振動(dòng)輸送機(jī)是利用激振器使料槽振動(dòng)，從而使槽內(nèi)物料沿一定方向滑行或拋移的連續(xù)輸送機(jī)械，振動(dòng)輸送機(jī)的軸承座作為動(dòng)力傳動(dòng)支承部件，要求必須具備良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)制造工藝性。振動(dòng)輸送機(jī)軸承座種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過程中對強(qiáng)度和抗振性的要求很高，設(shè)計(jì)人員往往難以進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)和分析，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法存在設(shè)計(jì)周期長、修改不便和試制樣機(jī)成本高的缺點(diǎn)。為了解決這些問題，筆者嘗試著運(yùn)用Pro/E軟件的CAD強(qiáng)大功能對我廠一種振動(dòng)輸送機(jī)的軸承座進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合ANSYS Workbench軟件的CAE功能展開有限元分析，以此來檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，為振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1、CAD/CAE集成仿真技術(shù)
隨著仿真技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以三維實(shí)體建模技術(shù)為核心的CAD軟件、以虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)為核心的CAE軟件日益成熟，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。兩種軟件的發(fā)展各有側(cè)重，CAD軟件側(cè)重三維實(shí)體設(shè)計(jì)而分析能力較弱，CAE軟件工程分析能力強(qiáng)大而建模能力弱，這些特點(diǎn)在一定程度上影響了軟件功能的充分發(fā)揮。
近年來，借助CAD軟件和CAE軟件之間良好的無縫連接功能發(fā)展了CAD/CAE集成仿真技術(shù)，充分發(fā)揮軟件各自的優(yōu)勢功能，協(xié)同仿真的作用愈加突出。圖1所示為本文所建立的振動(dòng)輸送機(jī)軸承座CAD/CAE集成仿真技術(shù)路線，該方法通過工程設(shè)計(jì)技術(shù)與建模、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化技術(shù)的集成，能將設(shè)計(jì)過程、分析過程及分析結(jié)果等資源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于振動(dòng)輸送機(jī)軸承座數(shù)據(jù)管理庫中，實(shí)現(xiàn)對軸承座相關(guān)的數(shù)據(jù)、過程和資源一體化的管理，為后期的設(shè)計(jì)及分析提供必要的數(shù)據(jù)資源支持；同時(shí)還有助于企業(yè)通過建模空間和仿真空間，建立不同的概念模型，提取仿真模型的表現(xiàn)，并觀察仿真計(jì)算的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)輸送機(jī)軸承座模型快速、有效的改進(jìn)，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2、振動(dòng)輸送機(jī)軸承座有限元模型的建立
振動(dòng)輸送機(jī)軸承座是一種系列化的產(chǎn)品，在三維幾何模型設(shè)計(jì)過程中，采用參數(shù)化建模，模型具有可變性、可重用性，能進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，可以在遵循原設(shè)計(jì)意圖的前提下方便地改動(dòng)模型，生成系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。基于這種參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，并結(jié)合Pro/E軟件強(qiáng)大的建模功能建立了振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的動(dòng)態(tài)數(shù)字模型，如圖2所示。另外還可利用Pro/E軟件的渲染功能對振動(dòng)輸送機(jī)軸承座模型進(jìn)行色彩、材質(zhì)、紋理和光照處理，增強(qiáng)仿真模型的真實(shí)感。
Pro/E軟件與ANSYS Workbench軟件之間具有良好的無縫連接特性，可以把Pro/E所建的模型直接導(dǎo)人ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)輸送機(jī)軸承座采用20Cr制造，材料為各向同性、介質(zhì)均勻。由于振動(dòng)輸送機(jī)軸承座形狀較為復(fù)雜，網(wǎng)格采用ANSYS Workbench中的智能分網(wǎng)方法( Smart, Size)，劃分網(wǎng)格后振動(dòng)輸送機(jī)軸承座有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)力4735，單元數(shù)為2386，網(wǎng)格生成如圖3所示，約束形式為對底座施加兩個(gè)螺栓固定約束。完成以上設(shè)置后即可模擬實(shí)際工作狀況，按照本文所擬定的技術(shù)路線對振動(dòng)輸送機(jī)軸承座進(jìn)行CAE分析，評價(jià)仿真結(jié)果，得出相關(guān)分析結(jié)論。
3、振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的靜力學(xué)有限元分析
