定間隙核桃破殼機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

摘要通過對(duì)定間隙核桃破殼機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，考慮到核桃破殼時(shí)擠壓力在不斷變化，主軸受力不均勻，綜合其轉(zhuǎn)速、材料和結(jié)構(gòu)配置等因素，建立動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。結(jié)果表明，降低軸系固有頻率，選擇合適軸承，減輕主軸重量，采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，能夠有效提高主軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，改善破殼的質(zhì)量和安全性能。

關(guān)鍵詞主軸；模態(tài)分析；諧響應(yīng)；破殼

中圖分類號(hào)S226文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）24-08463-03

Dynamic Response Analysis of Fixed Clearance Spindle Walnut Sheller

ZHANG Hong， MA Yan et al（1.Forestry and Wood Mechanical Engineering Technology Center， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Tarim University， Alar， Xinjiang 843300； 3. Xinjiang Key Lab of Modern Agricultural Engineering Alar， Xinjiang 843300）

AbstractBased on the spindle design walnut sheller clearance and the walnut shell dynamic response analysis， considering that during breaking of the walnut shell pressures are continuously changing， that the resulting stresses on the main shaft are not uniform and combined with other factors as speed of rotation， material and configuration of the shaft， a dynamic response model was established. The results showed that： reducing the natural frequency of the shaft， choosing the right bearing， reducing the weight of the spindle， symmetrical design， can effectively improve the dynamic response characteristics of the spindle， improve the quality and safety performance of the walnut shelling.

Key wordsPrincipal axis； Modal Analysis； Harmonic response； Walnut shell

自1965年原八機(jī)部下達(dá)核桃脫殼機(jī)研制課題以來，我國已有幾十部破殼機(jī)問世了，其中具有單一破殼功能的破殼機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉而受到廣大小型農(nóng)業(yè)主的青睞，而能夠完成破殼、分離、清選、分級(jí)4項(xiàng)功能的大型破殼機(jī)在大型企業(yè)中應(yīng)用普遍。現(xiàn)今比較先進(jìn)的破殼機(jī)有①6BK22破殼機(jī)一次喂料加工的核仁就直接可以裝袋；②錦州俏牌集團(tuán)的TFHS1500型核桃除雜破殼機(jī)組，可以一次性完成破殼、去皮、分級(jí)等操作；③6BH720破殼機(jī)效率高，功耗小而備受公司喜愛。

定間隙核桃破殼機(jī)對(duì)核桃進(jìn)行破殼加工的過程中，保證破殼品質(zhì)的重要前提是確保破殼機(jī)主軸的穩(wěn)定性和安全性，因此主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是保證破殼品質(zhì)的重要一環(huán)。而對(duì)主軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析可以為主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，從而對(duì)主軸進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

1核桃破殼機(jī)主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定間隙核桃破殼機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，加工中無需事先對(duì)核桃分級(jí)，破殼效果好。破殼機(jī)的主軸為其關(guān)鍵部件，工作中受到動(dòng)載的作用，轉(zhuǎn)速要求達(dá)800 r/min。因此在設(shè)計(jì)過程中要考慮到主軸的受力、平衡以及摩擦滾動(dòng)問題[1]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：1-軸①；2-擠壓輥；3-軸②。

圖1主軸結(jié)構(gòu)由圖1可知，軸1、軸2與擠壓輥過盈配合，軸2的右端有皮帶輪，受V帶的張緊力，第二個(gè)鍵槽裝有齒輪，為傳遞到下一個(gè)擠壓輥的軸上形成相對(duì)擠壓。擠壓輥為減輕重量設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)為空腔結(jié)構(gòu)。為避免旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生不平衡動(dòng)載選用較大的過盈配合。由于該軸是核桃破殼的關(guān)鍵部件，核桃破殼時(shí)產(chǎn)生的力對(duì)雙輥間隙有一定的影響。同時(shí)在雙輥轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，也會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)載，會(huì)影響雙輥之間的間隙。最終對(duì)核桃破殼的質(zhì)量產(chǎn)生影響。再加上該軸相對(duì)受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，因此需要對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。由于該軸為較大的過盈配合，在分析時(shí)按整體對(duì)待進(jìn)行分析。

