基于Solidworks Motion的高方平篩仿真分析

吳軍永，張保偉*,付云峰

（河北蘋(píng)樂(lè)面粉機(jī)械集團(tuán)有限公司，河北 正定 050800）

FSFG6是一種6倉(cāng)高方平篩，是面粉廠的主要篩理設(shè)備，對(duì)研磨后各系統(tǒng)的磨下物起篩理和分級(jí)作用[1]。其主要工作部件是篩體，篩體通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)作平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[2]，篩體由6個(gè)篩倉(cāng)組成，每個(gè)篩倉(cāng)由若干個(gè)篩格疊置而成，可組成多樣化的篩理路線，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、篩路可長(zhǎng)短變化、篩格互換性強(qiáng)、更換維修方便、篩路靈活、分級(jí)細(xì)致、篩理效率高等特點(diǎn)。在現(xiàn)代制粉工藝過(guò)程中，占著相當(dāng)重要的地位，被稱為制粉行業(yè)的三大主機(jī)之一，其主要作用在于把研磨后的谷物混合物進(jìn)行篩理和分級(jí)，按散粒的物理特性分選成具有不同大小和品質(zhì)的物料，從而達(dá)到制取各種等級(jí)面粉的目的，同時(shí)也可作為打包前的檢查篩使用，被廣泛用于化工、醫(yī)藥、塑料及冶金等行業(yè)粉末狀物料的篩理和分級(jí)。

Solid Works是一款基于參數(shù)化實(shí)體特征的CAD設(shè)計(jì)軟件，simulation是一款基于有限元 （即FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，以Windows平臺(tái)為應(yīng)用環(huán)境，將仿真界面、仿真流程集成到Solid Works的設(shè)計(jì)過(guò)程中，提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析，以FSFG6高方平篩為分析對(duì)象，應(yīng)用Solid-Works建立其實(shí)體模型，并基于FEA數(shù)值分析方法，借助軟件插件Motion對(duì)其正常工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，得到其主要承力部件篩體框架結(jié)構(gòu)和篩箱部分的受力狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1 主體結(jié)構(gòu)與分析流程

1.1 主體結(jié)構(gòu)

FSFG 6倉(cāng)高方平篩由篩箱、傳動(dòng)箱、吊掛橫梁、篩格等部分組成[2]，裝有傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)箱與其兩側(cè)裝有一定數(shù)量篩格的篩箱通過(guò)螺栓連接在一起，并通過(guò)篩體吊掛橫梁連接組成高方平篩篩體，篩體分為兩個(gè)對(duì)稱的篩箱，每個(gè)篩箱由3個(gè)篩倉(cāng)組成，共6個(gè)篩倉(cāng)，如圖1、圖2所示。

圖1 FSFG 6高方平篩主體結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳動(dòng)箱與篩箱框架三維模型

每個(gè)篩倉(cāng)內(nèi)置若干個(gè)篩格，帶有偏重塊的主軸傳動(dòng)裝置安裝在篩體的中心，由自帶的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)篩體由吊掛裝置吊裝在廠房的大梁或鋼架上，整個(gè)篩體做平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，偏重塊可水平調(diào)節(jié)和上下調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)直徑和偏重塊重心高低的調(diào)整。

1.2 分析流程

仿真分析流程見(jiàn)圖3。

圖3 仿真分析流程

2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)高方平篩正常工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)這種分析可以得到其主要承力部件傳動(dòng)箱框架和篩箱框架比較直觀的受力狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡、速度及加速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[3]。

2.1 模型簡(jiǎn)化與參數(shù)提取

為減少有限元節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，提高計(jì)算效率，去除圓角、小孔等不影響整體分析的一些結(jié)構(gòu)特征來(lái)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化[4]，并對(duì)簡(jiǎn)化后的傳動(dòng)箱框架和篩箱框架進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，因分析對(duì)象多為型材焊接結(jié)構(gòu)，此次分析采用二階六節(jié)點(diǎn)殼單元，篩箱組合劃分單元為140 739個(gè)，節(jié)點(diǎn)為279 414個(gè)；鋼架焊合劃分單元為46 606個(gè)，節(jié)點(diǎn)為96 807個(gè)，分析對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)如圖4所示。

圖4 高方平篩簡(jiǎn)化模型

由Solidworks質(zhì)量屬性測(cè)量可得偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量676 kg，篩體質(zhì)量 （除偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件）3410kg，已知偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)速245 r/min，6倉(cāng)物料質(zhì)量約900 kg，水平阻尼0.10 N/mm/s（模擬空氣和摩擦阻尼），仿真計(jì)算運(yùn)動(dòng)時(shí)間60 s，簡(jiǎn)化后的運(yùn)動(dòng)分析模型及質(zhì)量、質(zhì)心的分布見(jiàn) 圖5～圖6。

圖5 篩體質(zhì)量質(zhì)心

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量質(zhì)心

2.2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

運(yùn)行Motion分析，我們可以得到高方平篩上任意零部件，任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，速度，加速度，角速度，角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)；同時(shí)還可以得到任意兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副連接件之間的相互作用力或力矩。圖7～圖9是高方平篩運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析后的輸出結(jié)果界面及力、運(yùn)動(dòng)軌跡等結(jié)果[5-6]。

圖7 高方平篩運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)結(jié)果界面

圖8 傳動(dòng)軸中心和篩箱左下角樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡俯視圖

圖9 傳動(dòng)軸中心和篩箱左下角樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡放大俯視圖

因分析中給有一定的阻尼，篩體從靜止啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行需要一定時(shí)間，所以1 min后篩體的運(yùn)動(dòng)就基本穩(wěn)定了，高方平篩傳動(dòng)軸中心運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)序如圖10所示，對(duì)應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表1。

圖10 高方平篩傳動(dòng)軸中心運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)序圖

表1 高方平篩傳動(dòng)軸中心運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)序表

3 結(jié)論

（1）從時(shí)序圖中可以看到，隨著時(shí)間的推移，運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸趨于圓形并向標(biāo)準(zhǔn)圓所在的位置靠近。

（2）從理論上講，偏心軸重心和篩箱組合的重心應(yīng)設(shè)計(jì)在一個(gè)水平面內(nèi)，這樣篩機(jī)在工作時(shí)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡就是相同的。但實(shí)際工作中很難保證這兩個(gè)重心嚴(yán)格位于同一個(gè)水平面內(nèi)，允許二者有一定誤差但不能過(guò)大。由圖7～圖10分析結(jié)果顯示，盡管這兩個(gè)點(diǎn)上下左右前后距離相差很遠(yuǎn)，但篩體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后的軌跡都是一直徑為70 mm的圓，這說(shuō)明該篩的重心設(shè)計(jì)沒(méi)有太大問(wèn)題。

（3）由圖7高方平篩運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可得篩體中傳動(dòng)箱框架和篩箱框架任意連接點(diǎn)的作用力和反作用力[7]，其上排、中排、下排5個(gè)樣點(diǎn)的平均作用力為1 250 N、1 200 N和1 280 N，說(shuō)明篩體重心和吊掛橫梁位置合理,同時(shí)其作用力也可作為載荷為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和模態(tài)分析提供數(shù)據(jù)支持。