振動(dòng)輸送機(jī)軸承座在實(shí)際工作狀態(tài)下，受力情況比較復(fù)雜，本文采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)把載荷簡化成軸向力為3000N和徑向力為4000N，仿真求解完成后振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖4、圖5所示。
從圖4可以看出，振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的最大應(yīng)力為187. 89MPa，小于許用應(yīng)力（許用應(yīng)力為270MPa），滿足強(qiáng)度要求，在實(shí)際工況下不會(huì)發(fā)生塑性變形，并且最大應(yīng)力發(fā)生在振動(dòng)輸送機(jī)軸承座結(jié)構(gòu)的拐角處，這是因?yàn)檫@些區(qū)域容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了避免這種情況對振動(dòng)輸送機(jī)軸承座造成結(jié)構(gòu)的破壞，本文建議適當(dāng)增加拐角區(qū)域過渡圓角的半徑，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，最大程度地減小殘余應(yīng)力。從圖5所示可以看出，振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的整體變形比較均勻，最大變形為0.163 mm，滿足靜剛度要求（靜剛度要求為最大變形不允許超過0.2mm）。因此，該振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，具有良好的靜力學(xué)特性。
4、振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的模態(tài)有限元分析
由于在實(shí)際工況下振動(dòng)輸送機(jī)軸承座承受交變載荷，也可能由于外界的激勵(lì)形成振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，造成振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的破壞，影響傳動(dòng)的精度和穩(wěn)定性，因此模態(tài)分析是必不可少的一部分，為了提高求解的精度和效率，本文將對振動(dòng)輸送機(jī)軸承座進(jìn)行有限元模態(tài)仿真研究。
模態(tài)分析主要用于確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性——固有頻率和振型。在結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析中，各階模態(tài)所具有的權(quán)重因子大小隨著該模態(tài)頻率的增大而減小，即低階模態(tài)特性基本決定了振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的動(dòng)態(tài)性能。在此只研究振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的前四階固有頻率和振型，本文運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件模態(tài)分析中的子空間迭代法，在無阻厄、自由振動(dòng)這兩種假設(shè)情況下，進(jìn)行固有頻率和振型的有限元求解，結(jié)果如表1和圖6所示。
表1振動(dòng)輸送機(jī)軸承座前四階固有頻率
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階數(shù) |
固有頻率/HZ |
振型 |
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1 |
1226.4 |
前后振動(dòng) |
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2 |
3398.5 |
左右振動(dòng) |
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3 |
3826.5 |
前后振動(dòng)和左右振動(dòng) |
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4 |
6258.5 |
向前凸振 |
從圖6所示的振型圖中可以看出，振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的振型幅值不大，高階頻率的激勵(lì)對振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的振動(dòng)影響也不大，而且整體動(dòng)態(tài)變形比較均勻，說明該振動(dòng)輸送，機(jī)軸承座的整體動(dòng)剛度和質(zhì)量分布較為均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的動(dòng)力學(xué)性能。
5結(jié)語
本文通過利用CAD軟件Pro/E的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能建立了一種振動(dòng)輸送機(jī)軸承座的三維幾何模型，并運(yùn)用CAE軟件ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析，證明了振動(dòng)輸送機(jī)軸承座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。而且模態(tài)分析的結(jié)果表明，振動(dòng)輸送機(jī)軸承座動(dòng)剛度較為均勻，具有良好的動(dòng)力學(xué)特性。本文的研究表明，對振動(dòng)輸送機(jī)軸承座進(jìn)行CAD/CAE集成仿真分析，可以減少試驗(yàn)次數(shù)和試制樣機(jī)造成的不必要浪費(fèi)，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。
三門峽富通新能源生產(chǎn)顆粒機(jī)、飼料顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、皮帶輸送機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
