基于UGNX的外嚙合行星攪拌機運動特性研究

陳勇棠，蒲明輝

（1.柳州職業技術學院 機電工程學院，廣西 柳州 545006；2.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004）

[機械技術應用研究]

基于UGNX的外嚙合行星攪拌機運動特性研究

陳勇棠1，蒲明輝2*

（1.柳州職業技術學院 機電工程學院，廣西 柳州 545006；2.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004）

基于UGNX軟件對某化工機械公司生產的某型號外嚙合行星攪拌機運動部件進行運動仿真分析，掌握其運動特性，以便指導該型號攪拌機設計、生產及使用。

UGNX；行星攪拌機；仿真分析

行星攪拌機是雙軸攪拌機中的一種，已有100多年的歷史，主要用于物料的攪拌、混合和輸送。由于利用行星結構傳動，不僅低噪音，機械效率高，可節省動力使用，減少設備占用空間，而且因為攪拌器既繞著釜體中心公轉，又繞著自身中心高速自轉，在雙重運動作用下，物料在釜體內的運動復雜，物料受到強烈的剪切和搓合，所以得到較好的攪拌效果，被廣泛用于建筑、化工、醫藥、煤炭等行業。

本文針對某化工機械公司生產的某型號的行星攪拌機為研究對象，借助UGNX軟件的運動仿真功能，全面、準確掌握該攪拌機運動部件的運動特性，從而更好地指導該攪拌機設計、生產及使用。

1 行星攪拌機的工作原理及運動特性要求

某化工機械公司生產的某型號的行星攪拌機主要結構如圖1所示（去掉攪拌桶），包括：電機、減速器、橫梁、行星箱、攪拌槳、床身等。

圖1 行星攪拌機主要結構組成 （去掉攪拌桶）

其中傳動裝置結構如圖2所示，太陽齒輪被固定，行星齒輪與行星箱是連接一體的，它們在主傳動軸的帶動下做公轉，而行星齒輪與太陽齒輪是嚙合的，故行星齒輪同時也在自傳，從而帶動攪拌軸既公轉也在自傳。行星齒輪傳動簡圖如圖3所示。

圖2 傳動裝置結構圖

圖3 行星齒輪傳動簡圖

行星攪拌機工作的過程就是把機械能轉化成物料的動能和熱能的過程，主要依靠攪拌槳的旋轉使得攪拌桶里的物料產生對流和渦流，使得物料各組分之間得以相互滲透、混合，逐漸達到均勻。因此，攪拌槳的運動軌跡不僅要覆蓋攪拌桶的底面、不留“死區”，還應盡量多的交叉，從而讓物料顆粒的運動軌跡盡量多地交叉，軌跡越復雜、擁有復雜軌跡的顆粒越多,混合的程度越高、越強烈，攪拌勻質性就越高，攪拌效果越好。

2 行星攪拌機的運動特性研究

2.1 行星攪拌機運動模型的建立

為了方便研究，把行星攪拌機的傳動裝置進行簡化，如圖4所示，所有運動件都在攪拌桶內，行星箱圍繞回轉中心O做公轉，順時針轉動，角速度為ωH；兩個行星輪上的攪拌槳既與行星箱同步公轉，也分別圍繞著各自的回轉中心O1、O2自轉，逆時針轉動，角速度分別為ω1、ω2。攪拌槳上點的運動特性是最重要的，而兩個攪拌槳又是對稱分布的，因此只需研究一個攪拌槳上的點的運動特性即可。運動模型進一步簡化后，并以攪拌桶中心為原點建立坐標系，即可得到攪拌槳上動點A的運動模型，如圖5所示。攪拌槳回轉中心O1到行星箱回轉中心O的距離為R，動點A到攪拌槳回轉中心O1的距離為r。為方便建立方程，假設 K=r/R,C=ω1/ωH，ωH=ω。

圖4 行星攪拌機傳動裝置簡圖

圖5 攪拌槳動點運動模型

假設時間t=0時，攪拌槳與行星箱都位于豎直位置，并在同一直線上，經過時間t后，動點A順時針轉公轉了ωHt的角度，同時逆時針自轉了ω1t的角度，則運動參數方程為：

將式1-1對時間t求導，可得動點A的速度方程：

將式1-2對時間t求導，可得動點A的速度方程：

2.2 行星攪拌機的運動仿真

從動點A的運動方程可以知道當R和ωH固定時，K和C取值不同則動點A的運動特性不同。為了更直觀地觀察、對比，運動仿真時在攪拌槳的半邊區域上取8個動點A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8，以及A2、A4、A6的對稱點A'2、A'4、A'6作為示蹤點，攪拌槳運動仿真簡化模型如圖6所示。

