基于虚拟样机技术的锤片式粉碎机转子系统创新设计

摘要

锤片式粉碎机是饲料加工产业中的重要机械之一，凭借构造简单，加工粉碎率高，通用性好等优势而被广泛使用。现如今随着农作物产量不断提高，秸秆粉碎需求量加大，该机械设备也渐渐显现出了包括高耗低效，寿命短等在内的诸多问题。为了解决这些问题，众多科研人员不断深入探究，寻求提升锤片式粉碎机粉碎效率，并同时降低能耗、增加设备可靠性的方法。主要研究内容为： （1）针对型号为SFSP112×30的锤片式粉碎机进行常规工作时，粉碎室内存在的空气-物料环流层现象，以及由此引发的粉碎效率低，能耗高，机械零件使用寿命短及粉碎颗粒不均匀等的问题，提出了基于虚拟样机技术的旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机创新设计方案，即引入旋转脉冲喷吹装置来改善锤片式粉碎机的性能。创新方案为在原粉碎室内的转子系统与主轴之间连接四道喷管，在其上成阵列方式均匀分布四排喷嘴，通过喷嘴向粉碎室内喷入高压气体（由空压机经过除油过滤），打破粉碎室内存在的空气-物料环流层，让物料颗粒之间产生更为剧烈的摩擦和冲击，达到物料所能承受的最大极限时物料粉碎完成。喷嘴采用直头喷嘴和曲头喷嘴两种，直头喷嘴直对筛网和主轴，清理筛网堵塞物料与主轴附近堆积物料；曲头喷嘴指向锤片，清理锤片附近堆积物料，增加有效碰撞。理论上，运用气流碰撞原理打破粉碎室内的空气-物料环流层现象、增加物料与锤片间的有效碰撞、减少物料在粉碎室转子中心处过度堆积、并改善筛网的使用性能和锤片的使用寿命、防止堵塞筛孔。 （2）建立了旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机粉碎室的三维模型。对创新方案的关键部件，如主轴、锤片、筛网、锤架板等进行结构设计与尺寸定义；并借助三维建模软件SolidWorks完成关键部件建模与转子系统装配，根据各个零部件之间的配合关系，完成旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机粉碎室的三维建模，得到创新方案的零件图和装配图。 （3）研究了旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机粉碎室内转子系统主要零部件的静力学特性，借助ANSYS有限元仿真功能对旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机的关键构件进行静力学仿真，获取各个关键零部件的变形图、位移图以及应力应变图。分析图像，结果表明：创新方案中主轴的最大变形截面与理论分析相同，为截面C附近。且主轴在受力条件下最大应力与应变均在所选用材料的许用强度范围内；锤架板的最大变形截面为锤架板上喷管所在通孔处，且锤架板在转动过程中受到的最大应力与应变均在所选用材料的许用强度范围内；选用的深沟球轴承使用寿命远大于预期寿命，故创新方案满足强度要求。 （4）研究了旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机粉碎室内流域流体运动特性和转子系统运动特性。在虚拟样机技术的基础之上，应用流体动力学软件FLUENT和虚拟样机应用软件ADAMS。结果表明：本课题的旋转脉冲喷吹装置的存在，能有效地打破粉碎室内存在的空气-物料环流层现象、消除粉碎室中心负压现象、防止物料过度堆积在转子中心而影响粉碎和损坏设备，较大的提高了粉碎效率；运动中所有部件的受力情况、位移变化情况、速度变化情况、加速度变化情况和所受转矩情况，均满足实际运动规律。对比强度校核中主轴最大扭矩和所受力的大小，可知旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机满足理论分析要求和机械运转条件。 通过以上研究，可以得到旋转脉冲喷吹式锤片粉碎机的存在可以消除粉碎室内的空气-物料环流层现象与粉碎室中心负压现象，从而提高粉碎机效率，减少能源消耗。

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摘 要

ABSTRACT

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外锤片式粉碎机发展概况

1.2.2 国内锤片式粉碎机发展概况

1.3 课题研究目的及意义

1.4 课题研究内容

1.5 虚拟样机技术简介

2.1 工作原理与存在问题

2.1.1 偏心冲击现象

2.1.2 空气-物料环流层现象

2.1.3 粉碎室内碰撞分类

2.2 转子系统设计方案

2.2.1 设计要求

2.2.2 总体方案

2.3 总体结构设计

2.3.1 电机选型

2.4 本章小结

3.1 SolidWorks软件介绍

3.2 基于SolidWorks的转子系统建模

3.3 本章小结

4.1 ANSYS软件介绍

4.2 主轴的强度校核

4.3 锤架板的强度校核

4.4 键的强度和轴承的寿命计算

6.1 结论

6.2 展望

致 谢

附录

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