2主軸的模態(tài)分析

2.1動(dòng)力學(xué)建模 要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，需把實(shí)際的旋轉(zhuǎn)機(jī)械抽象成計(jì)算模型[2]。建立合理的計(jì)算模型，要注意3點(diǎn)：（1）模型要與實(shí)際工況一致；（2）根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算方法創(chuàng)建合理的模型；（3）要明確模型的建立是為了進(jìn)行固有頻率和諧響應(yīng)的分析。

為便于計(jì)算，將左端主軸的軸與軸承的軸線的交點(diǎn)處視為固定端，其右端主軸的軸與軸承的軸線的交點(diǎn)處視為沿軸向的游動(dòng)端，并且將主軸簡(jiǎn)化為剛性支撐，把主軸的靜態(tài)特性視為空間彈性梁。建立特性分析模型[3-4]如圖2所示。

圖2特性分析模型2.2單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分建立的模型選用10節(jié)點(diǎn)SOLID92三維實(shí)體單元，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得出有限元網(wǎng)格模型如圖3所示[5]。該模型共有46 086個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為69 948。

圖3網(wǎng)格劃分圖4主軸的靜力變形2.3主軸靜態(tài)變形的有限元計(jì)算對(duì)主軸模型左端軸承處施加全約束，右端軸承處施加Y軸和Z軸的約束，加載皮帶輪的張緊力和核桃的擠壓力后，經(jīng)過ANSYS分析計(jì)算得到主軸的靜力變形圖[6]，如圖4所示。

2.4固有頻率根據(jù)振動(dòng)學(xué)理論，在直桿均勻伸縮時(shí)可直接由公式求得其固有頻率，而該研究的主軸由于結(jié)構(gòu)的差異使得其伸縮不均勻，所以最好的辦法是利用ansys的模態(tài)分析功能對(duì)主軸進(jìn)行固有頻率的分析。

固有頻率分析包括建模、施加載荷和求解和查看結(jié)果等幾個(gè)步驟。

（1）建模。模態(tài)分析的建模過程與其他分析相似，包括定義單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料特性、建立幾何模型和劃分網(wǎng)格等。但需注意的是：模態(tài)分析是線性分析，非線性特性將被忽略掉，必須定義材料的彈性模量和密度。

（2）施加載荷和求解。包括指定分析類型、指定分析選項(xiàng)、施加約束、設(shè)置載荷選項(xiàng)，并進(jìn)行固有頻率的求解等。

圖5幅頻響應(yīng)曲線圖6相頻響應(yīng)曲線5結(jié)論

通過ANSYS的分析，總結(jié)出了提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的主要措施。

（1）降低軸系的固有頻率。主軸系統(tǒng)的彎曲及搖擺振動(dòng)，在主軸右軸承端。因此設(shè)備加工的重點(diǎn)是右軸承端。最有效的方法是提高軸組件的剛度和阻尼，而軸承的預(yù)緊力和軸承的載荷對(duì)其剛度影響最大。

（2）適當(dāng)選擇軸承。選擇軸承的原則是最大限度的縮短主軸的前懸伸。

（3）減輕主軸的重量。由于破殼所需的擠壓力不是很大，在保證破殼強(qiáng)度的基礎(chǔ)上可以考慮主軸中空設(shè)計(jì)。

（4）提高主軸動(dòng)態(tài)性能。最好采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，并且減少主軸的鍵聯(lián)接，改用過盈配合，最好的方法是通過ANSYS的優(yōu)化工具對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理。

42卷24期張 宏等定間隙核桃破殼機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析參考文獻(xiàn)

[1] 史建新，辛動(dòng)軍.國內(nèi)外核桃破殼取仁機(jī)械的現(xiàn)狀及問題探討[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2001（6）：29-32.

[2] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：249-297.

[3] 樊振綱，李強(qiáng).基于ANSYS和ADAMS的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007，36（3）：89-91.

[4] 武清璽.理論力學(xué)[M].北京：高等教育出版社 ，2003.

[5] 張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6] 李實(shí).階梯軸的有限元分析及其優(yōu)化專業(yè)軟件的開發(fā)[D].長沙：湖南大學(xué)，2008.

[7] 張宏，孫永華，張有強(qiáng).歐式木窗專用推臺(tái)銑主軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：136-139.

[8] 高耀東，劉學(xué)杰.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華50例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.