基于有限元法的攪拌機(jī)改進(jìn)

李悅 張印 張寒

摘要：針對現(xiàn)有的攪拌機(jī)實(shí)施改進(jìn)策略，在改進(jìn)過程中既要兼顧新型改進(jìn)的需求，改善原有攪拌機(jī)中的不足之處，又要最大限度使用原有攪拌機(jī)的零件，以加快進(jìn)度、降低成本、提高效率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，得出一個(gè)新型攪拌機(jī)的改進(jìn)方案。運(yùn)用有限元法對改進(jìn)后的攪拌機(jī)中的主要部件進(jìn)行分析，從而提高新型攪拌機(jī)的優(yōu)越性。本文通過有限元法的分析，設(shè)計(jì)新型攪拌機(jī)的虛擬樣機(jī)。

關(guān)鍵詞：有限元法;攪拌機(jī);改進(jìn)

1原有攪拌機(jī)存在的不足

1.1原有攪拌機(jī)中電機(jī)傳動(dòng)或齒輪的位置存在漏油現(xiàn)象，原因是潤滑的形式不是潤滑脂潤滑;再加上電機(jī)傳動(dòng)的形式不準(zhǔn)確，并且安裝精度又不高，因此會(huì)出現(xiàn)在攪拌機(jī)工作時(shí)發(fā)生漏油情況。

2.2原有的攪拌機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的噪音可以達(dá)到70～90dB，并且伴隨振動(dòng)。出現(xiàn)噪音和振動(dòng)的原因：一是傳動(dòng)軸出現(xiàn)了問題，直線度沒有做校正處理或沒有處理好;二是分散盤的高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到臨界值產(chǎn)生了共振;三是齒輪不對稱傳動(dòng)而產(chǎn)生的噪音。

3.3由于攪拌機(jī)的工作部分為高速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪等零部件，所以長期高速運(yùn)轉(zhuǎn)的密封部件易導(dǎo)致攪拌機(jī)損壞。

2新型攪拌機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)需求與方案

2.1新型攪拌機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)需求

為降低改進(jìn)成本、減小設(shè)計(jì)難度，這里在傳統(tǒng)攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)施改進(jìn)設(shè)計(jì)。一方面，借助原有攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn)，通過改進(jìn)現(xiàn)有攪拌機(jī)中的不足之處，根據(jù)最快速、最高效的方案設(shè)計(jì)一款新型的攪拌機(jī)。另一方面，沿用原有攪拌機(jī)中的部件，對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，使新型攪拌機(jī)的攪拌效率和效果大幅度提升。

2.2新型攪拌機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

一是改正電機(jī)傳動(dòng)的形式，提高安裝精度;選用潤滑脂潤滑，避免漏油。二是校正傳動(dòng)軸的直線度。三是減少電機(jī)數(shù)量，去掉分散盤和分散軸。

3有限單元法的基本理論

3.1基本假設(shè)

有限元法（FEA）就是將復(fù)雜的問題簡化，并對其進(jìn)行求解，即通過連續(xù)的求解域離散后組合成一個(gè)單元，將假設(shè)的函數(shù)放在每個(gè)單元內(nèi)，然后通過賦值的方法來表達(dá)函數(shù)，即待求解的未知函數(shù)及各個(gè)單元點(diǎn)上的數(shù)值差值函數(shù)，這樣就能用所賦值的函數(shù)表示單元內(nèi)未知場的函數(shù)。有限元法的假設(shè)依據(jù)：第一，物體是由連續(xù)的介質(zhì)構(gòu)成，通過用數(shù)學(xué)的方法表達(dá)物體的變量及內(nèi)力分布，將彈性、抽象的問題變成可解的數(shù)學(xué)問題。第二，忽略不計(jì)物體變形產(chǎn)生的變化，包括尺寸、形狀等。第三，介質(zhì)所受的力的方向和作用效果是一樣的。

3.2基本方程

有限元法的力學(xué)特性研究過程建立在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算得出在外力作用下通過變性物體素產(chǎn)生的物理變化。有限元法的目的是解決機(jī)械設(shè)計(jì)中的問題，保證設(shè)計(jì)的合理性，有效保證物體的強(qiáng)度和剛度?；痉匠虨橐韵聨讉€(gè)：

3.2.1幾何方程

3.2.2物理方程

4主要工作部件應(yīng)用有限元法的靜力學(xué)分析

4.1攪拌軸靜力學(xué)分析

4.1.1建立有限元模型

建立模型的步驟：選擇45鋼材料，將彈性模量設(shè)定為 ，泊松比 ，密度 ;按照全約束安裝軸承;將制作成功的攪拌軸三維模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，判斷劃定單元與節(jié)點(diǎn)。劃分單元個(gè)數(shù)1451，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)1826。

4.1.2計(jì)算結(jié)果與分析

由計(jì)算結(jié)果可知，攪拌軸的的最大等效應(yīng)力是114.6MPa，小于45鋼的材料屈服強(qiáng)度（355MPa），因此不會(huì)出現(xiàn)損壞。由合位移的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，攪拌軸的最大位移為0.075mm。所以分析現(xiàn)有的攪拌軸的強(qiáng)度和剛度已經(jīng)不能滿足最大效率攪拌的需求，雖然現(xiàn)有的攪拌機(jī)的安全系數(shù)較高，但卻設(shè)計(jì)保守且浪費(fèi)材料，因此需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對攪拌軸進(jìn)行改進(jìn)，簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料。

4.2攪拌槳靜力學(xué)分析

4.2.1建立有限元模型

建立模型的步驟：選擇304不銹鋼，將彈性模量設(shè)定為 ，泊松比 ，密度 ;按照約束安裝軸承;將制作成功的攪拌軸三維模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，判斷劃定單元與節(jié)點(diǎn)。劃分單元個(gè)數(shù)2015，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)2084。

4.2.2計(jì)算結(jié)果與分析

由計(jì)算結(jié)果可知，攪拌槳的的最大等效應(yīng)力是35.8MPa，小于304不銹鋼的材料屈服強(qiáng)度（200MPa），因此不會(huì)出現(xiàn)損壞。由合位移的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，攪拌槳的最大位移為0.057mm。所以，等效應(yīng)力中低應(yīng)力的位置較多，合位移中大部分位置也都處于較低的范圍，因此設(shè)計(jì)上還留有較大的空間，安全系數(shù)較高，但易浪費(fèi)材料，因此需要依據(jù)計(jì)算結(jié)果對攪拌槳進(jìn)行改進(jìn)，簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料。

5結(jié)束語

設(shè)計(jì)初雖然強(qiáng)度和剛度都滿足攪拌機(jī)的工作需求，但是卻存在較大的改進(jìn)空間，這為攪拌機(jī)的輕量化改進(jìn)提供了可靠的依據(jù)。攪拌機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，還可以在床身、支架及傳動(dòng)軸上進(jìn)行優(yōu)化，將重要零部件實(shí)行輕量化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步節(jié)約材料，提升攪拌效率，選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)期的攪拌效果。

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