1、引言
秸稈壓塊機(jī)是把松散的農(nóng)作物秸稈壓制成塊狀物料的設(shè)備。經(jīng)壓縮后的秸稈塊便于存放、牲畜易于咀嚼，營養(yǎng)也易于吸收，而且便于儲(chǔ)運(yùn)，同時(shí)也可制成燃能很高的生物質(zhì)燃料。我國是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)作物秸稈年生產(chǎn)6億多t，秸稈資源豐富。近幾年，隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展及農(nóng)業(yè)部關(guān)于秸稈綜合利用方案的推行，秸稈塊的需求存在著巨大的市場空間。為了更好更快的搶占市場，壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)水平需要進(jìn)一步提高。
隨著科技的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)已由傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。本研究適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢，綜合應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)與分析。本文采用UG軟件對秸稈壓塊機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)實(shí)體建摸和整機(jī)的裝配，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件取代手工計(jì)算對秸稈壓塊機(jī)進(jìn)行分析。此種設(shè)計(jì)方法不僅縮短了秸稈壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)周期，而且提高了設(shè)計(jì)精度，使秸稈壓塊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更趨合理。
2、秸稈壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)及原理
2.1建模思路
對秸稈壓塊機(jī)的CAD建模主要有兩種建模思路，分別是“自底向上”與“自頂向下”兩種。通常采用的設(shè)計(jì)思路是“自底向上”，這種方法是先構(gòu)造基本的幾何圖元，如點(diǎn)、線及面等，然后逐漸的向上構(gòu)造體，直到整個(gè)零件的生成。“自頂相下”的構(gòu)造思路基本相反。本文秸稈壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)合這兩種設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行混合設(shè)計(jì)。
2.2建模方法
LG軟件對產(chǎn)品的三維建模的具體方法有：顯式建模、參數(shù)建模、基于約束的建模及復(fù)合建模。為了使得建模后的壓塊機(jī)各機(jī)構(gòu)的重構(gòu)性更好，建模過程中多采用草圖的構(gòu)圖方式，使得所建模型的參數(shù)化更強(qiáng)，便于后續(xù)的修改。
2.3壓塊機(jī)總裝
最后對構(gòu)建好的壓塊機(jī)所有零部件進(jìn)行裝配，生成圖l秸稈壓塊機(jī)總裝圖：
運(yùn)用UG軟件的分解圖功能可清晰的了解壓塊機(jī)的各部件組成情況，如圖2所示：
2.4壓塊機(jī)的工作原理
壓塊原理：物料通過喂料斗及喂入螺旋機(jī)構(gòu)的輸送，被均勻、連續(xù)地喂入環(huán)模與壓輥之間的腔體中。通過環(huán)模與壓輥的相對運(yùn)動(dòng)把物料帶入環(huán)模與壓輥的間隙中，物料被旋轉(zhuǎn)的壓輥不斷地?cái)D入環(huán)模孔內(nèi)。在強(qiáng)烈的擠壓下，物料克服孔壁的摩擦阻力，不斷從環(huán)模孔中呈條狀擠出。擠出時(shí)，條狀的物料被機(jī)體外殼上的切片切成長度適宜的草塊。
3、壓塊機(jī)主軸的有限元分析
主軸是壓塊機(jī)的重要組成部件。秸稈壓塊時(shí)常出現(xiàn)物料堵塞的現(xiàn)象，這時(shí)主軸受到強(qiáng)大的扭矩作用。為了保證在最惡劣情況下主軸具有足夠的強(qiáng)度，需要對主軸進(jìn)行有限元分析。
3.1 ANSYS中主軸模型的導(dǎo)入
通過IGES接口把UG中建好的主軸模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析。圖3是導(dǎo)入ANSYS的主軸幾何實(shí)體模型。
3.2對主軸進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分
ANSYS中網(wǎng)格劃分的方法主要有自由、映射以及掃掠等方法。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到后續(xù)計(jì)算的速度與計(jì)算的精度。此處為了使得劃分的網(wǎng)格均勻，采用掃掠與自由劃分相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
