的静力学分析，得到转子的总变形云图和主应力分布云图，分析结果如图5、图6所示。

1)对转子的变形云图(图5)进行分析：转子的中间位置处在Z方向上发生了较大的变形，最大位移量为0.013mm；转子的变形有从中间向两端有逐渐减小的趋势，这与约束和施加载荷的位置有关；通过计算，转子的许用挠度为0.19mm，大于最大变形量。因此，转子的刚度符合要求。

图5　转子总变形云图

图6　转子总应力云图

2)对转子的应力云图(图6)进行分析：转子的平键键槽及右端轴承安装位置处应力强度较大，轴肩等位置处因尺寸变化较大导致应力也比较集中。转子的应力变化范围在0~9MPa之间且大部分应力都为1MP左右，而45钢的最大许用应力为355MPa[8]。因此，转子的最大应力远小于许用应力，安全系数较大，故转子强度满足要求。

2.4　转子的模态分析

9R-40型揉碎机正常工作时由于转子转动不平衡会产生噪音和振动，不仅会降低工作人员的操作环境的舒适度，也会产生疲劳破坏，导致机器的使用精度和寿命降低[9]。模态分析目的是获取转子的固有频率和振型，以此来进行下一步的动力学分析[10]。在 ANSYS Workbench中，模态分析可以在静力学分析的基础上进行，十分简单方便。

2.4.1模态分析理论[11]

转子模态分析的振动方程为

(1)

考虑到分析转子的模态是求解转子在空载下的自由振动属性，即忽略阻尼与外部荷载，故上述振动微分方程为

(2)

本文做的是线性系统分析，式中的[M]和[K]都为实数对称矩阵，方程形式为简谐振动，解为

(3)

(4)

2.4.2转子模态分析结果

9R-40型揉碎机转子的最大转速为3 000r/min[12]，计算出转子受到的最大激振频率为50Hz，仅低阶次的固有频率和外界的激振频率相接近，故只需研究低阶模态即可[13]。模态分析中，根据需要提取前2阶固有频率位移云图，如图7、图8所示。

分析结果表明：9R-40型揉碎机工作过程中，转子振动主要集中在轴的中间处，形式为弯扭振动耦合；第1阶模态的固有频率为293.2Hz，且随着阶数的增加，转子的固有频率随之增加；当转子的转速接近或者达到临界转速时，转子会发生最大变形且伴有剧烈的振动，从而导致转子的结构受损。9R-40型揉碎机转子1阶固有频率为293.21Hz，远大于转子受到的最大激振频率(50Hz)，因此不会发生共振，动态性能符合要求。

图7　转子的1阶固有频率位移云图

图8　转子的2阶固有频率位移图

3机壳的模态分析

3.1　模型建立及网格划分

基于Pro/E建立机壳的三维模型，导入ANSYS Workbench中后进行网格划分，检验网格质量。划分好的网格模型包括691 846个节点、24 242个单元，如图9所示。

图9　壳体的网格模型

3.2　材料属性及边界条件

机壳的材料是45钢，属性前面已有描述。因对机壳只做无阻尼的模态分析，所以忽略外载荷，只在机壳与地面固定位置处施加固定约束即可。

3.3　机壳模态分析结果

提取揉碎机机提取前6阶自振模态频率，如图10所示；前3阶振型云图，如图11~图13所示。

图10　机壳的前6阶自振模态频率Hz

图11　机壳的1阶固有频率位移云图

图12　机壳的2阶固有频率位移云图

图13　机壳的3阶固有频率位移云图

对9R-40型揉碎机机壳的振型云图进行分析：揉碎机机壳前6阶模态频率在125~233Hz之间。随着阶次的增加，上机壳振动形式主要为出料口弯曲扭转耦合振动。上机壳受到的实际激振频率为320Hz[14]，可见揉碎机正常工作时固有频率和激振频率相差较大，不会产生共振。在1阶模态振型图中，下机壳主要是向外弯曲振动，发生在前方。揉碎机下机壳实际振动频率为143Hz，可见在揉碎机正常工作时下机壳会发生共振，导致下机壳振动破坏。基于有限元的矩阵摄动理论，可将下机壳前后结构的厚度增加以提高其固有频率，避免共振的产生[15]。

4结论和建议

1)转子的强度和刚度方面存在较大的余量，能满足应力条件。从强度方面考虑，转子的最大应力值远远小于其许用应力值，满足强度要求；从刚度方面考虑，转子的变形量也小于其许用挠度，因此刚度方面也能满足要求的；转子转动不平衡引起揉碎机的振动，其正常工作转速远远小于其临界转速，因此不会产生共振现象，表明转子正常工作时是安全的。

2)确定机壳前6阶的模态频率，通过与实际受到的激振频率相比较，发现上机壳受到的激振频率避开了固有频率，不会共振；下机壳实际振动频率与固有频率接近，通过优化结构，避免共振的产生。

针对本文研究存在的不足，提出以下两点建议:

1)本文用有限元软件检验揉碎机揉碎机设计的合理性，但不能完全模拟它的实际工况，如本文没有验证转子在受到冲击载荷时是否能满足强度和刚度的要求，在以后的工作中有必要考虑这方面的影响。

2)从分析结果精确性方面考虑，应同时对转子进行理论方面的力学校核，并与软件分析结果相比较，这是下一步工作要考虑的问题。

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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

中图分类号：S817.1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0046-04

作者简介：王伟(1991-)，男，山东高密人，硕士研究生，(E-mail)18766963856@163.com。通讯作者：赵满全(1955-)，男，内蒙古土右旗人，教授，博士生导师，(E-mail)nmgzhaomq@163.Com。

基金项目：国家农业科技成果转化资金项目(2009GB2A400054)；内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目(20101734)；内蒙古农业大学科技创新团队项目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-10-19