【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擇為 HT200 的鑄造件，并且兩端軸承由于考慮受力不同的問題，所選擇軸承均為角接觸球軸承，但內(nèi)徑不同，分別為7006C 和 7007AC。其固定螺栓選擇M10x30，設(shè)計(jì)三維圖如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)揉桶固定架設(shè)計(jì) 揉桶固定架主要是用來固定揉桶，在其中一個(gè)臂上固定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其自動(dòng)化加壓裝置的副軸，并且在揉捻機(jī)工作時(shí)受到茶葉的反作用力，故在固定自動(dòng)化加壓裝置的副軸處進(jìn)行加厚，其材料選擇為 HT200，固定軸的固定螺栓選擇 M14，固定揉桶的半圓頭螺栓選擇 M14，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 所示： 圖 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)自動(dòng)化加壓裝置副軸設(shè)計(jì) 揉捻機(jī)在經(jīng)過自動(dòng)化改造后，將在副軸頂端加裝上一個(gè)傳感器，來控制工作時(shí)加壓蓋對(duì)茶葉的壓力，并將數(shù)據(jù)傳遞給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，副軸一側(cè)開槽，將內(nèi)部裝有的絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，變成直線移動(dòng)輸出，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。其材料選擇合金碳鋼，但底端端蓋用 HT200 與副軸做焊接，并用 M12 螺栓組與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱連接，且兩端軸 承選擇7006C 的角接觸球軸承，正裝固定。其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)固定架設(shè)計(jì) 異步電動(dòng)機(jī)減速箱作為支撐件的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)揉盤設(shè)計(jì) 揉盤是一個(gè)由邊緣向中間逐漸下凹的鑄鐵圓盤，通常做成花盤形，上鋪銅板或不銹鋼板，板上裝有 12 到 20 月牙形棱骨，用于增加揉搓力，本設(shè)計(jì)選擇 12 根棱骨。揉盤的中間裝有可供開啟和關(guān)閉的出茶門。揉盤的上面裝揉桶，揉桶上裝有揉桶蓋。揉桶可 圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)固定架固定于揉桶固定架的一個(gè)臂上，并主要用來固定自動(dòng)化加壓裝置的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其材料選擇為碳鋼，并用 M16 螺栓組進(jìn)行固定連接，其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 異步電動(dòng)機(jī)減速箱作為揉盤的一個(gè)支撐支座，該支座分為上下兩節(jié)，上面一節(jié)兼作減速箱，并用 M16的螺栓與揉盤進(jìn)行連接，其具體基本結(jié)構(gòu)如圖 所示： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)在揉盤上作平 面轉(zhuǎn)動(dòng)，并與揉盤互相配合，完成揉捻作業(yè)，其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)揉桶設(shè)計(jì) 揉桶是裝載揉捻葉的容器，它固定于揉桶固定架上，由曲臂帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。揉桶上部的揉桶蓋裝有加壓裝置用于控制揉桶蓋的上下位置，從而實(shí)現(xiàn)揉捻時(shí)對(duì)揉捻葉的加壓。其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)加壓蓋及其組件設(shè)計(jì) 如圖 所示為茶葉揉捻機(jī)的加壓裝置組件，該裝置是自動(dòng)化茶葉揉捻機(jī)的核心部分，起主要作用是對(duì)茶葉施加一向下的壓力，控制壓力的大小。它主要包括桶蓋、懸梁、 副軸、軸承、絲杠螺母、錐齒輪以及自動(dòng)施加壓力的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等部件。其主要部分為進(jìn)給部分，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下通過絲桿螺母調(diào)整懸臂的豎直位置進(jìn)而來調(diào)整壓力的大小，達(dá)到所需的不同大小的壓力，保證茶葉揉捻質(zhì)量。 圖 第四章 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)主要機(jī)械部件有限元分析 Solidworks 有限元分析簡(jiǎn)介 有限單元法分析 有限單元法（ finite element method,簡(jiǎn)稱 FEM）是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計(jì)算方法，是將彈性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù)，是 解決工程實(shí)際問題的一種有力的數(shù)值計(jì)算工具。由于這一方法靈活、快速和有效，其迅速發(fā)展 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 成為求解各領(lǐng)域數(shù)理方程的一種通用計(jì)算方法。目前，有限元法在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和實(shí)際工程問題中都得到了廣泛的應(yīng)用，如機(jī)械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、電子電氣、國防軍工、船舶、鐵道、汽車和石化能源等，并得到了普遍重視。 有限元法的分析過程 有限元分析計(jì)算的步驟可歸納如下： 結(jié)構(gòu)的離散化 結(jié)構(gòu)的離散化就是將分析的結(jié)構(gòu)體劃分為有限個(gè)單元體，將原來連續(xù)的單元體假想地分割成為一個(gè)離散的結(jié)構(gòu)，這一離散化的結(jié)構(gòu)由有限多個(gè) 形狀簡(jiǎn)單的構(gòu)件組成，這些有限大小的構(gòu)件稱為有限單元或簡(jiǎn)稱單元，相鄰單元在節(jié)點(diǎn)處連接在一起，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個(gè)單元的集合體，以它代替原來的結(jié)構(gòu)。