攪拌連桿機構的熱分析

蔣冉 程虎豐

摘 要：以熱力學理論為基礎，使用三維建模軟件及其有限元分析插件，建立攪拌連桿機構的三維模型。通過定義相觸熱電阻、對流系數、熱量和初始溫度等熱力學分析邊界條件，模擬實際使用的熱力學工況。通過熱力學分析得到攪拌連桿機構的瞬態熱力學響應曲線，所得的溫度-時間響應曲線的起始溫度數值與結束溫度的數值相同，即所得瞬態熱力學響應曲線收斂，從而為攪拌連桿機構的設計提供了可靠依據。

關鍵詞：熱力學 瞬態 熱電阻 對流

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0007-02

隨著食品行業的快速發展，近年來越來越多的客戶對攪拌連桿機構所對應的產品提出小型化的需求。該產品小型化后，受到本身結構限制、關鍵元氣件選型和耗散熱量作用等因素，使得攪拌連桿機構內部的溫度有可能超出關鍵元器件尤其是不銹鋼軸承的允許范圍，會降低元器件的性能以及壽命，進而導致故障，降低整個系統的穩定性，甚至造成故障及使用壽命的下降。因此，在攪拌連桿機構中如何控制好內部的溫度，給攪拌連桿機構提供良好的運行環境，是攪拌連桿機構設計及系統穩定運行的關鍵所在。在攪拌連桿機構的產品開發中，由于受外形尺寸、食品要求、散熱方式、元器件尺寸、元器件使用溫度等因素的限制，產品設計難度較大，所以需要一種適合于攪拌連桿機構的熱力學設計分析方法。本文以熱力學為理論基礎，基于SolidWorks Simulation軟件，建立了攪拌連桿機構熱設計模型，分析了溫度場隨時間的變化規律，為攪拌連桿機構穩定運行建立了理論依據。

1 攪拌連桿機構的構型

如圖1所示，中間位置為驅動連桿，可以加載整個結構的運動角速度，運動的軸線為驅動連桿的長度方向上的中心軸線。驅動連桿的一端用圓柱運動副連接攪拌連桿的中部，此位置為關鍵元器件不銹鋼軸承的裝配位置，也是分析軟件的溫度探測位置。而攪拌連桿的彎曲頭部為攪拌輸出部位，受恒力載荷，此恒力載荷的位置也是熱量瞬態熱源激勵系統輸入部位。攪拌連桿在遠離彎曲頭的一端與二力連桿采取鉸鏈運動副連接。二力連桿的另外一端與調整滑塊采取鉸鏈運動副連接。調整滑塊與驅動連桿圓柱運動副連接。攪拌連桿機構含有兩個自由度：一個是輸入驅動連桿的角速度；另一個是調整滑塊與驅動連桿圓柱一端的距離定義為位姿間距。

2 攪拌連桿機構的熱力學理論

攪拌連桿機構的熱分析主要涉及的是熱傳遞的相關知識。熱傳遞機理主要有3種：傳導、對流和輻射。傳導是固體中熱傳遞最重要的方式，通過分子間的碰撞來傳遞熱量。熱量的傳導方式是從高溫區傳遞到低溫區。傳遞熱量大小與介質熱導率、溫度梯度和通過面積成正比；與介質厚度成反比。對流是一種傳熱模式，即固體表面與附近流體間的傳熱。固體表面與附近流體對流傳熱的大小與對流系數、表面積和表面與周圍流體之間的溫度差。對于結構中接觸零件采用熱電阻設置。兩個固體壓在一起不能完全接觸。因為兩個零部件都有一定的表面粗糙度，所示接觸部位有一層薄薄的空間接觸間隙。兩個零部件接觸有固體點接觸的熱傳導，也有內部氣隙的熱對流，軟件分析對于熱電阻的數值可以根據實驗值進行設置。進行瞬態熱力學分析，迭代次數和初始溫度的設置也至關重要。SolidWorks Simulation與SolidWorks完全集成的設計分析系統。SolidWorks Simulation提供了應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析等解決方案。所涉及的內容有線性靜態、頻率、動態等分析。該軟件采用了有限元方法。有限元方法是一種用于分析工程設計的數字方法。有限元方法由于其通用性適合使用計算機來實現，因此已被公認為標準的分析方法。

3 攪拌連桿機構的熱力學模擬

攪拌連桿機構是一個比較復雜的結構，建模時應盡量簡化模型的規模，如管線、螺釘、倒角等對分析影響不大的部件或特征都可被忽略掉。攪拌連桿機構主要由驅動連桿、攪拌連桿、二力連桿和調整滑塊組成。在SolidWorks軟件中建立模型，簡化模型見圖1。材質選用304食品級不銹鋼，其彈性模量E=190GPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=8000kg/m3。熱膨脹系數為1.8e-005/K，熱導率為16W/（m·K），比熱為500J/（kg·K）實體轉化為有限元模型后，采用網格自由劃分。使用工況為，在一個運行周期，攪拌連桿機構的彎頭將會接觸一次熱源，熱源會對結構產生一個熱沖擊，輸入一定熱量。

經過三維建模軟件及其有限元插件的分析，獲得攪拌連桿機構的關鍵元器件不銹鋼軸承裝配安裝處的溫度和時間的瞬態熱力學分析數值曲線。如圖2所示，圖中的溫度隨時間的變化線，橫坐標為響應時間40s，縱坐標為溫度變化，其值峰值為112℃與攪拌連桿的關鍵元器件不銹鋼軸承許用溫度120℃相比較為安全使用區間；溫度隨時間的變化曲線的起始溫度和收斂溫度分別為47℃，其數值與穩態熱力學分析的結果相互一致，滿足工程實際設計需要。

4 結語

使用三維建模軟件及其有限元插件，不僅可以成功求解攪拌連桿機構的熱力學分析問題，而且方法簡單，模型精確，結論可信。攪拌連桿機構的熱分析結果表明內部關鍵元器件不銹鋼軸承的設計溫度滿足工程設計的許用溫度值。攪拌連桿機構的熱分析結果表明，經過對攪拌連桿機構的內部結構和元器件優化布置，攪拌連桿機構外形尺寸得到優化，達到小型化的同時兼顧熱力學指標的機械設計目的。

參考文獻

[1] 朱自清，吳柯銳，郭永生，等.元器件布局對機箱溫度場的影響[J].山西電子技術，2017（5）：139-164.

[2] 陳超祥.SolidWorks Simulation高級教程[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 葛雋，何聞.晶體管水冷散熱器的熱力分析及仿真研究[J].機床與液壓，2008，36（5）：161-164.

[4] 于麗麗，王為民，王亮，等.雙層保溫熱力管路的數值計算[J].科學技術與工程，2012（29）：228-231.