双轴搅拌机
涂文静+胡三恩+付红栓+谯正武
摘 要：轴是搅拌机的重要部件，因其长度较长、质量重、受力复杂，作业时易引起变形。针对此问题，该文首先应用SolidWorks软件对双轴搅拌机的虚拟样机进行简化建模，其次利用静力学分析对双传动轴强度及刚度进行了校核，在满足其刚度、强度条件下，对虚拟样机进行了优化分析。通过实例证明利用三维软件对双轴优化分析后，双轴的质量、最大应力均有所减少，不仅增加了搅拌机的使用寿命，而且提高了设计效率，大大缩短了研发时间、节约了成本。
关键词：双轴搅拌机 虚拟样机 静力学分析 优化分析
中图分类号：TD40 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（c）-0103-04
Abstract： Shaft is an important part of a mixer， because of its length is longer， heavy quality， stress is complex， easy cause deformation when working. For this problem， first of all， the biaxial mixer virtual prototype were simply modeled using this SolidWorks software in this paper； Then， the strength and rigidity of the double drive shaft are checked by static analysis，the virtual prototype is optimized， under the condition of satisfying the stiffness and strength. Through the examples， it is proved that both the mass and the maximum stress of the biaxial shaft were decreasedusing the three-dimensional softwareoptimization analyzed， not only increases the service life of the mixer， but also improves the design efficiency， shortens the development time and saves the cost.
Key Words： The biaxial mixer； The virtual prototype； The static analysis； Optimization analysis
攪拌机在现代行业中应用比较广泛，不仅在土建、畜牧业方面，而且在医学、民生、煤矿、机械等行业，是现代民生发展中必不可少的机械设备。搅拌轴是搅拌机的重要组成部件，传统的单轴搅拌机输送效果好，但是搅拌效果较双轴搅拌机差。为此，该文设计的是双轴搅拌机，该双轴搅拌机是根据本单位生产线上的需求而制造加工的，此搅拌机在生产线上的功能是搅拌石料粉末状混合物，该混合物是现代新型建筑所需要的材料。双轴组件在作业中承受的外力载荷比较复杂，双轴的使用寿命决定着搅拌机的使用寿命，在保证其刚度、疲劳强度和稳定性的同时，还需达到质量轻、形状美观、减小集中应力，对其搅拌轴进行优化设计。
1 双轴搅拌机的结构组成及工作原理
机构组成部分主要由传动装置、搅拌装置、卸料装置三大部分组成。传动装置是由电机通过皮带轮带动减速机，经减速系统增大扭矩、降低转速，带动传动轴运转；搅拌装置是由两根平行的搅拌轴和22组搅拌叶组成；卸料装置是由两组液压缸同时工作，推动搅拌槽转动完成卸料。双轴搅拌机的零部件主要包括：电机、传动带轮、传动三角带、减速机、联轴器、两根搅拌轴、传动齿轮、翻转架、搅拌叶、搅拌槽体、盖板、水管、底架、液压缸等。
双轴搅拌机的设计的最大容量为1.05 m3，建议使用的最佳容量为0.7 m3，物料进入搅拌槽体后，在电机的驱动下两根搅拌轴反向运转，搅拌轴上的叶片呈螺旋状分布，搅拌叶是采用PVC材质，以避免损坏槽体，22组搅拌叶在两根搅拌轴上前后上下都错开一定的空间，使物料在两个半圆的搅拌筒内持续不断地运转，一方面将搅拌筒底部和中间的物料向上翻滚，另一方面搅拌叶推动物料做循环运动，搅拌叶几乎能搅拌到整个槽体，使物料能够搅拌均匀。双轴搅拌机的搅拌槽体为结构件，上有盖板，有较好的密封性能，在搅拌机搅拌物料的过程中，可有效避免物料外漏和飞溅，也有效的避免杂质落入搅拌槽内[1，2]。
两根搅拌轴都装有轴承座、轴承套、轴承盖、护轴套、搅拌叶和保持同步相反运动的齿轮，两根搅拌轴在搅拌过程中受到的磨损比较严重，要定期给转动轴添加润滑油，保证轴的正常运转以增长使用寿命。
2 双轴搅拌机主要参数的确定
3 建立虚拟样机模型
虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术，是利用计算机软件建立系统的三维实体模型和动力学模型来分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和改进提供了参数依据。Solid Works软件是唯一集3D设计、分析、产品数据管理、多用户协作功能于一身的三维软件，能方便地进行静力学、动力学的多项研究分析[3，4]。可以很方便地绘制有色的、复杂的三维实体模型，比传统的平面图形更符合人的视觉习惯，有利于发挥人的创造性思维，有利于新产品的改进设计。
3.1 主要零件的建模
打开SolidWorks软件界面[5]，新建一张草图，在选定的平面上绘制二维几何图形，再对这个草图进行某些特征的操作。一般过程如下。
（1）选定草图基准面：（前视基准面、上视基准面、右视基准面）。
（2）绘制几何体形状：方法①利用实体绘制工具命令按钮，如直线、中心矩形、圆、多边形、绘制圆角等命令。方法②在SolidWorks中打开绘制好的CAD圖形（.dwg），建立二维草图。
（3）设定草图几何尺寸和几何关系的约束：即确定草图的定形尺寸和定位尺寸；设定几何关系的约束，相互垂直、相互平行、相切、共线、水平、竖直、对称等。
（4）特征造型：对所建立的草图进行拉伸、旋转、拉伸切除、旋转切除、扫描等特征生成基本特征，然后添加倒角和圆角等一些辅助特征。
依照以上步骤，建立搅拌机的各个零件的三维实体模型（主动轴、被动轴、底座、轴承座、轴承盖、搅拌槽、搅拌叶，如图1所示）。
3.2 虚拟样机的装配
在SolidWorks三维软件[6，7]中，装配过程一般如下。
（1）新建一个新的装配体：直接创建新装配体。
（2）向装配体中添加个零部件：打开前面建立的 “底座”零件，将其插入到装配体中。
（3）单击“装配体”工具栏上的“插入零部件按钮”，在“插入零部件按钮”属性管理器中单击“浏览”按钮。
（4）零部件之间的配合关系：利用重合、距离、同心、相切、平行、齿轮配合等配合关系限制零部件的自由度。
（5）重复步骤（3）和（4），对双轴搅拌机进行了组装并进行了干涉检查，双轴搅拌机装配图，如图2所示。
4 传动轴的应力分析
由于搅拌机正常作业时，两个搅拌轴受到联轴器传递力和物料的阻尼力，现需对传动轴进行受力分析，以便优化机构。
（1）选项设置。包括材料、载荷和结果的单位体系等设置。材料选为45号钢调质处理，经查阅文献，其力学性能为：抗拉强度σb≥600 MPa，屈服强度σs≥355 MPa，伸长率δS=16%，断面收缩率ψ=40%，冲击韧度AkU=39 J/cm，调质处理240～280 HB，泊松比μ=0.3，弹性模量 E=205 GPa，质量密度ρ=7.85 kg/m3，施加载荷扭矩Tmax=1976.4 N·m，由于轴的受力载荷分布比较复杂，为了方便计算，合理简化模型。
（2）划分网格。开始进行分析程序，可以设置零件网格的划分程度，网格划分越小结果越精确，但相应的对硬件资源的要求也越高，分析计算的时间也增加，对于搅拌机双轴采用中等网格划分。
（3）分析处理结果。分析得出的等效应力分布图（如图3和图4所示）中显示出了零件各个部位的等效应力大小。在变形形状分布图中显示出零件各个部位位移量，可以看出该件最大位移量为0.04 195 mm，位于轴的中间部位，如图3所示；该件局部最大等效应力位于右端联轴器传递力与轴承的中间处最大应力值为23.586 MPa，如图4所示。
5 结论
该文利用SolidWorks三维软件对双轴搅拌机的搅拌轴进行了静力学分析，得出结论如下。
（1）从合位移变化图中（图3）可以看出，传动轴中间部位的合位移最大，两端的最小，最大值为0.04 195 mm，故说明轴中间的柔性大。
（2）从图4的应力变化图中可以看出，传动轴两端受的的应力较大，传动端受到的应力最大，其最大值为23.586 MPa，故说明传动端受到的合应力最大，也是设计过程中考虑需要满足此工况的轴径。
（3）从合位移的变化量来看，最大变化量不影响轴的正常工作，满足轴的刚度要求；从应力变化量来看，最大变化量不超过许用应力，满足强度要求，该文选的最小轴径满足此工况。
（4）利用SolidWorks软件对双轴搅拌机进行了三维模型的建立，三维模型帮助设计人员提高了设计的可靠度，并对该搅拌机的搅拌轴进行静态仿真，在搅拌机的设计过程中就可以分析各种方案，优化产品性能的参数，预测其在真实工况下的整体性能，有利于缩短开发周期并降低成本。
参考文献
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[5] 张晋西，郭学琴.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京：清华大学出版社，2007.
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