基于SolidWorks對雙軸攪拌機的靜力學分析

涂文靜+胡三恩+付紅栓+譙正武

摘 要：軸是攪拌機的重要部件，因其長度較長、質量重、受力復雜，作業時易引起變形。針對此問題，該文首先應用SolidWorks軟件對雙軸攪拌機的虛擬樣機進行簡化建模，其次利用靜力學分析對雙傳動軸強度及剛度進行了校核，在滿足其剛度、強度條件下，對虛擬樣機進行了優化分析。通過實例證明利用三維軟件對雙軸優化分析后，雙軸的質量、最大應力均有所減少，不僅增加了攪拌機的使用壽命，而且提高了設計效率，大大縮短了研發時間、節約了成本。

關鍵詞：雙軸攪拌機 虛擬樣機 靜力學分析 優化分析

中圖分類號：TD40 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0103-04

Abstract： Shaft is an important part of a mixer， because of its length is longer， heavy quality， stress is complex， easy cause deformation when working. For this problem， first of all， the biaxial mixer virtual prototype were simply modeled using this SolidWorks software in this paper； Then， the strength and rigidity of the double drive shaft are checked by static analysis，the virtual prototype is optimized， under the condition of satisfying the stiffness and strength. Through the examples， it is proved that both the mass and the maximum stress of the biaxial shaft were decreasedusing the three-dimensional softwareoptimization analyzed， not only increases the service life of the mixer， but also improves the design efficiency， shortens the development time and saves the cost.

Key Words： The biaxial mixer； The virtual prototype； The static analysis； Optimization analysis

攪拌機在現代行業中應用比較廣泛，不僅在土建、畜牧業方面，而且在醫學、民生、煤礦、機械等行業，是現代民生發展中必不可少的機械設備。攪拌軸是攪拌機的重要組成部件，傳統的單軸攪拌機輸送效果好，但是攪拌效果較雙軸攪拌機差。為此，該文設計的是雙軸攪拌機，該雙軸攪拌機是根據本單位生產線上的需求而制造加工的，此攪拌機在生產線上的功能是攪拌石料粉末狀混合物，該混合物是現代新型建筑所需要的材料。雙軸組件在作業中承受的外力載荷比較復雜，雙軸的使用壽命決定著攪拌機的使用壽命，在保證其剛度、疲勞強度和穩定性的同時，還需達到質量輕、形狀美觀、減小集中應力，對其攪拌軸進行優化設計。

1 雙軸攪拌機的結構組成及工作原理

機構組成部分主要由傳動裝置、攪拌裝置、卸料裝置三大部分組成。傳動裝置是由電機通過皮帶輪帶動減速機，經減速系統增大扭矩、降低轉速，帶動傳動軸運轉；攪拌裝置是由兩根平行的攪拌軸和22組攪拌葉組成；卸料裝置是由兩組液壓缸同時工作，推動攪拌槽轉動完成卸料。雙軸攪拌機的零部件主要包括：電機、傳動帶輪、傳動三角帶、減速機、聯軸器、兩根攪拌軸、傳動齒輪、翻轉架、攪拌葉、攪拌槽體、蓋板、水管、底架、液壓缸等。

雙軸攪拌機的設計的最大容量為1.05 m3，建議使用的最佳容量為0.7 m3，物料進入攪拌槽體后，在電機的驅動下兩根攪拌軸反向運轉，攪拌軸上的葉片呈螺旋狀分布，攪拌葉是采用PVC材質，以避免損壞槽體，22組攪拌葉在兩根攪拌軸上前后上下都錯開一定的空間，使物料在兩個半圓的攪拌筒內持續不斷地運轉，一方面將攪拌筒底部和中間的物料向上翻滾，另一方面攪拌葉推動物料做循環運動，攪拌葉幾乎能攪拌到整個槽體，使物料能夠攪拌均勻。雙軸攪拌機的攪拌槽體為結構件，上有蓋板，有較好的密封性能，在攪拌機攪拌物料的過程中，可有效避免物料外漏和飛濺，也有效的避免雜質落入攪拌槽內[1，2]。

兩根攪拌軸都裝有軸承座、軸承套、軸承蓋、護軸套、攪拌葉和保持同步相反運動的齒輪，兩根攪拌軸在攪拌過程中受到的磨損比較嚴重，要定期給轉動軸添加潤滑油，保證軸的正常運轉以增長使用壽命。

2 雙軸攪拌機主要參數的確定

3 建立虛擬樣機模型

虛擬樣機技術又稱機械系統動態仿真技術，是利用計算機軟件建立系統的三維實體模型和動力學模型來分析和評估系統的性能，從而為物理樣機的設計和改進提供了參數依據。Solid Works軟件是唯一集3D設計、分析、產品數據管理、多用戶協作功能于一身的三維軟件，能方便地進行靜力學、動力學的多項研究分析[3，4]?？梢院芊奖愕乩L制有色的、復雜的三維實體模型，比傳統的平面圖形更符合人的視覺習慣，有利于發揮人的創造性思維，有利于新產品的改進設計。