圖6 行星攪拌機運動仿真模型

考慮實際生產中K的取值不可能太大，0＜K＜4即足夠，動點A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8對應的K取值如表1所示。

表1 攪拌槳動點的系數K取值列表

運動仿真時取R=30mm，ωH=ω=60 r/min，即1 r/s，仿真時長為1s，分40步，則每個步長為0.025s。在UGNX軟件中對仿真模型添加運動副約束、定義初始速度、轉速方向、定義示蹤點等設置后，分別按照C=0.5、C=1、C=1.5、C=2、C=2.5、C=3進行求解，得到動點的軌跡、位移曲線 （橫坐標是時間，單位是秒；縱坐標是位移的幅值，即距離原點的距離，單位是毫米）、速度曲線、加速度曲線分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 不同C值時攪拌槳上示蹤動點的運動軌跡

圖8 不同C值時攪拌槳上示蹤動點的位移曲線圖

圖9 不同C值時攪拌槳上示蹤動點的速度曲線圖

圖10 不同C值時攪拌槳上示蹤動點的加速度曲線圖

2.3 行星攪拌機運動仿真結果分析

對仿真得到的圖形分析得到以下主要的信息：

攪拌桶中心附近區域動點的軌跡密度比攪拌桶壁附近區域動點的軌跡密度大，同時即使仿真時攪拌槳與攪拌桶壁之間并無間隙，但靠近攪拌桶壁的區域總有一部分無動點軌跡，存在 “死區”現象，C值越小越明顯。

不管C值為多少，動點A8的軌跡始終是繞著桶中心以半徑為30mm做運動的圓周，位移幅值、速度幅值、加速度幅值都是恒定的。

C值越大，動點的軌跡密度越大，位移、速度、加速度曲線起伏變化的頻率越大，而且速度和加速度的幅值變化幅度越大，說明攪拌的作用越大、越激烈。并且只有C值大于2以上，動點的軌跡才能覆蓋攪拌桶的大部分區域，否則存在明顯的攪拌 “死區”，攪拌料無法得到良好的攪拌。但同時也存在矛盾的另一面，即C值越大，速度和加速度幅值變化的幅度越大，越容易產生振動，對設備的破壞影響越大。

位于攪拌槳同一個半圓區域的動點軌跡外形是類似的，位移曲線、速度曲線、加速度曲線變化的趨勢也是一樣的，特別是C值越小于等于2時更明顯，這樣各向異性的動點數量就少，影響攪拌的均勻性和效率，影響攪拌效果。

動點A1～A8的速度從大到小，與動點到攪拌槳中心的距離成正比，離攪拌桶壁越近的物料獲得的速度越大；當C值小于2時，遠離攪拌槳中心的動點最大速度與最小速度差值越大，當C值大于等于2時，這種現象則消失。

3 結語

通過對行星攪拌機的運動部件進行仿真分析，可知行星輪的自轉比公轉越快，攪拌槳的攪拌路徑越好，攪拌越激烈、效率越高，物料被攪拌得越均勻，并可以結合生產的實際條件進一步定量分析后得到太陽輪、行星輪較理想的齒數和尺寸。

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Abstract:Based on the UGNX software,this paper aims at the motion simulation analysis on the moving parts of a external gearing planet mixer produced by a chemical machinery company.As a result,it can fully and accurately gets the motion characteristics so as to give better advice about the design,production and usage of the planet mixer.

Key words:UGNX;Planet Mixer;Motion Simulation

Study on the Motion Characteristics of External Gearing Planet Mixer based on UGNX

CHEN Yong-tang1,PU Ming-hui2*

（1 College of Mechanical and Electrical Engineering,Liuzhou Vocational&Technical College,Liuzhou Guangxi 545006,China;2 College of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning Guangxi 530004,China）

TH132.4

A

1671-1084（2017）04-0114-07

DOI 10.16221/j.cnki.issn1671-1084.2017.04.026

2017-02-08

陳勇棠，碩士，柳州職業技術學院機電工程學院講師，研究方向為機械設計與制造及其自動化；*通訊作者，蒲明輝，廣西大學機械工程學院教授、碩士生導師，研究方向為CAD/CAM及虛擬樣機技術，E-mail：minghui@gxu.edu.cn。