一種基于有限元分析的碎米分離機(jī)設(shè)計(jì)

徐莉

摘要：為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對食品品質(zhì)的需求，設(shè)計(jì)一種碎米分離機(jī)。該機(jī)器以連桿機(jī)構(gòu)加振動(dòng)篩為碎米分離方案，對碎米進(jìn)行分離。設(shè)計(jì)過程中分別對振動(dòng)篩的極限位置進(jìn)行理論分析，對主要連桿通過加約束和載荷來進(jìn)行有限元分析，以確定其變形參數(shù)和應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示連桿加載后的變形在合理范圍內(nèi)，應(yīng)力不超過所選用材料的許用強(qiáng)度的結(jié)論，證明該碎米分離機(jī)的設(shè)計(jì)合理有效。

Abstract： In order to satisfy people's demand of food， a separate machine of rice and fragment is designed. Scheme on separate of rice and fragment is link and oscillating screen. In the process of design， the limit position of oscillating screen is analyzed， the finite element analysis of main link is done by exerting the restrain and loading on it to ascertain deformation and stress. The result shows that the deformation is in reasonable range after loading， the stress is less than allowable intensity of material. It can be proved that the separate machine of rice and fragment is reasonable.

關(guān)鍵詞：碎米分離；連桿；有限元；變形；應(yīng)力

Key words： separate of rice and fragment；link；finite element analysis；deformation；stress

中圖分類號：TQ051.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0122-02

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)，科學(xué)技術(shù)在不斷地進(jìn)步，人們不斷地提高的生活水平使得人們對食品的要求也不再是只能解決溫飽問題，而是高質(zhì)量綠色環(huán)保，同時(shí)越來越注重糧食的加工品質(zhì)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和人類生活的重點(diǎn)。收獲后的糧食中有許多不需要的摻雜物，如雜草、米粒、秸稈、石子以及未成熟的、破碎的、退化的、機(jī)械損傷的糧食顆粒。因此糧食需經(jīng)過分離機(jī)的分離加工處理，去除掉不需要的摻雜物，所以分離機(jī)產(chǎn)品具有十分重要的作用。設(shè)計(jì)出一種滿足市場要求的既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的碎米分離機(jī)就成為一個(gè)重要的研究課題。

1 碎米分離機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 國外狀況

20世紀(jì)70年代以來米粒加工業(yè)的興起使風(fēng)篩式分離機(jī)在一些發(fā)達(dá)國家有了較快的發(fā)展，其中西歐北美的一些國家在生產(chǎn)和使用方面均居領(lǐng)先地位，這些產(chǎn)品除滿足本國需要外還遠(yuǎn)銷世界各地，它們在技術(shù)上各有特點(diǎn)。

1.2 國內(nèi)狀況

我國對糧食分離機(jī)械的研究生產(chǎn)起步較晚。首批樣機(jī)在20世紀(jì)50年代引進(jìn)，手動(dòng)風(fēng)車溜篩是最早的產(chǎn)品，分離效果不佳生產(chǎn)率低。60年代的產(chǎn)品是電動(dòng)揚(yáng)場機(jī)，雖提高了生產(chǎn)效率，但分離效果仍不理想。70年代開始了對糧食滾筒篩分離機(jī)的研制。80年代進(jìn)入了新的發(fā)展階段。進(jìn)入90年代，分離技術(shù)和設(shè)備都有了更好的發(fā)展。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，基本形成了具有我國特色適應(yīng)我國廣大用戶需要、品種規(guī)格較齊全的、自行研究和生產(chǎn)的加工體系。

2 碎米分離機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

2.1 工作原理分析及方案確定

常規(guī)分離法是利用碎米的幾何尺寸、空氣動(dòng)力學(xué)特性及比重等物理機(jī)械特性進(jìn)行篩選，有風(fēng)選、篩選、風(fēng)篩選、風(fēng)篩窩眼選、比重選、窩眼選。風(fēng)篩式分離機(jī)、比重式分離機(jī)、窩眼筒式分離機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的碎米分離機(jī)種類。其中風(fēng)篩式碎米機(jī)，主要利用米粒與夾雜物的幾何尺寸和懸浮速度差異進(jìn)行篩選和風(fēng)選；比重式碎米分離機(jī)利用物料中各成分的比重不同進(jìn)行分離；窩眼筒分離機(jī)利用米粒在窩眼筒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，米粒雜質(zhì)長度尺寸和運(yùn)動(dòng)途徑不同來達(dá)到分離雜物的目的。

