基于SolidWorks的食品物料螺旋輸送機螺旋體的模態(tài)分析

螺旋輸送機是一種連續(xù)輸送機械，結(jié)構(gòu)簡單，密封性能好，便于裝料和卸料，操作方便，在糧食與飼料行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。由螺旋芯軸和螺旋葉片構(gòu)成的螺旋體是螺旋輸送機設(shè)計與制造的關(guān)鍵部件，設(shè)計難度較大。螺旋體在工作時處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果設(shè)計不當(dāng)，當(dāng)其固有頻率與其工作頻率相等或接近時，則可能發(fā)生共振，將嚴重影響整機的工作性能。

傳統(tǒng)設(shè)計方法是通過經(jīng)驗公式得到螺旋體的有關(guān)參數(shù)，往往裕度較大，與實際工況存在一定差別。應(yīng)用SolidWorks及其內(nèi)置的Simulation模塊對一款新設(shè)計的螺旋體進行有限元模態(tài)分析，預(yù)測其動態(tài)特性，防止共振的發(fā)生，為螺旋體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

SolidWorks軟件的特點

Solidworks是法國達索公司針對CAD中端主流市場的主打品牌，與其他常見的主流CAD軟件相比，主要優(yōu)點有：1.基于Window平臺開發(fā)，拖放、點擊、復(fù)制剪切粘貼等命令同樣適用于Solidworks操作界面。2. 強大的參數(shù)化建模功能使得用戶可以輕松高效的完成草圖、三維零件、裝配體以及工程圖的創(chuàng)建和修改。3. Solidworks內(nèi)置的Simulation模塊，可以直接對其生成的零件和裝配體進行靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、頻率、優(yōu)化和疲勞分析等有限元分析，真正做到了無縫集成，避免了復(fù)雜模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而容易出現(xiàn)特征丟失的問題。

螺旋體有限元模型的建立和計算

首先根據(jù)設(shè)計參數(shù)建立螺旋體的三維幾何實體模型，并做適當(dāng)簡化，以便于后期的處理和計算。然后進入Simulation模塊，選擇分析類型為Frequency，之后依次設(shè)置材質(zhì)、約束、網(wǎng)格劃分等參數(shù)。材質(zhì)選用AISI304不銹鋼，密度為8000Kg·m-3，彈性模量為190GPa，泊松比為0.29。螺旋體在實際工況下，由兩端軸承支撐，故在其兩端軸承處均施加軸承支撐約束，另外在動力輸入側(cè)端面施加固定約束，以限制轉(zhuǎn)動自由度。網(wǎng)格的定義和劃分參數(shù)均采用默認設(shè)置。通過以上步驟處理，得到加上約束并劃分網(wǎng)格的螺旋體限元網(wǎng)格模型。

對該螺旋體有限元模型的求解，一般不需要求出所有的固有頻率和振型，由于低階模態(tài)對振動系統(tǒng)的影響較大，因此本文僅計算了前4階模態(tài)。得到螺旋體前4階固有頻率和振型特性如表1所示，通過單位換算進一步得到臨界轉(zhuǎn)速。第一、三階振型圖如圖1所示。

本文通過有限元分析得到了螺旋體前4階固有頻率和振型。根據(jù)計算結(jié)果，螺旋體的1階固有頻率為30.658Hz，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為1839.5r·min-1，大大高于其設(shè)計工作轉(zhuǎn)速為140r·min-1，可知螺旋體的剛性較好，該方案滿足設(shè)計要求。