3.1 主要零件的建模

打開SolidWorks軟件界面[5]，新建一張草圖，在選定的平面上繪制二維幾何圖形，再對這個草圖進行某些特征的操作。一般過程如下。

（1）選定草圖基準面：（前視基準面、上視基準面、右視基準面）。

（2）繪制幾何體形狀：方法①利用實體繪制工具命令按鈕，如直線、中心矩形、圓、多邊形、繪制圓角等命令。方法②在SolidWorks中打開繪制好的CAD圖形（.dwg），建立二維草圖。

（3）設定草圖幾何尺寸和幾何關系的約束：即確定草圖的定形尺寸和定位尺寸；設定幾何關系的約束，相互垂直、相互平行、相切、共線、水平、豎直、對稱等。

（4）特征造型：對所建立的草圖進行拉伸、旋轉、拉伸切除、旋轉切除、掃描等特征生成基本特征，然后添加倒角和圓角等一些輔助特征。

依照以上步驟，建立攪拌機的各個零件的三維實體模型（主動軸、被動軸、底座、軸承座、軸承蓋、攪拌槽、攪拌葉，如圖1所示）。

3.2 虛擬樣機的裝配

在SolidWorks三維軟件[6，7]中，裝配過程一般如下。

（1）新建一個新的裝配體：直接創建新裝配體。

（2）向裝配體中添加個零部件：打開前面建立的 “底座”零件，將其插入到裝配體中。

（3）單擊“裝配體”工具欄上的“插入零部件按鈕”，在“插入零部件按鈕”屬性管理器中單擊“瀏覽”按鈕。

（4）零部件之間的配合關系：利用重合、距離、同心、相切、平行、齒輪配合等配合關系限制零部件的自由度。

（5）重復步驟（3）和（4），對雙軸攪拌機進行了組裝并進行了干涉檢查，雙軸攪拌機裝配圖，如圖2所示。

4 傳動軸的應力分析

由于攪拌機正常作業時，兩個攪拌軸受到聯軸器傳遞力和物料的阻尼力，現需對傳動軸進行受力分析，以便優化機構。

（1）選項設置。包括材料、載荷和結果的單位體系等設置。材料選為45號鋼調質處理，經查閱文獻，其力學性能為：抗拉強度σb≥600 MPa，屈服強度σs≥355 MPa，伸長率δS=16%，斷面收縮率ψ=40%，沖擊韌度AkU=39 J/cm，調質處理240～280 HB，泊松比μ=0.3，彈性模量 E=205 GPa，質量密度ρ=7.85 kg/m3，施加載荷扭矩Tmax=1976.4 N·m，由于軸的受力載荷分布比較復雜，為了方便計算，合理簡化模型。

（2）劃分網格。開始進行分析程序，可以設置零件網格的劃分程度，網格劃分越小結果越精確，但相應的對硬件資源的要求也越高，分析計算的時間也增加，對于攪拌機雙軸采用中等網格劃分。

（3）分析處理結果。分析得出的等效應力分布圖（如圖3和圖4所示）中顯示出了零件各個部位的等效應力大小。在變形形狀分布圖中顯示出零件各個部位位移量，可以看出該件最大位移量為0.04 195 mm，位于軸的中間部位，如圖3所示；該件局部最大等效應力位于右端聯軸器傳遞力與軸承的中間處最大應力值為23.586 MPa，如圖4所示。

5 結論

該文利用SolidWorks三維軟件對雙軸攪拌機的攪拌軸進行了靜力學分析，得出結論如下。

（1）從合位移變化圖中（圖3）可以看出，傳動軸中間部位的合位移最大，兩端的最小，最大值為0.04 195 mm，故說明軸中間的柔性大。

（2）從圖4的應力變化圖中可以看出，傳動軸兩端受的的應力較大，傳動端受到的應力最大，其最大值為23.586 MPa，故說明傳動端受到的合應力最大，也是設計過程中考慮需要滿足此工況的軸徑。

（3）從合位移的變化量來看，最大變化量不影響軸的正常工作，滿足軸的剛度要求；從應力變化量來看，最大變化量不超過許用應力，滿足強度要求，該文選的最小軸徑滿足此工況。

（4）利用SolidWorks軟件對雙軸攪拌機進行了三維模型的建立，三維模型幫助設計人員提高了設計的可靠度，并對該攪拌機的攪拌軸進行靜態仿真，在攪拌機的設計過程中就可以分析各種方案，優化產品性能的參數，預測其在真實工況下的整體性能，有利于縮短開發周期并降低成本。

參考文獻

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