圖4為網(wǎng)格劃分示意圖（有限元模型）。由于結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，適宜采用ANSYS9.0中的solid95六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果：節(jié)點(diǎn)總數(shù)為19168，單元總數(shù)為12024。
3.3 求解
在求解之前定義有限元分析的邊界條件，分別為鍵槽的自由度約束與軸端裙板最大扭矩的施加。
求解得到階梯軸的最小直徑∮75處的最大剪切應(yīng)力為12.9Mpa，小于許用應(yīng)力40Mpa。軸的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4分析比較
經(jīng)過ANSYS的分析計(jì)算得到075軸的橫截面應(yīng)力分布如圖5。X，Y坐標(biāo)分別為主軸徑向的兩個(gè)坐標(biāo)，Y軸延裙板豎直方向，主軸圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)。圖6為Ø75軸剪切應(yīng)力的等值線圖。
根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，階梯軸應(yīng)力分布完全符合實(shí)際應(yīng)力分布情況。證明了ANSYS分析結(jié)果的正確性。
根據(jù)材料力學(xué)的最大應(yīng)力計(jì)算公式：
理論計(jì)算得到∮75軸所受最大應(yīng)力值為11.5Mpa，這與有限元分析的結(jié)果最大剪切應(yīng)力為12.9Mpa很相近。進(jìn)一步證明了ANSYS有限元分析軟件分析結(jié)果的正確性。
4、主軸的模態(tài)分析
4.1模態(tài)的概念
模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一種屬性，表征模態(tài)的特征參數(shù)是振動(dòng)系統(tǒng)各階固有頻率、振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等。不論何種阻尼情況，機(jī)械結(jié)構(gòu)對外力的響應(yīng)都可以表示成固有頻率、阻尼比與振型等模態(tài)參數(shù)組成的各階振型模態(tài)的疊加。模態(tài)分析就是用模態(tài)參數(shù)來表示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程并確定模態(tài)參數(shù)的過程。
有限元模態(tài)分析的核心問題就是找到結(jié)構(gòu)的各階固有頻率以及機(jī)構(gòu)的彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的分布情況。知道了固有頻率，就可以指導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用。使得設(shè)計(jì)固有頻率和使用時(shí)的外部激振頻率相避開。同時(shí)根據(jù)剛度的分布情況可以指導(dǎo)機(jī)構(gòu)剛度的改進(jìn)，提高整體剛度分布，以保證機(jī)構(gòu)使用的可靠性。
4.2主軸的有限元模態(tài)分析
主軸的彈性模量E=2.08xl05MPa，泊松比u=0.3，密度p 1.8x10.6Kg/mm3。根據(jù)主軸的材料與幾何參數(shù)，采用Block Lanczos（蘭索斯法）方法，計(jì)算得到主軸前25階振型，其中主要振型如下表：
4.3主軸模態(tài)的結(jié)果分析
由振型的分布情況可以看出，當(dāng)外部激振頻率低于22Hz時(shí)，主軸整體機(jī)構(gòu)的剛性足夠。當(dāng)激振頻率大于150Hz，并且不斷增高后，階梯軸將不受到擾動(dòng)，工作穩(wěn)定。但此時(shí)，裙板的變形明顯增大，剛性嚴(yán)重不足。當(dāng)工作頻率高于51Hz時(shí)，需要改變?nèi)拱宓某叽缁蚪Y(jié)構(gòu)
來提高其剛性。
5、結(jié)論與討論
D通過以上的一系列分析計(jì)算與比較，充分證明了ANSYS有限元分析軟件的可靠性，采用此種設(shè)計(jì)方法可大大提高壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)效率。
2)由本文的計(jì)算結(jié)果可知，主軸的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，有很大的改進(jìn)空間。由以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，空心軸比實(shí)心軸具有更良好的抗扭矩能力，而且又節(jié)省材料。所以有必要對主軸進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
優(yōu)化后可以很方便的通過ANSYS軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證或直接采用ANSYS軟件對主軸進(jìn)行自動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。
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秸稈顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。