單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)、描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。有限元法的計(jì)算模型實(shí)際上是一個(gè)僅在節(jié)點(diǎn)處連接，僅靠節(jié)點(diǎn)傳力的有限個(gè)單元的集合體。 選擇位移模式 在完成結(jié)構(gòu)的離散化之后，就可以對(duì)單元進(jìn)行特性分析。在有限元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法 。選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為 力法 。取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。為了能用節(jié)點(diǎn)位移表示單元體內(nèi)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，在分析連續(xù)體問題時(shí)，必須對(duì)單元中位移的分布做出一定的假設(shè)，也就是假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單函數(shù)，這種函數(shù)稱為位移模式或插值函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關(guān)鍵。通常選擇多項(xiàng)式作為位移模式。其原因是因?yàn)槎囗?xiàng)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算 (微分和積分 )比較方便，并且由于所有光滑函數(shù)的局部，都可以用多項(xiàng)式逼近，至于多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)和階次的選擇，則要考慮 單元的自由度和解的收斂性要求，一般來說，多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)應(yīng)等于單元的自由度數(shù)，它的階次應(yīng)包括常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)等。單元的自由度是指單元節(jié)點(diǎn)獨(dú)立位移的個(gè)數(shù)。根據(jù)選定的位移模式，就可以導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)位移的關(guān)系式，其矩陣形式是： {u}= [N]{δ}＇ (41) (41)式中 {u}—— 單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移列陣 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 {δ}＇ —— 單元的節(jié)點(diǎn)位移列陣 [N]—— 形函數(shù)矩陣，它的元素是位置坐標(biāo)的函數(shù) 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 位移模式選定以后，根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義 等，進(jìn)行單元的力學(xué)特性分析，包括如下三步： (1)利用幾何方程，由位移表達(dá)式 (41)導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)變的關(guān)系式： {ε }= [B]{δ}＇ (42) (42)式中 {ε}—— 單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變列陣 [B]—— 單元應(yīng)變矩陣 (2)利用本構(gòu)方程，由應(yīng)變的表達(dá)式 (42)導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式： {σ }= [D]{ε}= [D][B]{δ}＇ (43) (43)式中 {ζ}—— 單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力列陣 [D]—— 與單元材料有關(guān)的彈性矩陣 (3)利用變分原理，建立作用于單元上的 節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式，即單元的平衡方程為： { f }＇ = [K] ＇ {δ}＇ (44) (44)式中 [K] ＇ —— 單元?jiǎng)偠染仃嚕?[K] =∫∫∫ [B][D][B] dxdydz 式 (44)的積分應(yīng)普及整個(gè)單元的體積。 單元組集，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程 單元組集包括兩方面的內(nèi)容 :一是各個(gè)單元的剛度矩陣，集合成整個(gè)物體的整體剛度矩陣 。二是將作用于各單元的等效節(jié)點(diǎn)力集合成總的載荷列陣。最常用的集合剛度矩陣的方法是直接剛度法。一般來說，集合所依據(jù)的理由是要求所有相臨的單元在公共結(jié)點(diǎn)處的 位移相等。于是得到以整體剛度矩陣 [K]、載荷列陣 {f}以及整個(gè)物體的結(jié)點(diǎn)位移列陣 {δ}表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程： [K ]{δ}={f} (45) 這個(gè)方程還應(yīng)考慮幾何邊界條件作適當(dāng)?shù)男薷闹?，才能夠解出所有的未知結(jié)點(diǎn)位 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 移。 求解未知節(jié)點(diǎn)位移 由集合起來的平衡方程組 (45)解出未知位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)選擇合適的計(jì)算方法。 計(jì)算單元應(yīng)力 最后就可利用公式 (43)和已求得的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各單元的應(yīng)力，并加以整理得出想要的結(jié)果 [20][21]。 有限元法的分析步驟 從使用 有限元程序的角度來講，有限元分析可分為三個(gè)步驟，即有限元分析的前處理、有限元分析的計(jì)算和有限元分析的后處理。 (1) 前處理是對(duì)計(jì)算對(duì)象網(wǎng)格劃分、形成計(jì)算模型的過程。包括單元類型的選擇，結(jié)構(gòu)的材料特征參數(shù)的確定，實(shí)體建模，節(jié)點(diǎn)和單元網(wǎng)格的確定，邊界條件或約束條件及載荷的移置等。