定間隙核桃破殼機主軸的動態響應分析

摘要通過對定間隙核桃破殼機主軸的動態響應分析，考慮到核桃破殼時擠壓力在不斷變化，主軸受力不均勻，綜合其轉速、材料和結構配置等因素，建立動態響應模型。結果表明，降低軸系固有頻率，選擇合適軸承，減輕主軸重量，采用對稱設計，能夠有效提高主軸的動態響應特性，改善破殼的質量和安全性能。

關鍵詞主軸；模態分析；諧響應；破殼

中圖分類號S226文獻標識碼A文章編號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年原八機部下達核桃脫殼機研制課題以來，我國已有幾十部破殼機問世了，其中具有單一破殼功能的破殼機結構簡單、價格低廉而受到廣大小型農業主的青睞，而能夠完成破殼、分離、清選、分級4項功能的大型破殼機在大型企業中應用普遍。現今比較先進的破殼機有①6BK22破殼機一次喂料加工的核仁就直接可以裝袋；②錦州俏牌集團的TFHS1500型核桃除雜破殼機組，可以一次性完成破殼、去皮、分級等操作；③6BH720破殼機效率高，功耗小而備受公司喜愛。

定間隙核桃破殼機對核桃進行破殼加工的過程中，保證破殼品質的重要前提是確保破殼機主軸的穩定性和安全性，因此主軸結構的設計是保證破殼品質的重要一環。而對主軸動態響應的分析可以為主軸結構的設計提供理論基礎，從而對主軸進行進一步的優化。

1核桃破殼機主軸結構設計

定間隙核桃破殼機結構緊湊，加工中無需事先對核桃分級，破殼效果好。破殼機的主軸為其關鍵部件，工作中受到動載的作用，轉速要求達800 r/min。因此在設計過程中要考慮到主軸的受力、平衡以及摩擦滾動問題[1]。其結構如圖1所示。

注：1-軸①；2-擠壓輥；3-軸②。

圖1主軸結構由圖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，第二個鍵槽裝有齒輪，為傳遞到下一個擠壓輥的軸上形成相對擠壓。擠壓輥為減輕重量設計時設計為空腔結構。為避免旋轉中產生不平衡動載選用較大的過盈配合。由于該軸是核桃破殼的關鍵部件，核桃破殼時產生的力對雙輥間隙有一定的影響。同時在雙輥轉動過程中，也會產生一定的動載，會影響雙輥之間的間隙。最終對核桃破殼的質量產生影響。再加上該軸相對受力復雜、結構上較為復雜，因此需要對其動力學進行分析。由于該軸為較大的過盈配合，在分析時按整體對待進行分析。

2主軸的模態分析

2.1動力學建模 要進行動力學分析，需把實際的旋轉機械抽象成計算模型[2]。建立合理的計算模型，要注意3點：（1）模型要與實際工況一致；（2）根據現有的計算方法創建合理的模型；（3）要明確模型的建立是為了進行固有頻率和諧響應的分析。

為便于計算，將左端主軸的軸與軸承的軸線的交點處視為固定端，其右端主軸的軸與軸承的軸線的交點處視為沿軸向的游動端，并且將主軸簡化為剛性支撐，把主軸的靜態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格劃分建立的模型選用10節點SOLID92三維實體單元，對模型進行網格劃分，得出有限元網格模型如圖3所示[5]。該模型共有46 086個單元，節點數為69 948。

圖3網格劃分圖4主軸的靜力變形2.3主軸靜態變形的有限元計算對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，經過ANSYS分析計算得到主軸的靜力變形圖[6]，如圖4所示。

2.4固有頻率根據振動學理論，在直桿均勻伸縮時可直接由公式求得其固有頻率，而該研究的主軸由于結構的差異使得其伸縮不均勻，所以最好的辦法是利用ansys的模態分析功能對主軸進行固有頻率的分析。

固有頻率分析包括建模、施加載荷和求解和查看結果等幾個步驟。

（1）建模。模態分析的建模過程與其他分析相似，包括定義單元類型、定義單元實常數、定義材料特性、建立幾何模型和劃分網格等。但需注意的是：模態分析是線性分析，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、施加約束、設置載荷選項，并進行固有頻率的求解等。

圖5幅頻響應曲線圖6相頻響應曲線5結論

通過ANSYS的分析，總結出了提高動態響應特性的主要措施。

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

（2）適當選擇軸承。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，在保證破殼強度的基礎上可以考慮主軸中空設計。

（4）提高主軸動態性能。最好采用對稱設計，并且減少主軸的鍵聯接，改用過盈配合，最好的方法是通過ANSYS的優化工具對主軸系統進行優化處理。

42卷24期張 宏等定間隙核桃破殼機主軸的動態響應分析參考文獻

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