根據(jù)以上對現(xiàn)有的碎米分離機(jī)的分析，決定設(shè)計(jì)一種利用米粒的外形尺寸和空氣動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行精選的復(fù)式碎米分離機(jī)。首先，通過改變吸風(fēng)道截面積的大小，得到不同的氣流速度分離輕重雜質(zhì)；然后利用米粒和混雜物幾何尺寸的差別，通過一定規(guī)格的篩孔來分離雜質(zhì)和瘦弱籽粒；最后，通過篩孔按米粒的長度不同分離各種雜物，達(dá)到分離的目的。

2.2 總機(jī)的組成

所設(shè)計(jì)的復(fù)式碎米分離機(jī)方案為由電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)通過V帶帶動(dòng)主驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)魚鱗篩和篩箱的運(yùn)動(dòng)來完成分離任務(wù)。輔助設(shè)計(jì)兩個(gè)風(fēng)機(jī)，起到除雜、吸塵的作用。

本次設(shè)計(jì)的復(fù)式碎米分離機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2.3 連桿的設(shè)計(jì)

碎米分離機(jī)主要設(shè)計(jì)零件包括：一個(gè)分離小的雜物和去除灰塵的魚鱗篩、六個(gè)沖孔篩、一個(gè)起傳動(dòng)和支撐作用的四桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)不僅驅(qū)動(dòng)魚鱗篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，還要連動(dòng)后面的篩箱作弧線運(yùn)動(dòng)，對篩分起到關(guān)鍵性的作用，故為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

技術(shù)參數(shù)方面，按進(jìn)料口的大小確定所處理的水稻單位篩面面積允許的處理量為0.226kg/cm2h。水稻進(jìn)料量為400kg/h。該參數(shù)將用于確定連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)，保證其足夠的強(qiáng)度。

通過各方面考量后，確定連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

實(shí)線表示碎米分離機(jī)的篩箱最近端，是平衡位置同時(shí)也是一個(gè)極限位置。虛線表示碎米分離機(jī)為篩箱最遠(yuǎn)端位置，是另一個(gè)極限位置。在平衡位置時(shí)，L3與水平線成85度，到另一個(gè)極限位置時(shí)，擺動(dòng)6.5度，平衡位置時(shí)，L4與水平面成10度角，L4運(yùn)動(dòng)的方向角為8度，行程為60mm。

根據(jù)碎米分離機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡圖，可以算出：L1=267mm；L2=932mm；L3=324mm；L4=1400mm；L5=600mm；L6=235mm；L7=500mm。

3 對連桿的有限元分析

通過對連桿機(jī)構(gòu)的各桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析可知，桿5處于中間傳動(dòng)的位置，其上有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，受力相對比較復(fù)雜，承載較大，對強(qiáng)度要求較高，故對桿5進(jìn)行有限分析。

首先用Solidworks建立三維模型，如圖3所示。然后將模型導(dǎo)進(jìn)有限元分析ansys軟件，選定材料為45號鋼，材料的彈性系數(shù)為2.01e11，泊松比為0.3，密度為7.8 e3。以參數(shù)為3進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。然后加約束和載荷，限制中間孔的Y軸自由度，限制底平面的全自由度，將上圓孔的左半孔面和下圓孔的左半孔面定為加載位置，進(jìn)行加載，具體見圖5所示。按設(shè)計(jì)計(jì)算可知，所加載荷大小為Ft=2.56×106N，加載后，桿5的變形如圖6所示。從圖中可知，變形情況為X軸0.000479mm，桿5上的應(yīng)力分布情況如圖7所示，最大應(yīng)力發(fā)生在中間孔軸線處，大小為50.589MPa。

通過數(shù)據(jù)分析可知，加載后桿5的變形在合理范圍內(nèi)，最大應(yīng)力也小于材料的許用強(qiáng)度。

4 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)給出了碎米分離的方案，以連桿機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)振動(dòng)篩完成碎米分離功能，方案較合理可行。通過有限元對所設(shè)計(jì)的連桿進(jìn)行分析，得出變形和應(yīng)力分布的情況。

所得數(shù)據(jù)顯示，變形在合理范圍內(nèi)，應(yīng)力也不超過材料的許用強(qiáng)度，這保證了該碎米分離機(jī)預(yù)定的篩分效率的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然設(shè)計(jì)中也存在不足，比如傳動(dòng)方案能否更簡單有效、連桿構(gòu)件能否在保證篩分效率和篩分率的同時(shí)再輕薄短小一些以適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械綠色環(huán)保的要求等等，這都將是今后深入研究的方向和目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]JFQS-13×20型碎米分離器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2010（18）：66.

[2]曾小溪，郭子豪.我國大米市場價(jià)格波動(dòng)特征及趨勢分析[J].價(jià)格理論與實(shí)踐，2015.

[3]張妍，趙立欣.農(nóng)林生物質(zhì)原料篩分技術(shù)與設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015.

[4]戴紫孔.機(jī)械式立體停車設(shè)備有限元分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011（04）.