許多商用有限元軟件不僅提供了與主流 CAD 系統(tǒng)的接口，自己本身也又很好的實(shí)體建模性能有限元軟件都提供了一種以上的網(wǎng)格劃分方法，以供使用者根據(jù)計(jì)算要求進(jìn)行選擇。其任務(wù)包括： 1) 建立分析結(jié)構(gòu)的幾何模型。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以直接讀 取 CAD 軟件的相關(guān)格式，或者以 IGES 等文件格式作為中介，從 CAD 系統(tǒng)中獲取結(jié)構(gòu)的幾何模型，輸入有限元分析軟件。 2) 根據(jù)分析對(duì)象和目的，確定有限元網(wǎng)格劃分方案 (單元類型的選擇、但愿密度和數(shù)量 )和裝配方案 (連接關(guān)系類型和位置 )，建立有限元分析的計(jì)算模型。 3)確定施加邊界條件 (結(jié)構(gòu)所受的載荷和約束 )。 (2) 計(jì)算是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯(lián)立方程組、最終得到節(jié)點(diǎn)位移的過程。可以利用程序提供的各種求解方法進(jìn)行選擇求解。由于商用軟件己經(jīng)針對(duì)多種模型進(jìn)行過驗(yàn)證運(yùn)算，因此只需要按照提示輸入各種條件 ，包括收斂的方法 (在軟件中，這常被稱為求解器 )等，計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。 (3) 后處理是對(duì)計(jì)算結(jié)果 (應(yīng)力、應(yīng)變或振型等 )進(jìn)行必要的處理，并按一定有限單元法具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1） 分析對(duì)象的幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)； 2） 適用范圍廣； 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 3） 較好的穩(wěn)定性和收斂性。便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。有限單元法采用矩陣式和單元組裝方法，每一個(gè)步驟都便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件模塊化，有利于計(jì)算機(jī)軟件的處理。 有限元分析分析機(jī)械部件 揉捻機(jī)支撐件有限元法分析 2. 編輯該零件的應(yīng)用材料 選擇灰鑄鐵，并單擊應(yīng)用按鈕，然后關(guān)閉該窗口，如圖 所示： 1. 安裝 Solidworks simulation 插件后，打開 所要分析的零件圖，新建一個(gè)算例，該揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)部件的有限元分析只做其靜態(tài)分析，并單擊確定按鈕，如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 圖 3. 添加夾具 固定幾何體，然后單擊確定按鈕，如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 4. 加載外部載荷 由于揉捻機(jī)各個(gè)零件都已經(jīng)編輯了應(yīng)用材料，所以整個(gè)機(jī)器的總重量是已知的。在此，估測(cè)一個(gè)足夠大的值，取施加載荷為 1200N 的力作分析，然后單擊確定按鈕，其具體做法如圖 所示： 圖 5. 劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格控制允許獨(dú)立于整體單元尺寸而只在所選的位置控制局部單元尺寸。與整體網(wǎng)格細(xì)化相比較，它是更有效的數(shù)值 技術(shù)。在需要的位置進(jìn)行小單元?jiǎng)澐?，那些無應(yīng)力集中的地方用較大的網(wǎng)格劃分。本部件 由于在受力的部位有應(yīng)力集中的地方如圖 所示，因此，可以應(yīng)用網(wǎng)格控制細(xì)化分析。在這里我們做個(gè)比較，選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制圖 和不選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制圖 所示： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 圖 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 圖 綜述：網(wǎng)格控制可以應(yīng)用到點(diǎn)、面或裝配體的整個(gè)零部件。從以上兩圖通過分析我們可以觀察出來，在應(yīng)力集中的地方，選擇了應(yīng)用網(wǎng)格控制的位置比其他地方網(wǎng)格要細(xì)化很多，控制的網(wǎng)格沿邊界局部細(xì)化，而沒選擇的網(wǎng)格和其他一樣。 6. 運(yùn)行算例 在應(yīng)力 集中的地方發(fā)生的位移變形比較大，因?yàn)榇肆慵氰T造而成，在應(yīng)力集中的地方?jīng)]有倒角，應(yīng)力較大，所以要改進(jìn)的是將此處倒角，減少應(yīng)力集中。因此，可以清晰的看到該零部件受到 1200N 力時(shí)的應(yīng)力、位移、應(yīng)變結(jié)果示意圖，其如圖 、 所示： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 圖 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 圖 揉盤有限元法分析 1. 選擇模型 我們知道揉盤中的載荷來源是茶葉的重量，而茶葉只有揉桶里面有，所以揉盤內(nèi)只有揉盤所處的位置受力，其它部分不受力，我們用分割線將模型分割出揉桶的位置以便接下來分析。如下圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 2. 編輯材料 在茶葉揉捻過程中，由于茶葉汁液的流出，可能會(huì)使得鑄鐵生銹。因此，應(yīng)在鑄鐵構(gòu)架中鋪設(shè)不銹鋼鋼板，也保證了該機(jī)器所揉捻的茶葉品質(zhì)保持較好。 3. 揉盤進(jìn)行夾具固定 在固定揉盤時(shí)，是將三個(gè)軸承座處固定，其具體固定方式如圖 所示： 圖 4. 外部載荷 考慮揉桶所裝茶葉的重量，及其加壓蓋所加壓力，這里給予較大的 估測(cè)值500N 進(jìn)行分析，如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁 5. 劃分網(wǎng)格 揉盤在工作部位和固定端存在應(yīng)力集中，可采用應(yīng)用網(wǎng)格控制和不選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制 進(jìn)行比較分析，如圖 和 所示：